多维变量的射出成型制程优化

多维变量的射出成型制程优化1.1引言在前面的第三章讨论了许多射出成型操作条件的参数,例如射出速度(或充填时间)、射出压力、熔胶温度、模具温度、保压压力、与冷却时间等。如何找出产品射出题。虽然第四章中介绍的CAE模流分析技术可被利用来探讨各模具设计于制程控制参数的影响程度,但是面对这么多的变量参数,纯用CAE模流分析技术来验证，寻找出最优化参数组合的效率将很低。合。最先被考虑的就是利用田口实验设计法(TaguchiMethods)，来减少尝试错误中学习的次数,希望能在众多设计参数中验证各个的影响程度,统计各设计参数的值，尽早找出射出成型中最优产品成型条件。本章拟继续使用第四章的无线通讯桥接器外壳为例,利用CAE模流分析与实验设计法来找出最优射出成型制程条件，探讨如何调整各产品的设计与射出成型制造参数的关系，以得到最优的产品设计与制程条件。1.2田口实验设计法的介绍1949年,日本电信实验室的田口玄一博士在研发通讯系统时，为缩短实验次数、迅速降低成本、改善质量，而发展出一个实验设计法。由于这个实验设计法相当好用、且容易找出最优质量控制的参数,因而广被应用，世称田口法(TaguchiMethod)[1]。传统的实验设计法为了实验精确，故常以完全实验法来进行,一旦当控制因素及各因素的水平值增加，则实验次数也跟着成倍数增加。田口式实验设计法规划以直交表进行,其目的在于以较经济的方式即可进行部份要因实验，虽然牺牲了小部份因素间交互影响作用的解析能力,但却减少许多实验次数且可达系统最低要求，并且能够允许某些程度被外界干扰，同时能保持质量稳定性，且又能对各自身的影响性作出合理的分析，并找出最优质量控制的参数。应用实验设计法进行参数最优化设定，此分析模式以田口实验设计法来进行处理，以取得充填时间、模具温度、塑料温度的优化制程加工条件，找寻新优化后各组参数制程条件的结果。本研究最主要的目的，在于射出成型制程条件对于优的射出成型条件组合，可解决射出成型制程所面鸥的问题，最终能够生产出品质优良的射出成型制品；因此质量选择标准，以射出成型浇注口限制压力最低（因为射出成型压力的大、小会影响成品的质量因素如塑料短射、熔接线、翘曲、变形与成品的成型迥期等问题）与射出成型件的翘曲、变形量愈小为最优评估的目标值。1.3.1射出成型品的质量特性与量化标准及优化目标射出成型品的质量特性及优化目标，为本实验设计法的质量要求与制程条件优化的以判定成品的质量优、劣的标准，而达到实验的目的。A.质量特性射出成型作业时，判定成品的质量特性其优、劣的标准，可分为：收缩/缩水、接合线、表面凹痕、充填不足、成品毛边、表面流痕、内有气泡、翘起/变形量等8大部份，其设明如下所示：料会产生收缩现队，而影响到产品尺寸，此现队的发生，足以影响整个产品生产、组装及外观标准，并于组装作业时会产生干涉以至无法组合。因此收缩、缩水列为质量判断标准(2)接合线：熔接线形成可分为两种，(a)『热』熔接线，发生于充填过程中，熔接温度较高，当热熔接线的熔接角大于120~150度时，热熔接线的痕迹较不明显；(b)『冷』原因在于塑料射入于模具内时，因塑料碰上模具表面，与塑料流经孔洞时，经分割后再结合受热空气阻挡而产生；因此塑料表面温度被模具吸收，在模具内的塑胶表面因温度导致模具内的冷塑料通过模具后，塑料形成包覆而隐约出现明显的接合线，因而引起成型品外观不良的问题，射出成型压力若未控制得宜，则容易产生熔接线的问题，塑料流径孔洞时经分割后再结合受热空气阻挡而产生。成型压力与成型件设计的肉厚与成品结构影响最大；因此成型件的表面凹痕是影响成型件相当重要的制程条件因素，足以影响整个产品生产、组装及外观标准，因此射出成型塑品切面厚或厚薄不均匀，入料不足，射出压力太小，射出时间太短，浇口不对称，射出速度太慢，塑胶过热，制品脱模时依然过热等都会引起。模具吸收，在模具内的塑胶表面因温度骤降,因而塑胶表面会形成冷料。当塑料被压力往前推时，遇上薄件、卡钩、深长孔、长形肋的成品设计，导致模具内的冷塑料无法通过模具，冷料因而卡在模具内，无法将其它熔胶送入模内，而引起成型品发生短射的问射出量不足，料管温度低，模温过低，排气不良,包风等都会引起。热流动性太好，过度保压成品上会有多余之膜，此膜即是毛边。引致塑料在模具内有喷射现象，而射压过低射速过低使成型品表面呈波纹状。因为射出成型作业时，塑胶材料经高温熔化后射入于模穴内，但因模具表面温度过低，及成型时塑料于产品表面产生流痕的现象，将影响到产品外观件不良,其产品外观不良时，会影响到成品件质量要求，故表面流痕是属外观问题。成型压力与模具排气孔设计有关，与塑料温度与浇口灌点位置有关。因为射出成型作业时，塑胶材料经高温熔化后射入于模穴内，但因成型后塑料于产品表面及内部产生气泡的现象，将影响到产品外观与结构强度不良问题；其产品外观不良时，会影响到成品件质量要求，故内有气泡不良,不适用于有外观件要求的产品应用上。其不良原因有：成型品厚薄不一之情形，易造成厚薄面之固化速度不同，使较厚之部位凹塌形成真空之空洞、塑料本身含水份挥发或添加剂因热分解，在射入模内因压力降而形成大量之气泡等都会引起。目标判断因子(准则)，故为射出成型制程条件的最优化选择的标准。其不良原因有：塑胶制品于太热时脱模，塑料太冷,制品切面厚薄不均匀，入料太多，浇口不对称，模具温度不均匀等都会引起。射出成型制程条件经过实验后，若实验结果无法取得量化数值，则无法取得一相对比的判断标准，所以必须建立一个的评量标准，利用可观察得到的结果，将之量化成为实验的结果，其判断方法如表(1.1)所示：初步、微调、最终制程条件量化方法说明：●收缩、缩水数值a＝收缩、缩水率(%)/成型件完成率(100%).l内有气泡数值g＝由内有气泡数量多寡来做区分，其数值可分为：(0＝没有;1＝少量；2＝中量；3＝大量).l翘起变形X轴(－)数值h＝变形长度(mm)/成型件长度(mm).l翘起变形X轴(＋)数值i＝变形长度(mm)/成型件长度(mm).l翘起变形Y轴(－)数值j＝变形长度(mm)/成型件长度(mm).l翘起变形Y轴(＋)数值k＝变形长度(mm)/成型件长度(mm).l翘起变形Z轴(－)数值l＝变形长度(mm)/成型件长度(mm).l翘起变形Z轴(＋)数值m＝变形长度(mm)/成型件长度(mm).故最优制程条件数值计算方式(数值愈小代表愈优(最好))={a＋b＋c＋d＋e＋f＋g＋h＋i＋j＋k＋l＋m}=总合的数值.表1.1初步、微调、最终制程条件量化标准项目品质量化标准内有气泡由内有气泡数量多寡来做区分，其数值可分为：翘起变形X轴(－)变形长度(mm)/成型件长度(mm)翘起变形X轴(＋)变形长度(mm)/成型件长度(mm)翘起变形Y轴(－)变形长度(mm)/成型件长度(mm)翘起变形Y轴(＋)变形长度(mm)/成型件长度(mm)翘起变形Z轴(－)变形长度(mm)/成型件长度(mm)翘起变形Z轴(＋)变形长度(mm)/成型件长度(mm)C.优化目标衡量标准以射出成品件的翘曲、变形量愈小值为最优，其分析结果设明，成品设计影响未来射出成型制程加工质量优劣，尤其是成型件的翘曲、变形等因素，并以成型品X、Y、Z方向位移量分饰总变形量大小为衡量标准，显示塑件脱模后，冷却至室温常压下，在三个坐标方向的总尺寸变化(位移)，此分饰值与坐标系统选择有关。例如成型件的翘曲、变形的正值代表在＋x、＋y、＋z方向的位移，负值代表在-综合效应;此值为线性收缩率(Linearshrinkage)的度量，也是模具设计时参考。1.3.2模拟分析流程要从射出成型制程的多维变量中迅速找出的优化参数组合，利用田口实验设计法验设各参数对质量的影响程度，取得充填时间、模具温度、塑料温度各设计参数的值，找寻新优化后的参数制程条件。其分析进行模式分为五阶段：品质量的影响。数。三、再度进行CAE模流分析，来进行分析结果。浇注口压力大小与翘起、变形量愈低来做判用，找出其最优射出成型制程条件。影响，首先以流道位置设计、塑胶材料等为国定因子，再以充填时间、模具温度、熔胶温度等为可变因子）。究选择以田口实验计割组用(L8（27）直交表)来进行，如表(1.2)所示，2个水平与5个因子项目包含：流道设计、塑胶材料、充填时间、熔胶温度、模具温度等，找出参数最优化的组用。表1.2田口实验计割组用(L8(27))直交表比值变量制程条件控制参数要因位置模具温度时间熔胶温度AEBCD11111111111111111111从左、右两侧来,因而选定从外壳底端来进行塑胶给料的流道位置设计A，与从外壳顶端来进行塑胶给料的流道位置设计B等，两种灌胶位置的浇道位置设计，如图(1.1)所示。图1.1塑料充填模具流道位置设计的两个选择(2)塑胶材料：因无线通讯桥接器外壳是需要强度,来保护内部电子主机板与相关电子，奇美\ABS\PA757具高刚性、高光泽性、中冲击强度的特性，常用在电视机前壳、复印机外壳、电话机壳、化妆品盒、轮胎盖，如表(1.3)所示[2]。奇美\ABS\PA746的特性具超高冲击强度,用于安全帽头盔、摩托车挡版、鞋后跟、雪地运动用品等，如表(1.4)所示[3]。两者塑料物性于加工前通常在80°C下烘料约2下作业。试验法单位数值引张强度弯曲强度IZOD冲击强度软化点试验法单位数值引张强度弯曲强度IZOD冲击强度软化点为克服上述质量不良的问题，塑胶射入模具内的充填时间，选用0.3sec与0.9sec等两种。与245OC之间来进行射出成型加工，是最优塑料作业温度;若温度过低则造成塑胶材料流动性不佳，但温度过高则造成塑料有烧焦问题，而影响成型件质量。故将温度控制在50OC与65OC之间来进行射出成型加工，是最优温度选择。射出成型的控制参数组别与模流分析结果，可区分成3阶段分别为:初步、微调、最终实验设计制程条件。将制程条件各项内容评比分析，并选择制程条件总合最低，为较优制程条件选择。因此射出成型制程条件的安排与设定，为解决成品的质量问题，可由射出成型的制程条件来找出问题点的控制因素，其制程条件如流道位置设计、塑胶材件为经田口实验设计法所得到的数值，并经实验设计法证明，塑胶射出成型最优化制程条件，以射出成型浇注口压力最低与成型件的翘起、变形量(X轴、Y轴、Z轴)最小值的制程条件值为较优。实验前期望所有结果皆能达到观察成型件翘起、变形量X、Y、Z轴最小的情况下，实验后展现出的结果显示调整过后，有达到原本需求。以下将实验结果分为收缩/缩水、接合线、表面凹痕、充填不足、成品毛边、表面流痕、内有气泡、翘起/变形量X、Y、Z轴等8种来详细讨论。A.初步制程条件依初步实验设计，第1组至第8组的制程条件如表(1.5)，分析）＜）＜）＜同成型组别，对射出成型压力比值数据，其射出成型的浇注口压力愈小，其所得之射出成型制程条件也就愈优化。其详细说明，如下:流道位置的选择以选用位置B为较优。塑胶材料选择以选用PA757为较优。充填时间选择选用0.5sec为较优。熔胶温度选择以选用240OC为较优。模具温度选择以选用55OC为较优。在此次实验中，发现各组都没有接合线、表面凹痕、充填不足、表面流痕、内部气泡产生。但实验组别均有少许收缩、缩水的现象，尤其以第3组最大、而第1组与第8组次之，而又大于其他数值相等的各组。在成品毛边方面，第3组最大，第8组次之，而又大于其他数值相等的各组。翘起变形量方面，第2组的X轴(＋)、Y轴(－)、Y轴(－)、Z轴(－)、Z轴(＋)变形量都最小，只有X轴(－)、Y轴(＋)变形量以第7组最小。用较小的机台，即可成到所需的射压与锁模力,节省成本亦可延长模具寿命，塑件的残留应力也较小，获得较佳的产品质量等。但压力过小可能带来负面的影响，如塑件的收缩，翘曲等问题。由于塑胶射出成型初步制程条件实验的8组数据，未能找出射出成型件最优翘起、变形量(X轴、Y轴、Z轴)最小值的制程条件，所以在接下来的实验安排与讨论,以达到找出最优制程条件为原则。在塑胶射出成型过程中，本实验需要控制的参数条件有流道位置、塑胶材料、充填时间、熔胶温度、模具温度等。经由参数的改变，可以由实验结表1.5初步制程条件控制参数组别与制程数据变量制程条件控制参数要因制程数据位置时间熔胶温度OC模具温度OC浇注口压力组别1A2A3A4A5B6B7B8B表1.6初步制程条件分析组别项目第1组第2组第3组第4组第5组第6组第7组第8组收缩/缩水0.150.100.200.100.100.100.100.15接合线00000000表面凹痕00000000充填不足00000000成品毛边0.150.100.300.150.150.150.150.25表面流痕00000000内有气泡00000000翘起变形X轴(－)-0.696-0.611-0.728-0.718-0.665-0.653-0.609-0.648翘起变形X轴(＋)0.6850.5950.7040.7060.6540.6580.5970.639翘起变形Y轴(－)-0.861-0.738-0.902-0.902-0.825-0.811-0.743-0.840翘起变形Y轴(＋)0.7300.6730.7870.7580.7240.7270.6720.712翘起变形Z轴(－)-0.529-0.499-0.553-0.519-0.532-0.521-0.513-0.518翘起变形Z轴(＋)0.1820.1220.1720.1540.1940.1660.2170.220总合3.9833.4384.3464.0073.8443.7863.6013.977B.微调制程条件依微调实验设计，第1组至第8组的制程条件如表(1.7)，分析）＜）＜）＜不同成型组别，对射出成型压力比值数据，其射出成型的浇注口限制压力愈小，其所得之射出成型制程条件也就愈优化。其详细说明，如下:流道位置的选择以选用位置B为较优。塑胶材料选择以选用PA757为较优。充填时间选择选用0.5sec为较优。熔胶温度选择以选用240OC为较优。模具温度选择以选用55OC为较优。在此次实验中，发现各组都没有接合线、表面凹痕、充填不足、表面流痕、内部气组次之，而又大于其他数值相等的各组。在成品毛边方面，第3组最大，第8组次之，第2组的X轴(－)、X轴(＋)、Y轴(－)、Z轴(－)、Z轴(＋)变形量都最小，只有Y轴(＋)变形量以第7组最小。由于塑胶射出成型微调制程条件实验的8组数据，未能找出射出成型件最优翘起、变形量(X轴、Y轴、Z轴)最小值的制程条件，所以在接下来的实验安排与讨论,以达到找出较优制程条件为原则。在塑胶射出成型过程中，本实验需要控制的参数条件有流道位置、塑胶材料时间、熔胶温度、模具温度等。经由参数的改变，可以由实验结果来分析出适当的控制条件，由接下来的最终制程条件安排，找到较优的制程条件。表1.7微调制程条件控制参数组别与制程数据变量制程条件控制参数要因制程数据位置时间熔胶温度OC模具温度OC浇注口压力组别1A2A3A4A5B6B7B8B表1.8微调制程条件分析组别项目第1组第2组第3组第4组第5组第6组第7组第8组收缩、缩水0.150.100.200.100.100.100.100.15接合线00000000表面凹痕00000000充填不足00000000成品毛边0.150.100.250.150.100.150.100.2表面流痕00000000内有气泡00000000翘起变形X轴(-)-0.695-0.594-0.721-0.713-0.662-0.655-0.607-0.646翘起变形X轴(+)0.6800.5890.7090.7020.6530.6480.5990.640翘起变形Y轴(-)-0.865-0.736-0.907-0.900-0.828-0.810-0.747-0.800翘起变形Y轴(+)0.7330.6780.7830.7560.7170.7070.6720.701翘起变形Z轴(-)-0.532-0.498-0.546-0.517-0.532-0.521-0.501-0.513翘起变形Z轴(+)0.1870.1160.1670.1520.1940.1660.2140.170总合3.9923.4114.2833.9903.7143.7573.5403.820C.最终制程条件依最终实验设计，第1组至第8组的制程条件如表(1.9)，分析）＜）＜）＜较优选择，所以第2组（63Mpa）最好。之射出成型制程条件也就愈优化。其详细说明，如下:流道位置的选择以选用位置B为较优。塑胶材料选择以选用PA757为较优。充填时间选择选用0.5sec为较优。熔胶温度选择以选用240OC为较优。模具温度选择以选用55OC为较优。在此次实验中，发现各组都没有接合线、表面凹痕、充填不足、表面流痕、内部气泡产生。但实验组别均有少许收缩、缩水的现象，尤其以第3组、第X轴(＋)、Y轴(－)、Z轴(－)、Z轴(＋)变形量都最小，只有Y轴(＋)变形量以第7组最小。由于塑胶射出成型最终制程条件实验的8组数据，能找出射出成型浇注口限制压力最低与成型件翘起、变形量(X轴、Y轴、Z轴)最小值的制程条件，在塑胶射出成型过程中，本实验需要控制的参数条件有流道位置、塑胶材料、充填时间、熔胶温度、模具温度、浇口成型压力等。排，可找寻到最优的制程条件。表1.9最终制程条件控制参数组别与制程数据变量制程条件控制参数要因制程数据位置时间熔胶温度OC模具温度OC浇注口压力组别1A2A3A4A5B6B7B8B表1.10最终制程条件分析组别项目第1组第2组第3组第4组第5组第6组第7组第8组收缩、缩水0.100.100.150.100.100.100.100.15接合线00000000表面凹痕00000000充填不足00000000成品毛边0.100.050.200.150.050.100.100.15表面流痕00000000内有气泡00000000翘起变形X轴(-)-0.695-0.594-0.721-0.713-0.662-0.655-0.607-0.646翘起变形X轴(+)0.6800.5890.7090.7020.6530.6480.5990.640翘起变形Y轴(-)-0.865-0.733-0.907-0.900-0.828-0.810-0.747-0.800翘起变形Y轴(+)0.7330.6590.7830.7560.7170.7070.6690.701翘起变形Z轴(-)-0.532-0.498-0.546-0.517-0.532-0.521-0.501-0.513翘起变形Z轴(+)0.1870.1070.1670.1520.1940.1660.2140.170总合3.8923.3304.1833.9903.7363.7073.5373.7701.6最终(优)制程参数与分析结果的讨论各分为8组为成型条件的依据，对射出成型的总合数据的比值，其最终(优)制程参数与分析结果的讨论。A.最终(优)制程参数的翘曲、变形量(X轴、Y轴、Z轴)最小值』为最好，依据上述分析可得最优及最差成型条件组合，其制程条件说明如下：当熔胶温度设定于238OC，选用模具流道位置A，充填时间设定为0.5sec，控制模具 成型温度为55OC时，所需射出成型浇注口限制压力为63Mpa，其成型品翘曲、变形量最小(即X方向、Y方向、Z方向位移量分布总变形量大小为衡量标准)。当熔胶温度设定于235OC，选用模具流道位置A，充填时间设定为0.7sec，控制模具成型温度为60OC时，所需射出成型浇注口限制压力为94Mpa，其成形品翘曲、变形量最大(即X方向、Y方向、Z方向位移量分布总变形量大