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[研讨会论文] 利用模流分析进行车用饰板制程优化设计

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发表于 2011-8-17 15:00:50 | 显示全部楼层 |阅读模式

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利用模流分析进行车用饰板制程优化设计
APPLICATION OF SIMULATION ANALYSIS FOR OPTIMIZING AUTOMOTIVE TRIM PROCESS

曾信智 1        李政龙 2        熊仁洲 3        萧乃仁 4
Hsinn-Jyh Tzeng        Cheng-Lung Lee        Jen-Chou Hsiung        Nai-Jen Hsiao
南台科技大学  助理教授 1
Assistant Professor, Department of Mechanical Engineering, Southern Taiwan University
南台科技大学机械工程系  研究生 2
Graduated Student, Department of Mechanical Engineering, Southern Taiwan University
正修科技大学机械工程系所3
Department of Mechanical Engineering,Cheng-Shiu University
科盛科技股份有限公司 4
CoreTech System (Moldex3D) Co., Ltd

关键词:模流分析、翘曲、田口法、流动平衡。

摘        要
塑料射出成型制程中,产品翘曲变形量的大小是影响产品质量的主要因素之一。然而产品的翘曲和不均 匀收缩现象是由许多成型加工参数所共同影响的结果。本文将以一车内装饰板为例,藉由 Moldex3D 模流 分析软件进行探讨成形条件对产品翘曲的影响。在此研究中,首先选用不同位置之进浇点来探讨流动平衡 较佳的进浇口位置;然后再运用田口质量实验设计方法来分析影响产品翘曲之最佳适合参数。由分析显示可利用田口 L9(34)直交表进行参数的编排,决定出优化的成型加工参数组合。

Keyword: Simulation analysis, Warpage, Taguchi method, Flow balance

Abstract
Warpage is one of the most crucial problems during the injection molding process, for its great effect on product quality. However, warpage and non-uiform shrinkage are resulted by many molding processing factors. This paper studies a decorative plate of the car for the influence of molding conditions on warpage by using Moldex3D simulation software. First, choose the gate location with better flow balance from different gate locations, and the optimal process conditions by Taguchi method for warpage. It shows Taguchi L9 (34) orthogonal table for scheduling parameters can provide the optimized parameters.
 楼主| 发表于 2011-8-17 15:01:18 | 显示全部楼层
前言
最近几年来,市售产品以有朝轻薄短小的趋势进行,并且在产品开发之时程也越来越短,造成模 具工业为符合现今走向的一个重点产业,其中又以塑料模具最受青睐,因化学产业的发产能使用塑料 材料密度低的材质降低整体比重,并且不像金属材料会产生氧化腐蚀,在机械性质而言,塑料强度与 塑性变形的性能使得塑料能够符合使用在产业上;因为模具技术的不断提升,使产品以能够拥有较复 杂的外形,且塑料制品较不会受限于特定形状,在塑料模具工业上,射出成型最为业界使用的技术之 一,能够具有模具产业的最大生产值,其主因是生产容易且能大量生产,藉由导螺杆将熔融塑料注入 模穴,经射出、保压、冷却及顶出等行程,就可以在短时间完成产品生产,并且有不浪费塑料与产品 质量均一性的优点,尤其在大量生产的制程质量控制上,有着绝佳的生产优势。因此,塑料射出成型 在目前已经广泛运用在各生活用品中,在汽车产业部分也有许多部件是采用塑料射出成形来制作。
针对塑料射出时进浇点对于产品产生的翘曲影响为探讨重点,以车用之曲面装饰板为仿真产品, 产品进浇采用单点进浇因此先针对仿真产品探讨各点进浇口其流动平衡之效益,选用流动平衡最好之 浇口为最合适之进浇点后,以此进浇口进行计算机试模找到一组适合的加工参数,再以此组加工参数为 基准,运用田口质量试验设计方法进行翘曲变形量之参数优化分析。获得优化参数分析结果后, 将优化组别进行验证看是否能有效的改善产品之翘曲质量,若确实能改善翘曲变形量且不会产生其 他问题则此最佳参数组设计为可行之方法。
 楼主| 发表于 2011-8-17 15:02:27 | 显示全部楼层
本帖最后由 ACMT 于 2011-8-17 15:11 编辑

研究方法
一、案例简介
产品说明:本研究采用之车内装饰板为一带有曲面之产品,如图 1、图 2 所示。模型尺寸为:主要厚 度:2mm
长:50 mm 宽:35 mm 凹槽:内挖 0.5cm
进浇方式:使用冷浇道单点进浇。

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图 1、CAE 分析设计图                   图 2、产品厚度


二、实验用材料及射出机台

本研究之车用装饰板使用 CHI-MEI 所生产的 ABS 为实验材料,型号为 POLYLAC PA747,材料性质
与特性图如图 3、图 4 所示。
使用之射出机台为 HWA CHI 制造之机台,型号为 NHC-450-M,机台规格表如图 5 所示。


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图 3、ABS-PA747 材料性质                                                           图 4、ABS 黏度特性


三、加工条件


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图 5、射出机台规格

首先采用 CAE 之计算机试模进行充填分析,测试出一组较适当之参数为分析基准值,观察重点为充 填结果是否达到完整充填、剪切率是否会过大、有无过保压之现象发生等做为加工参数设定的选择依 据。
经过计算机试模后选定之参数条件为保压压力 80%、保压时间 5 秒、流率 70%、射出压力 60MPa、 料温 220℃、模温 50℃。参数条件之设定如图 6~9 所示。

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图 6、流率设置                                                  图 7、射出压力设置



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图 8、保压压力设置                                              图 9、料温及模温设置

实验步骤
一、进浇口选择
本实验模型采用单点进浇型式,故分析时主要注重于进浇点在充填过程中对于产品的流动平衡指 数,流动平衡指数愈高代表充填结束时产品即整个充饱,这样能有效的使保压作用时是使整个产品都 在进行保压动作,若流动平衡较差会形成一侧已充满而另一侧还没充满,造成未充满部份保压效果的 差异,进而导致整体产品的变形量变化。
因此在进浇口的选择方面以产品中心为基准,偏差角度 5°向左右偏移,取六个不同的进浇点做为 选择依据,经充填流动分析后观察流动波前结果,可以发现不同角度的进浇点所产生的流动是不相同 的,各进浇点的流动平衡指数如图 10~15 所示,再此六种位置的进浇口中以浇口六的流动平衡指数
99%为最高,因此进浇口的选择方面即以浇口六做为进浇点位置,其充填流动波前如图 16~19 所示。 流动平衡指数为充填阶段观察流动波前塑料流动的情形,当产品有一边塑料充填完成而另一边还未完 成充填则为流动不平衡,本篇文章之流动平衡指数取自当产品某一边塑料充填完成后其流动波前的时 间做为流动平衡的数据。

偏移Y轴-5°
120619zx0rc8xriv87y6xx.png 1206243v22btd2bvvhb2qv.jpg

图10:浇口一流动平衡85%                          图11:浇口二流动平衡90%

偏移Y轴+5° 偏移Y轴+10°
120706wii5xxiwrgxriwk4.png 1207119tnsztbe996ngmg0.png

图12:浇口三流动平衡92%                           图13:浇口四流动平衡95%

偏移Y轴+15° 偏移Y轴+20°
120831dsjybhq2qz7fjdyt.png 1208369yh3f721v7v8h7yn.png

图14:浇口五流动平衡97%                          图15:浇口六流动平衡99%

120913kbap5qz4nbae4eee.jpg 120917kvzsxlcyhxr5fzah.jpg

图16:浇口六流动波前25%                            图17:浇口六流动波前50%


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图 18:浇口六流动波前 75%                          图 19:浇口六流动波前 100%




 楼主| 发表于 2011-8-17 15:13:00 | 显示全部楼层
二、田口质量实验设计
使用 CAE 计算机试模进行充填、保压、翘曲求得一组适当之制程参数,以默认值为第一次计算机试 模分析后观察分析结果,在进行参数的修正来取得较合适的参数。本研究在此处使用田口质量实验设 计方法来求得最佳之制程参数。
因主要探讨之质量特性为产品的翘曲变形量,故希望翘曲变形量愈小愈好,所以采用田口实验法 中之望小特性(Smaller-the-Better)为设计准则,望小特性为使特性值愈小愈好的质量特性,其计算之公 式如下:


使用田口质量实验设计方法中之 L9 直交表进行实验规划。选择 A.保压压力、B.流率、C.料温、 D.模温四项为此实验之控制因子,且皆为三水平设计,水平及控制因子表如表 1 所示。原始设计参数 为保压压力 80%、流率 70%、料温 220℃、模温 50℃,将此四个控制因子代入至 L9 直交表中即可得 到 9 组实验参数,L9 实验参数表如表 2 所示。将 L9 直交表之各组实验数据分析完成后,从翘曲分析 结果将各实验组别之总位移变形平均值和标准偏差值纪录下来,如表 3 所示。再利用田口质量特性之 望小特性计算出各实验组别之总位移翘曲变形量的噪声比(S/N),将计算出来之噪声比(S/N)制作成 S/N 比回应表,如表 4 所示。
因噪声比(S/N)其特性为值愈大是愈好的,故能够从 S/N 比响应表中得到一组最佳的制程参数,此 最佳组别并不在 L9 直交表的参数中,故需将此最佳参数组别进行验证实验以确认是否符合所要求之 特性,若不符合则必须重新调配因子水平表。






 楼主| 发表于 2011-8-17 15:13:58 | 显示全部楼层
三、最佳参数组别分析
藉由田口质量实验设计方法得到之最佳参数组别从 S/N 比响应图可以得知为 A3、B3、C1、D1, 分别为保压压力 90%、流率 90%、料温 210℃、模温 40℃,将此参数组进行验证分析来观察是否有符 合整个实验设计所要的目标。
以充填分析来看产品有达到完全充饱且无缝合线问题,会产生包封位置都可以进行逃气的动作故 也没有包封产生之问题,充填流动波前如图 20~23 所示。翘曲变形分析从 X、Y、Z 及总位移变形量 来看此最佳参数组是否有达到降低翘曲变形量之要求,如图 24 所示。


图 20、  最佳参数组流动波前 25%                             图 21、最佳参数组流动波前 50%


图 22、最佳参数组流动波前 75%        图 23、最佳参数组流动波前 100%



图 24、最佳参数翘曲变形总位移量
 楼主| 发表于 2011-8-17 15:14:35 | 显示全部楼层
结果与讨论

以翘曲变形量做为比较之依据,原设计参数之 X 轴变形量为:10.254mm、Y 轴变形量为:6.863mm、
Z 轴变形量为:2.674mm、总位移变形量为:7.76mm,如图 25 所示。最佳设计参数之 X 轴变形量为:
8.18mm、Y 轴变形量为:5.489mm、Z 轴变形量为:2.364mm、总位移变形量为:6.23mm,如表 5、表 6
所示。 将两种加工条件相互比较后可以发现,经田口实验设计方法所获得之加工参数对于翘曲变形量的
降低确实是有效果的,在各方向之变形量都较原始设计来的低。在这里计算出一个值来呈现设计变更 对产品的妥善率改善多少,将原始设计之翘曲总位移量减去最佳参数之翘曲总位移量后再除以原始设 计之翘曲总位移量,所算出的值在乘以 100%即可求出妥善率。经计算后本研究之最佳参数翘曲总变形 量 2.849mm 较原始设计翘曲总变形量 3.58mm 妥善了 20.4%。




图 25、原设计参数组翘曲总位移量



 楼主| 发表于 2011-8-17 15:15:12 | 显示全部楼层
结论、参考文献

结论

本研究探讨汽车之车内装饰板在传统射出成型时进浇口与参数选择的重要性,并在制程参数设定 上针对翘曲变形为主要分析项目,使用田口质量实验设计方法可以将参数进行有效的选择与改善,不 再需要像以往使用试物法来花费大量时间做多组参数的设计实验,经田口实验法所获得的优化参数 组合可给与后续的分析作为设计的依据,且经实验发现田口优化方法能够使制程达到优化的预期 效果,本案例在原始设计与优化设计后其翘曲变形量妥善了 20.4%。

参考文献
1.        洪瑞庭,“ 塑料加工技术与工程”,高立图书有限公司,89 年。
2.        刘士荣,“ 塑料加工学”,沧海书局,(1999)。
3.        陈耀茂,“ 实验计划与解析法”,高立出版社,台北,(2001)。
4.        科盛科技,“ CAE模流分析技术入门与应用”,初版,全华出版社,台北市,(2002)。
5.        吴复强,“ 田口质量工程(Quailty  Engineering)”,全威图书有限公司。 李辉煌,“ 田口方法质量设计的与实务”,高立出版社,台北,(2005)。
 楼主| 发表于 2011-8-17 15:17:33 | 显示全部楼层
论文下载:

CMC2011-B06-利用模流分析进行车用饰板制程优化设计.pdf (603.33 KB, 下载次数: 47)
发表于 2011-11-27 00:21:40 | 显示全部楼层
好文章,想下载学习,谢谢!
发表于 2013-3-20 16:59:32 | 显示全部楼层
ACMT 发表于 2011-8-17 15:15
结论、参考文献

结论


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