星期一, 5月 16

    智慧制造技术与模具T0(T-zero) 量产应用

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    ■ACMT/刘文斌

    前言

    所谓智慧制造(Wisdom Manufacturing, WM)是一种面对客户产品制造服务,基於技术知识与生产制程感知,借由 人机物协同制造模式,在物联网、互联网、大数据、知识库与先进制造技术等的支援下,将各种制造资源串联形成 集成型技术后台,再根据客户需求与在人机物共同决策下做出智能化生产对应,在产品制造生命周期过程中,为客 户提供客制化、主动式、透明化、可信赖的制造服务。

    射出成型加工制程可以大略区分为两个主要阶段,第一个阶段是属于前期的开发阶段,包含前端的产品设计、模具 设计与模具加工制作部分;第二个阶段是模具完成后,模具装载到射出成型机台上进行产品的批次量生产。严格说 设计开发与量产制程两阶段是有著高度依存性,彼此环环相扣无法各自独立运作。设计端没有考虑实际的射出生产 设备规格与成型条件,制作出来的模具就会很困难来进行成型加工,生产的产品品质也很难稳定控制。在整个产品 开发过程中,模具一旦加工制作完成,要再去进行大幅度模具修改在执行上就会花费较高成本,所以在产品与模具 开发前期设计阶段,就必须要将模具射出成型加工时可能发生的问题点全盘考虑,在此设计开发验证阶段,模具设 计与模具制造已经不再是传统模具厂凭经验或是尝试性制造可以达成客户需求;模具的标準化与资讯化系统已经是 必备的设计工具,科学化的模拟预测方法也是模具设计与制造的主要验证工具。

    在模具智慧设计与模具科学验证过程中,高度一体化CAD制能设计与CAE模流仿真分析扮演著十分重要的角色, 智能化CAD设计可以缩短设计时间、减少设计错误、累积设计经验,而CAE模拟分析工具可以应用于解决产品设 计、塑料、模具、成型设备、加工成型参数等所导致的生产问题,只需要在设计与验证时以近似真实的成型加工状 况条件来进行仿真分析,将可以得到参考度极高的分析结果。图1.模具开发制造-全面流程数字化管理体系。图2.射 出成型加工制程各阶段所需的分析工具。图3.是模具智能制造资讯化软体协同应用相互关系。

    图 1: 模具开发制造 – 全面流程数字化管理体系

    图 2: 注塑成型加工制程各阶段所需的分析工具

    图 3: 模具智能制造资讯化软体协同应用相互关系

    射出成型加工产业的现况

    目前射出成型加工产业普遍存在的问题,是设计前端与制造生产后端的沟通链接性不良,探究其主要原因则是人员分工过细,经验传承不足,各部门员工之间没有机会进行相互交流。射出成型加工产业从业人员中,从事产品 设计与模具设计的工程设计人员,很多不了解塑料特性,也不懂射出成型加工技术;而从事CAE模流仿真分 析的工程人员,也不清楚塑料特性、不了解模具设计概念、更没有实际现场射出成型调机经验;同样的后段成 型制程中的现场射出机调机人员,也是很高比例是不清楚塑料特性也没有CAE模流分析经验,看不懂CAE分 析报告;这些产业界的实际状况,其实也是造成企业产品开发阶段的资源重复浪费与系统集成阻力的主要原因。

    开发设计前端如果不懂塑料特性,设计出来的产品厚度分布与流道与浇口尺寸可能是不适合;CAE模流仿真分 析人员如果不懂射出成型加工,那如何设定正确的成型加工参数,仿真分析使用的加工参数如果与实际射出现 场加工条件差异很大,那CAE模流仿真分析的结果参考价值就不高;另外现场射出机生产调机人员,如果不 了解塑料加工特性、不清楚射出成型加工原理,如何正确设定成型参数,如何正确改善与优化产品不良现象。 这些一体化设计开发与集成型技术人力的欠缺与问题,都是目前射出成型加工企业在技术与生产效能提升上遭 遇到的进步瓶颈,同时也限制企业迈向智能制造发展的步调。

    近年来在工业4.0的倡议下,智能制造与智慧设计,是建立复制产品开发成功模式的必要因素。已经有许多企 业体认到集成设计与生产制程各环节技术能量的重要性,也开始著手在企业内部进行各单位的人员训练与技术 提升,希望员工同时具备模具设计能力、CAE模流分析能力与现场射出机调机能力的全方位三合一技能优质工 程师。同时我们也看到了有许多指标性企业成功的案例与实质效益。

    T0量产的概念

    射出成型加工企业传统上所设定的产品开发目标,只是要求能减少试模次数,加速产品上线生产的开发时程; 然而每当新模具制作完成时,总会带给模具开发人员一定程度的心情压力,因为模具即将面临上机台进行试模 验证;模具开发的产品设计与模具机构设计、CNC制作加工等工序的正确合理性与加工精度,都将决定模具是否能顺利进行射出成型生产,所成型产品能否达到客户允收标準,这些都会在上机试模后得到初步验证结 果。如果试模结果产品有不能接受的缺失,那后续将会面临冗长的会议检讨与研拟改善方案。

    近年来在工业4.0智能制造的推波下,产业界开始有企业提出追求”T0量产”的概念,且已有多家厂家开始在 公司内部推动追求” T0量产”为企业下一阶段的发展目标。所谓”T0量产”是指当模具设计制造加工完成后, 装载模具到射出机台上进行T0第一次射出成型加工时,就可以移交模具开始进行连续式加工量产。所以” T0 量产”的概念就是产品生产过程中,所有可能会遭遇到的问题点,都应该在设计前端就能被考虑到,并且在设 计优化修正的过程中,就已经将可能会发生的问题点完全排除与解决。因此模具设计加工制造完成后,就可以 实际射出加工生产,T0射出时的成型加工条件也无须再去调整设定,因为在前期设计阶段就已经决定了这付 模具最终生产的射出成型加工参数。

    而实际上也已经有企业在迈向” T0量产”道路上已经取得不错的成绩,从成功企业的经验可以体认到” T0量 产”的目标只要使用方法正确是可以达成的。当模具每次增加一次试模,就会衍生出人力、水电、机台占用、 模具修改、塑料浪费等多项开发成本的增加;而” T0量产”的实现将带给企业开发成本大幅降低、产品利润与 产值效益大幅提升、产品品质能有效稳定控制、技术与经验的累积与精进。

    图 4:“T0 量产”目标的达成需结合智慧设计与智能注塑

    如何做到T0量产

    企业要达成模具开发〝T0量产〞的程度,在产品开发制程上需要在模具制作完成前,就已经完全掌握此产品 在设计与生产过程中,模具可能发生会有甚么生产问题,而且在设计阶段也已经将这些问题完成了优化解决方 案,所以当模具进行射出加工时才可以直接进入稳定量产,不须来来回回修改模具来解决不良设计或产品缺 陷。在设计阶段要把所有可能发生的产品端、模具端、与射出成型加工端的问题都能预先诊断防范与解决,在 做法上有下面几项重点:
    (1)模具设计的标準化,借由标準化的设计流程,将设计变量参数化,以设计变量的排列组合技术逻辑来测试设计的优劣,并内建形成标準数据库,持续迭代更新以优化产品与模具的设计形式,此 方式可以达成同样产品给不同人员设计也可以得出几乎相同的结果。
    (2)智慧设计分析工具与可供参考的设计 参数与数据库来支持,借由智能CAD设计软件与CAE模流仿真分析软件的科学验证方式来达成产品与模具的 设计优化。
    (3)进行科学化的电脑试模
    (4)模具加工制作与检测的自动化

    然而要达到所设计的射出模具可以达成” T0量产”目标,模具在设计阶段就需要导入智慧设计与智能制造技术, 需要借由系统化、数据参数化与可提供建议设计参数范围的智慧CAD设计工具,让产品与模具的设计流程可 以标準化及自动化,减少人员训练时间与缩短设计开发时程,可将常用模具零组件进行参数化,且设计纪录可 以保存在资料库内,形成日后设计可参考的设计数据,所以智慧CAD设计工具只要调整设计参数数值,零件 尺寸和配合件尺寸即可自动调整到位。同时在设计分析验证的CAE解析中,也需要将实际射出生产过程的加 工参数纳入。在设计过程中对于塑料的加工特性需要有正确掌握,塑料的加工特性例如剪切黏度特性、pvT特 性、热传系数等参数,需要确认其数据的正确性,企业最好是具有塑料特性的量测验证能力;另外CAE分析 所使用的成型射出机台规格资讯,也需与日后生产使用的射出机台一致,且机台成型加工参数的实际加工表 现,也需要与现场射出机台的参数响应一致,因此需要针对成型现场的射出成型机台进行机台参数标定;最后 模具的制造加工借由智能讯息化制造管理系统,来掌控模具加工精度与工件线上检测。可确保模具加工排程与 进度管理,并对模具加工的即时成本加以管控。

    图 5: 智能设计系统 ( CAD+CAE+IoT)

    图 6: 智能化注塑成型工厂实景

    图 7: 智能化模具工厂云端数据库

    模具“T0量产”智慧设计智能化制造指标性企业

    苏州诚模精密科技有限公司自2018年起与科盛科技(Moldex3D)与型创科技(MiT)公司共同开发完成智能设计 分析系统,打通CAD与CAE的二大设计数据,实现一键执行分析的CAE模流仿真新功能,将产品设计、模 具设计与生产制造的技术集成串联起来;并借由生产射出机台鉴定与三合一工程师培训计画,使诚模精密公司 内所有模具设计工程师不仅具备CAE模流仿真分析能力,同时也具备现场射出成型加工工艺的全方位工程师。同时诚模精密更透过人工智能(AI)与物联网(IoT)技术的发展,打通CAE分析数据库与射出成形机的关联信息, 形成工业4.0的闭循环系统,这个先进系统的建构完成,让诚模精密开发制作的模具,可以实现T0移交加工 现场进行量产的企业目标,也为诚模精密提供创造无限竞争力的基础。

    诚模精密模具部於2018年凭借着模具部门70多位员工,钳工组立员工仅仅10位的情况下,全年度共完成 650套模具的开发,超过1000套模具保修。(每月6.5套产出/1名钳工)。(制作模具大小只提供给50吨~650 吨之射出机使用)。模具设计工作,过去需要4天,至今只需1天即可完成设计及备料工作。营收表现2016年 约 3000 万,2017 年约 8000 万,2018 年约 2.5 亿 ( 仅用三年时间 ),2019 年预估约 4.5 亿。2018 年诚模精密 人均产值/年:产值2.5亿,平均员工人数是284人/年,人均产值76万人民币。(模具员工人数78名,模 具产值5120万,模具人均产值65万)。诚模精密目前模具制造与射出成型量产的现况如下:

    ◎工单达成率:100%。652套新模具及1183套旧模具,0%延误。
    ◎模具T0量产率:58.8%。652套模具,共384套模具T0量产。
    ◎设备稼动率:平均88.5%。公司目标是78.5%以上,每周设备工作7天。
    诚模精密模具部每年模具产量数量约有700套模具,T0量产的模具比例已经可以达到50%以上,扣除复制模 具,新开发模具达成T0量产的比例也高于30%;已经成为追求”T0量产”发展目标的指标性企业。■

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