大綱

本案例的產品為使用BASF纖維強化塑膠材料，利用氣體輔助射出成型製造的設計師椅子。然而在生產過程，發生氣體指紋效應，產品的強度因此減弱。因為椅子為設計師的作品，所以無法做設計變更，BASF工程師只能透過優化製程參數，解決氣體輔助成型帶來的挑戰，兼顧產品強度和輕量化的需求。

挑戰

• 氣體指紋效應
• 機械性質弱
• 不允許做設計變更

解決方案

BASF工程師利用Moldex3D進行製程參數優化，改善氣體指紋效應。為了測試新的製程參數所生產的椅子，能符合原先規定的載重，工程師透過Moldex3D獲得重要的成型模擬資料，包含：氣體掏空處、翹曲的幾何以及纖維排向，以利提升FEM模擬的精準度。在Abaqus執行FEM分析後，結果顯示新的製程參數可以製造符合規定載重的椅子，滿足產品的輕量需求，同時也兼顧結構完整性。

效益

• 預測氣體指紋效應
• 改善產品強度60%
• 滿足產品重量及載重需求

案例研究

本案例中，BASF用Moldex3D模擬氣輔成型製造的設計師椅子。BASF所面臨的挑戰是椅面及椅背出現氣體指紋現象，此問題將可能導致承重後的結構損壞。由於產品是設計師椅，模具已製造且無法更改設計。因此為了讓椅子能夠達到規定的承重力，就必須進行製程參數優化。

原始設計的分析結果顯示，氣輔切換時產品肉厚和肉薄處中心點的溫度差異小於2°C(圖一)。換句話說，由於肉薄與肉厚處的流動阻力相近，因此氣體容易進入肉薄處(造成指紋效應)。同理當兩個區域的溫度差異較大時，氣體將不會進入肉薄區。因此若增加氣體延遲及充填、保壓時間，將可幫助製程優化。

圖一 中心點溫度的模擬結果

BASF嘗試以不同組合來優化製程，包括將充填時間增加至6秒，保壓時間增至10秒，氣體延遲時間增至15秒等。圖二為優化參數後的模擬結果，已成功將氣體掏空侷限在容許的區域。

圖二 參數優化前後的氣體掏空模擬結果

優化設定之後，肉厚和肉薄處中心點的溫度差異轉變為7至10°C(圖三)，這意味著氣體將不會進入肉薄處，而是在較高溫(肉厚)的區域流動，因此區域具有較低的流動阻力之故。

圖三 原始優化設定後的中心點溫度差異

Moldex3D支援將模擬結果輸出至有限元素法(FEM)分析軟體，以進行結構模擬。在本案例中，BASF以Moldex3D模擬結果驗證:原始設定條件下製造的椅子，輸出至結構分析軟體Abaqus，其結果是不符需求的。圖四顯示在椅子上施加力道至結構破壞的情形，結果顯示優化設定後，可承受的力道比原始設定高出了60%。此外，優化設定後的椅子，在承受力道後變形的幅度也比原始設定高11.5%。

圖四 以Abaqus進行產品位移和受力比較

結果

利用Moldex3D可以輕鬆模擬氣輔成型過程，進而執行優化結果。其中中心溫度的模擬，對於氣輔製程而言更是實用。此外藉由Moldex3D FEA介面也可協助獲取後續FEM分析流程所需的資料，使其他結構分析軟體可以輕鬆讀取並處理導出的數據。