【技術新知】T零量產技術之科學化試模

模具試模驗證過程

  射出成型加工製程中試模工作是模具製作完成後與開始射出成型生產前的一項十分重要的驗證工作。模具試模驗證程序是優化新製模具以較適化成型加工條件來有效地生產所需塑件產品的過程。此工序成為射出成型加工製程中穩定與效率生產最重要的生產步驟。在將射出模具移交給射出成型現場單位進行生產之前,模具試模試驗工作必須被確實執行完畢,必須確 保在任何地方以完全相同的一套標準試模方式來進行試模過程是非常重要。

  在模具試驗過程開始之前,產品加工製程開發階段將致力於產品與模具設計。設計單位與模具製造單位一起討論模具結構和技術解決方案。結合設計參數資料庫與射出成型大數據,利用智慧製造設計工具來解決先期設計階段的技術問題,以避免模具中出現不必要的錯誤設計,並確保模具試驗的第一階段(首次模具 試打產品T0試模)已經可以為我們提供了良好的產品。大多數情況下標準模具試驗過程包括三個測試階段。有時在一個階段內就會進行進行幾次模具試驗。如有必要將會繼續進行成型測試和模具優化,直到產品符合客戶的確切要求為止。

射出成型加工製程面臨的問題

  射出成型加工製程是一種大規模大量製造的生產機制, 因此生產過程中的任何缺失或製程加工參數變異,都將會導致產品品質損害與破壞,以及造成大量的時間與製造成本損失,更嚴重者也會使整個生產過程是無效浪費的,產生過多需進行後續處理的不良品,最終也將導致生產製程停止。如果企業花費了時間、人力、財力來進行一項無效性生產,結果將造成企業資源浪費和資金損失,最終也將成為一個完全虧損的企業。

  除了不可預見的生產設備故障外,射出成型製程中出現的生產問題和產品缺陷主要原因是由於生產加工條件中的成型壓力、塑料粘度或加工溫度的不穩定變異所引起。這些不穩定性將導致生產製程條件的變動和最終產品發生不良現象與缺陷。一些主要產品不良缺陷現象, 如起泡,空孔,流痕,短射缺料等,都是由於加工過程中溫度和壓力的波動變異性所引起。產品缺陷與問題有很大的部分是由於溫度波動和缺乏精確的溫度控制而導致的,例如過熱或低溫。當加工溫度過熱或低溫時都將造成產品品質的變異。一方面材料的流動性隨著溫度的升高將更好流動,但另一方面極高的溫度會加速塑料熱降解,導致模塑製品的物理性劣化。因此溫度管理是確保產品質量一致性並防止熔膠熱降解,而且可以讓成型加工操作者減少調機時間,提高生產效率的重要控制議題。射出壓力是另一個需要探究的重要加工參數,兩階段的成型加工壓力-充填壓力和保壓壓力。通常充填壓力設定得比保壓壓力較高。在低壓的情況下可能發生諸如空孔、收縮、短射等缺陷;而在高壓情況下可能導致毛邊、破裂等不良現象。另外是由於射出速度差異所引起的缺陷,注射速度的控制, 對於解決噴流痕和外觀流痕等問題至關重要。

模具試模驗證可以分為三個階段

  第一階段:模具首次出料,T0 試模 ”First Out of Tool(FOT)”,這是第一次將熔融塑料注入模具中進行射出成型加工生產成品。在此第一次加工成型時將測試模具在射出加工週期動作下確認是否可以完美完成模具關閉,是否模具能提供足夠的冷卻效果與產品順利頂出離模,成型產品外觀是否合於要求,部品是否有毛邊、氣體包封、氣孔或變形等不良現象。最後根據試模驗證調查結果編制一份T0試模報告,報告中應指出模具是否需要進行優化修改。後續模具製造單位將評估繼續優化模具,並將T0樣品發送給客戶進行確認。

  第二階段:來自客戶的反饋,一旦第一階段試模發現的產品或模具的任何缺失被解決了,接下來將使用優化的模具來進行修改後的模具成型試驗。再將第二階段試模最終產品提供給客戶。並與客戶一起討論產品尺寸外觀方面和成型加工周期時間。試模結果評估是否生產出具有吸引力和功能性的產品,尺寸是否正確,是否能在計算的周期時間內製造並滿足客戶的其他要求和願望? 然後將該射出產品提供給相關產品測試,並為客戶提供充分的機會來測試產品。再向模具製造單位發送另一份試模報告,其中包括此次客戶的 反饋以及接下來是第二輪的模具優化設計修改建議。

  第三階段:模具最後的加工潤飾,最後使用完全優化的模具來進行第三階段的模具試模驗證。在這個最後階段一切都是關於模具最終的加工潤飾。例如在模具表面紋理選擇消光或高光澤效果。一旦射出產品完善並且每個細節都檢查完畢,模具就會進行長時間的連續射出成型試驗。在此之後模具將被運送移交給生產單位。在射出成型生產單位模具最終將依照實際生產環境再進行最終的生產試模驗證,因為某些條件,例如每個生產環境的冷卻水溫度可能都會不同。一旦我們確信沒有其他的模具問題點時,並且客戶已經確認產品訂單,那模具就可以開始進行批量生產!

何謂科學化試模

  當進行模具T0射出成型加工驗證時,站在客戶立場可能會詢問射出現場調機人員,為什麼試模是用當下所設定的成型條件來成型產品?所設定的試模成型加工條件是依據甚麼標準被決定出來的?難道沒有更好的成型加工條件嗎?現場射出機調機人員有可能會回答,成型條件的決定是憑著多年的經驗,這種答案有可能客戶是無法接受的。對射出成型加工製程有認識的客戶,都會希望產品的成型加工參數設定是有科學的理論依據與實驗數據來支持的,這樣才能排除人為的不確定因素,也才能有效控制生產穩定性與產品品質。

  所以科學射出成型加工試模,首先需了解射出成型各個步驟工序的科學物理意義,射出成型條件的設定與調整,都需依據科學化實驗來設定,條件參數設定不可以只憑感覺;依照科學化步驟實驗逐步進行成型參數調整,試模中每項參數的修改設定都有其背後的科學數據來支持。

  科學射出成型加工的運用對於射出成型加工產業並不陌生,有許多OEM代工廠商可能都被客戶要求需提供科學射出的試模報告,或是要求以科學射出方法來決定成型加工參數。科學射出這是一種經過科學理論驗證的成形方法,可以讓射出成型加工者在射出成型中獲得完全可控制的射出加工工藝,並可建立精準控制且可重複性的加工流程,同時也可以確保產品品質具有高質量與一致性。為了可以掌控最終成型結果,科學射出加工人員必須關注在成型加工中所使用的塑料的性質變化(例如流動黏度對於溫度與剪切速率的變化),而不是只關注射出產品所使用的射出機台。對於試模成型加工需要關注實際射出機台的響應數據,而不是只觀察所設定的加工條件。具有科學射出 加工能力的廠商能夠向客戶保證,在成型過程的每個階段 都能應用科學化的成型規範,並且可以致力於使用一套既 定的試模與成型加工原則來指導他們的工作流程。

  科學射出成型有助於通過避免錯誤成型和優化開發週期前端的成型過程,來減少成本浪費。此外成型團隊可以藉由科學射出主動找出問題原因,可降低實際加工生產時處理不良產品的機會和縮短處理問題的時間。科學射出對每種產品和加工流程進行科學理論思考,收集所有可用信息以進行持續分析評判。這與依賴程序化設定並僅在問題出現後才開始解決問題的傳統射出加工方式形成鮮明對比。在這種情況下,傳統射出成型加工廠商將會花費時間在事後確定問題的原因,而不是從一開始就預防問題。與科學射出加工廠商可以藉由科學射出實驗確認與優化成型條件, 也可以達成產品一致性和產品品質優良的優點。科學成型的加工原則可以滿足操作認證(OQ)和生產資格(PQ)的驗證要求。

科學化試模的主要內容

  科學試模不是射出行業的流行話語,而是一種加工生產趨勢,正在改變著射出成型產業的加工思維,如何依據及利用科學化數據,來正確成型加工並製作穩定及符合品質的產品,將是射出成型加工產業未來的加工作業標準。產品開發生產過程中,要讓模具製作完成後達到”T0量產” 的目標,先決條件就是要在設計初期就必須掌握到可以正確成行此設計模具的射出加工條件,模具尚未上射出機台實際射出前,就需先利用科學方法估算評估合適的初始射出成型條件,且估算的加工條件與最終量產的條件已經幾乎相同。這樣才能將成型時可能發生的問題點,在設計初期階段就能體察到並且加以優化解決。科學試模的技術內容,主要包含射出成型加工製程中的條件與參數的設定確認,其中重要加工參數包含(1).射出機台選用;(2).決定塑化條件;(3).決定射出充填條件;(4).決定射出保壓條件;(5).決定冷卻條件等,各項目的科學試模工作內容舉例如下:

(1).射出機台選用-科學理論鎖模力估算,決定適合鎖模力噸數;實際射出驗證合理鎖模力設定值實驗;射出量估算,決定適合螺桿尺寸;射出機台速度響應標定,確認射出速度設定值與實際機台射速響應值的差異。
(2).塑化計量條件-熔膠計量估算(需考慮熔膠熔融態密度);塑化螺桿轉速(rpm)估算,熔膠料管內滯留時間估算; 塑化背壓設定值確認實驗熔膠塑化行程的科學理論估算與實際短射實驗驗證。
(3).射出充填條件-適當射出速度設定值的決定(U型曲線實驗),射出充填短射實驗,VP切換點位置決定,多段射速設定的射速大小與切換位置點決定;模具各區域壓力損失實驗;充填流動平衡性實驗。
(4).射出保壓條件-保壓壓力大小設定值與澆口封口時間點(有效保壓作用時間)的實驗驗證;加工條件視窗決定。
(5).冷卻條件-冷卻時間科學理論估算。
(6).射出成型加工周邊參數條件-烘料乾燥筒容積估算;模溫機冷卻流體流量估算。

  另外在實際上機成型加工過程中,也需要搭配一些外 部資源來取得實際的機台響應數據;例如CAE模流分 析解析與驗證,觀察CAE充填分析的流動波前型式與 實際射出短射波前的比對與差異分析;射出機台的速 度壓力響應曲線判讀,比對設定條件與實際機台響應 數據的差異性;射出機台響應統計數據判讀來觀察射 出機在連續生產下的穩定性;同時也進行模內溫度與 壓力數據的即時檢測,利用紅外線熱顯像儀器來量測 模具表面溫度分布,及模內壓力感測器量測模內特定 位置的壓力變化情況。

  射出成型加工是一門科學而不是藝術,開發流程必須基於事實和相信科學化數據來解決產品與成型的問題,過多人為的主觀因素都將影響正確的判斷。傳統上大多數模具製造單位都以模具為中心,專注於模具的機構設計及加工,而沒有從塑料流動的角度來看待成型工藝;而成型現場都專注於成型機台的設定參數,然而射出製程的四大控制因子(實際的速度、溫度、 壓力、時間)的實際表現數據才是產品成功的關鍵。通過改變模具、塑料、成型加工參數……等來解決問題, 但是成型六個關鍵因子(產品、模具、塑料、設備、製程、品質)對於任何成功的塑件開發而言都是不可或缺必須考量的影響因素。適當的企業內部技術培訓及考核認證制度,可以讓企業進行持續的專業人才養成計畫,也能讓企業的核心技術累積傳承並內化成技術知識。

文章來源:T零量產技術之科學化試模

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