科盛科技 技術經理 張權緯

前言

射出成型的關鍵生產因素，包含有四個部分，分別為產品設計、模具設計、材料特性與射出成型機台。然而傳統的高分子加工模擬通常僅考慮模內發生的事情，設定熔膠入口條件進行計算，在考慮機台之分析時，也僅選擇機台的規格，卻忽略了機台動態特性的影響，當理想情境與實際情境產生誤差時，便會造成分析結果與實際結果產生落差，難以回饋到實際的機台試模設定。

因此，完整的射出成型模擬應該要考慮不同機台的差異，包含有噴嘴、螺桿與驅動裝置，進行模具內的分析才能構成一個完整的射出成型分析，如文章首圖所示。此外，一般設計端與製造端使用的介面不一樣，使模流分析人員無法透過軟體，正確地將成型條件轉換至真實機台，而與現場射出機台操作人員溝通困難，導致雙方溝通產生誤解，進而讓相關產業由智慧設計進到智慧製造時產生斷點，無法順利執行。

有鑑於此，本文提出機台數位分身的模式，此分身會在設定階段使用與機台一致的設定頁面，排除設計與製造端在交換成型條件時的溝通問題。在分析階段會將機台的速度與壓力響應與分析流程整合，讓虛擬與實際有相同的響應模式。

當完成機台響應資訊的收集與分析後，使用真實機台介面與製造端溝通，提供CAE試模後的條件，作為製造端的試模成型條件。當機台數位分身與實際機台一致時，利用CAE分析得到的成型條件就可以應用於製造端，減少試模時的材料浪費，達成「Ｔ零」量產的目的，實現智慧製造的生產模式。

機台響應特性

一般認為，當射出成型機採全電式控制模式時的響應速度會快一點，而油壓式則會慢一點，且設定多少速度，機台就應該達到設定的速度；同樣地，設定多少保壓壓力，機台就應該有多少的壓力，如圖一所示。

圖一 想像中的全電機與油壓機的響應速度差別

圖二中有兩台全電式的射出機，在Machine #1的部分，紅色線是使用者設定的速度，黃色線是實際的速度變化，觀察此機台的速度曲線，可以發現開始射出時會有一小段延遲，隨著速度開始增加，快到達設定值時會開始減速到達設定值；而Machine #2的部分，射出開始時會有一小段延遲，然後速度開始增加，當快到達設定值時，並不會立即減速，而是等超過設定值後才慢慢降回設定值。

圖二 不同廠牌之全電式射出機的速度響應比較

從上述兩台射出機的速度響應情況，可以觀察到此兩台全電式射出機的速度變化模式不同，亦即不同機台會呈現出不同的響應。比較這兩台全電式射出機到達設定值的時間，可以發現兩者達到的時間也不一樣，Machine #1到達設定的時間大概是0.2秒，Machine #2到達設定的時間大概是0.7秒，可看出不同機台會有不同的響應模式。圖三則為油壓式射出機的響應行為，在Machine #1的部分，速度設定線為紅色線，實際速度為黃色線。從圖中可以發現實際速度無法達到設定的速度，亦即實際速度低於設定速度；而Machine #2的部分則可以發現實際速度高於設定值。雖然實際速度與設定速度不符，但觀察每個射出的歷程結果，可以發現每次的結果是一致的，代表是機台的製程是穩定的，也說明為什麼在生產過程中，可以生產出良好的產品。

圖三 不同廠牌之油壓式射出機的速度響應比較

觀察實際的機台可以發現，每台機器都有其各自的響應模式，因此當進入到智慧製造的時代時，實際生產前會希望能掌控一切生產時可能發生的問題，達到虛實整合(Cyber-Physical System, CPS)的情境。因此，傳統CAE將所有機台都視為一致的理想模式，已不足以應用在智慧製造的時代。

為掌握機台動態響應的影響，Moldex3D採用實驗方式收集機台響應數據，實驗流程如圖四所示。透過選擇廠內使用的射出機、模具與材料，收集不同的速度與壓力設定的實驗結果，再藉由控制理論，鑑定此射出機之動態響應參數。將鑑定完成的機台特性檔案匯入分析軟體，即能自動依實際機台響應應用於高分子加工模擬，作為高分子加工模擬時的設定條件，讓分析結果更貼近實際狀況，如圖五所示。考慮另一個使用油壓機生產的實際情況，從圖六中我們可看到該機台實際的V/P切換時間為2.1秒，參考機台特性後計算的V/P切換時間為2秒，兩者結果非常接近，因此也提高模擬和實務的一致性，達到虛實整合的目的。

圖四 機台特性分析流程

圖五 考慮機台特性的流率變化

圖六 考慮機台特性的VP切換時間比對

結合現場的射出機台設定模式

在傳統的方式中，CAE與製造端的成型條件設定模式是各自獨立的，CAE使用者於熟悉的CAE設定頁面中進行設定，而機台操作工程師則熟悉機台的操作頁面，為串接起兩者的溝通，傳統方式是透過試模表進行雙方的溝通。然而，對於CAE使用者而言，當要將CAE條件轉換成試模表時，不同機台有不同的設定單位與不同的設定方式，為了要正確地轉換，CAE工程師必須清楚了解每個機台的設定模式，才能正確地進行轉換，因此也造成CAE工程師在轉換成型條件時的困擾。有鑑於此，Moldex3D成功整合射出機台控制面板，Moldex3D加工精靈(Process Wizard)提供真實射出成型機台設定頁面，讓CAE分析人員可以先在熟悉的CAE設定頁面中進行成型條件設定，分析完成後，經過簡單的步驟，就能輕易地將CAE介面轉換為真實機台的設定頁面，排除溝通斷層，如圖七所示。若要隨時查看模流分析和真實機台操作頁面的差異，可以透過頁面互相切換，讓雙方都可以很輕易獲取資訊，提升工作和生產效率。

圖七 CAE設定頁面與實際機台設定頁面

結論

虛實整合是智慧製造的關鍵技術之一，運用在射出成型領域中，就是CAE與實際生產機台的虛實整合，這也是本文所提之機台數位分身。這邊除了考慮不同的機台特性外，還要包含實際的機台操作頁面。因此，當分析時將機台響應特性使用於CAE中，且設計與製造採用一致的機台頁面進行溝通，使得分析資訊可以有效且正確的提供給製造端使用，讓機台數位分身建構起設計與製造端的橋樑，在智慧製造的時代中，機台數位分身所扮演的角色是非常重要的。