完美整合模流和結構分析 Moldex3D助嘉捷科技改善產品斷裂問題

 

客戶簡介
TPV-Technology-Limited

嘉捷科技企業股份有限公司(冠捷科技集團)為國際知名專業電腦監視器製造廠商、液晶電視及液晶螢幕研發生產廠商,集團產品銷售全球,以AOC及Envision等品牌銷售,也為全球知名大廠設計及代工製造電腦監視器、液晶電視。全球各洲設有多處營運據點:在中國地區主要生產據點有福建省福清廠、北京廠、北海廠、武漢廠、合肥廠、廈門廠、青島廠;歐洲地區有波蘭廠、俄羅斯;美洲地區有巴西廠、墨西哥廠。

嘉捷科技專注於電腦用顯示器(Smart Monitor)薄型電視(LCD/LED、3D、Smart TV)產品開發,以追求卓越,居世界領導地位,提供物美價廉產品及滿意的售後服務為宗旨。(資料來源:www.tpvaoc.com)

大綱

塑膠成型製品往往在小批量產後便進行各項的測試,包含落摔、熱傳…等等。測試過程中有時必須回到產品設計上去進行設計變更,以達到符合各項規範。過去僅能憑經驗進行試誤(try-and-error),有時往往造成額外的成本。因此,能夠在設計變更前有量化的數據可供參考,將可避免此狀況的發生。

挑戰

此產品為LED TV的支撐架,主要功能為鎖附螢幕與底座。在組立電視時,凸轂(boss),即鎖附的位置 (如下圖所示),會隨機發生斷裂狀況。由於此產品具有負載功用,強度必須列入產品設計的重要考量之一。

MI-SEP-2013_Customer-Success-1ch圖一 LED TV支撐架實際產品圖以及其易發生斷裂問題的地方

 解決方案

為了找出影響產品的強度的癥結,嘉捷科技團隊透過Moldex3D模流分析進行充填(Filling)分析後,發現影響產品強度的縫合線容易集中在凸轂(boss)處。從分析結果得知(圖二),鎖附位置的流動波前會合角度落在30~140度;依此案例所使用塑材,會合角的角度越大,縫合線就會越趨明顯。

MI-SEP-2013_Customer-Success-2圖二 Moldex3D 充填分析可以顯示縫合線會合角

另外,透過充填剖面圖也同時發現凸轂的厚度中心溫度溫差約為10℃(見圖三)。以此案例而言,其溫度均已低於塑料工作溫度10℃左右,在此條件下也導致該區域易產生結合線。流動波前的會合角度再加上兩股流動波前的溫度差,皆造成凸轂降低縫合線強度。

MI-SEP-2013_Customer-Success-4a圖三 透過Moldex3D充填溫度剖面結果,發現凸轂的溫差易導致結合線發生

為了找出更好的機構設計來增強產品的強度,嘉捷科技透過Moldex3D模擬鎖附的應力分析,找出發生斷裂的問題點,並針對斷裂處進行設計變更。除了從Moldex3D充填流動分析中,觀察到凸轂的流動波前會合角度及其中心溫度剖面,在分析過程中也使用Moldex3D FEA Interface將塑料數據匯至Abaqus進行應力分析,取得斷裂處的應力-應變圖來進行比對(見圖四)。

分析後可看到應力集中在鎖附的位置,其最大值為2.73 kgf / mm2,應變值則是1.59e-03。從曲線圖可觀察到該位置於33 kgf會有斷裂機率。於是,團隊著手進行凸轂特徵的設計變更,並同時重覆進行模流分析及應力分析。經過設變和模擬之後,成功將凸轂斷裂處的強度從33kgf提升至40kgf,改善度達21% (見圖五)。

MI-SEP-2013_Customer-Success-5a圖四 利用Moldex3D FEA Interface判別最大應力集中區域

MI-SEP-2013_Customer-Success-6a

  原始組別 設變後 改善率
應力(kgf/mm^2) 2.72 2.18 19%↑
應變值 1.59 1.27 20%↑
最大破斷力 (kgf) 33 40 21%↑
圖五 凸轂斷裂處的原始和設變應力-應變圖比較圖

效益

此產品在初次量產時,不良率為30%,經由Moldex3D模流分析並重新設計後,良率提升了10%。 以該產品年產量150,000件/年,共可省下約USD $41,012。
未來在設計類似產品時,除了可先行檢視結構特徵設計是否符合強度需求,嘉捷科技將以此開發經驗套用到其他產品上,將Moldex3D模流分析的效益發揮到最大。

不良率
(%)
改善後良率
(%)
年產量
(piece)
重量
(g)
材料費用
(USD/Kg)
不良品改善前花費
(USD)
不良品改善後花費
(USD)
30 20 150,000 165.4 2.5 61,518 20,506
圖六 使用Moldex3D後,該產品的良率及生產成本均獲得改善

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