模流分析與工業4.0智慧製造(1):CAE技術發展與製程改善

孫士博

我們將分幾次,針對目前射出成型產業在朝向工業4.0目標下發展的各項來做介紹。本文主要是針對與CAE模擬技術相關的發展,偏向製程改善;有關於工廠生產管理自動化的部分,我們將另闢單元介紹。

「資訊」是邁向工業4.0過程中的主角,而對於射出成型製程來說,資訊不外乎是工藝條件、設備與原料狀況、以及產出的產品品質。資訊由「數據」整理而來,而資訊分析後便成為「知識」,知識便是推動技術前進的動能,因此我們可以說,邁向工業4.0就是在數據、資訊與知識三者上不斷整合、強化的過程。過去在塑膠加工產業中,產品、模具設計以及成型工藝條件多半是靠經驗傳承而來,多數人在工廠收集到的都是片段的資訊,由於沒有完整的數據,因此並不能產生知識。工業4.0在塑膠加工行業要強化的,就是將數據收集完整,資訊流通自動化,以及利用電腦的運算能力產生知識。

而數據又是如何從真實的物理環境(例如傳感器所收集的數字),轉換成可供運算分析的概念呢?美國國家科學基金會智慧維護系統產學合作中心共同主任李傑博士,也是輔導Moldex3D進行製造服務創新的顧問,在工業大數據(2016)書中提到 Cyber-Physical System 的概念,「從實體空間物件、環境、活動中大數據的擷取、儲存、建構模型、分析、挖掘、評估、預測、優化、協同,並與物件的設計、測試和運作性能特徵相結合,產生與實體空間的深度融合;進而透過自我感知、自我記憶、自我認知、自我決策,以促進工業資產的全面智慧化。」

這樣以虛擬的模型來描述真實的加工環境的方法,若運用在射出成型製程上,靠的正是「模流分析」。它可將實體空間轉化為虛擬環境,使我們能在其中應用知識解決問題。在建構有限元分析的各個系統過程中,實體的物件包含模穴與模具,藉由網格製作形成分析的邊界範圍;而物理場的解析在模流分析中是藉由熱傳導與流體力學方程式來說明;被分析的物件,塑料則是將其熱與流動性質轉化成材料方程式;加工機台的運動則是轉化成施加在材料的壓力、速度以及溫度等。至此射出成型中的所有元素都已經轉換為虛擬系統,針對產品品質與生產效能的計算便在虛擬系統中完成後,反應到實體空間作為生產決策的建議。

結合虛擬與實體空間的技術進化來自兩方面:一是模型建構的真實程度,一是虛擬空間中的數據分析技術,這也是模流分析軟體開發者持續努力的方向。在Moldex3D的開發方向上,關於材料方程式的改進一直是Moldex3D材料研究中心的核心任務。例如材料的黏彈性質量測、以及軟體配套的黏彈性耦合求解器,便是改進傳統只用純黏性的方程式來預測流動的新技術。因此諸如流動不穩定下的各種表面品質缺陷,都可以更有效的提前預測。若是將黏彈性擴展到翹曲分析,產品在模內收縮產生的應力,都可以隨著冷卻時間的快慢而有不同程度的鬆弛,產品的變形將更能反映出不同加工工藝下的情況。

另一個近期愈顯重要的是射出機台作動的模型建構。傳統的模擬將螺桿的運動轉化為單純施加在熔膠上的速度與壓力,這其實是過度簡化了塑料的流動行為。以閉迴路油壓機為例,實際在射出階段,螺桿的移動是機台將當下量測到的速度與成型人員所輸入之射出速度相比較,其中的差異便是靠控制器來調整比例閥,以增加或降低的螺桿的前進速率。這個控制迴路的響應快慢,決定了機台能否穩定生產。若是產品設計不良,射壓變化幅度大,控制迴路響應自然需要較長時間才能穩定。在工業4.0環境下,穩定生產是自動化的必要條件,因此在模擬時,機台作動的模型建構便愈發重要。

我們下一次接著介紹目前各家射出機供應商在協助客戶建構工業4.0能量的不同解決方案。

 

孫士博 博士
科盛科技(Moldex3D) 材料研究中心 主任
美國康州大學高分子科學博士,主要研究領域包含複合材料、生醫材料、可降解高分子、工業設計塑膠材質應用;以及高分子流變學、高分子加工以及高分子物性等。曾任科盛科技技術支援部經理、汽車專案等,並長期擔任科盛全球技術課程及研討會活動等專業講師。

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