模流分析與工業4.0智慧製造(2):智慧射出機與其調機原理

Tober Sun

上一篇我們藉由工業4.0裡虛實整合的概念,理解在射出成型製程中,機台的作動與產品品質息息相關。準確的模流分析必須考量機台作動,包含射出時螺桿的加減速、轉保壓時的機台響應、以及機台避免射壓過高時的保護行為等。

目前射出成型設備以射出機為核心,因此工業4.0中的智慧機械多應用在射出機的設計,包含:一、射出機回傳各類生管訊息;二、射出機及周邊輔機間的信息交換;三、製程工藝上的智慧調適。其中工藝的智慧調適,更是左右著射出加工業的未來發展,因為直到現在,這個產業仍舊極度依賴人為經驗,不論是模流分析或是智慧機械,仍無法取代經驗。但隨著生產資訊的收集與數據的歸納處理,我們離自動化試模成型的未來應該不會太遠。本篇將簡介目前各射出機廠商如何應用射出過程中收集到的資訊,來提升產品品質穩定性。

為提升產品品質穩定性,可藉由適當調整成型參數,來抵消環境變異造成的品質不穩定。根據經驗,成型師傅早知在夏季冬季、早班晚班時,有時須調整成型參數來抵消環境溫度的影響。智慧機械則是利用科學性的方法,做到每一模次在成型當下直接改變成型條件。目前較主流的技術有Engel (iQ flow control)、Wittmann Battenfeld (HiQ-Flow)、以及KraussMaffei (APC)。以 Wittmann Battenfeld 的HiQ Flow 為例,藉由監測射壓,也就是以一良品的射壓曲線為基準,訂定良品範圍的射壓變異上下限。如果模具、塑料黏度與射速都不變,射壓不會改變。但若模具環境(多模穴流道平衡性、模溫)、塑料黏度(料溫均勻性、降解、批次不同)改變,即便是在相同的射速設定下,也會導致射壓曲線落在良品範圍之外,造成品質不穩定。

射壓是剪切速率與黏度的乘積,若觀察到射壓降低,但機台射速維持不變時,代表的就是熔膠黏度下降,多半是因為溫度升高導致。這時由於熔膠密度也因高溫而下降,因此若要產品重量不變,射出行程需增加,也就是VP切換點延後。至於延後多少,則是看該模次壓力偏移良品基準線多少而決定。各家射出機有不同的方法,Battenfeld是利用壓力─位置下面積總和相等,也就是注射時的做功 (Work of injection)相等修正。而KraussMaffei則是根據PVT特性補償來調整,也就是若射壓差異是由於溫度改變,該溫度下的材料密度(比容)也因此改變。若材料密度改變,必須藉由改變VP切換點及保壓壓力大小,來達到產品重量不變;由於各種材料PVT特性皆不同,因此需輸入材料種類。下表是主流廠商截至2018年,所提出的工藝調適技術整理:

廠商 可調適成形條件 欲消弭之環境變異
Engel VP切換點、保壓壓力 黏度
Wittmann Battenfeld VP切換點、保壓壓力、螺桿塑化、逆止閥閉合速度 黏度、墊料區行程
KraussMaffei VP切換點、保壓壓力 黏度、逆止閥

我們可以了解到,射出機台在工業4.0的應用已經從單純的熔膠動能提供者,擴展到肩負傳感器的任務;能夠理解其將熔膠注入到模具時的狀況,更進一步對熔膠在溫度、壓力下的狀態改變,採取相應的工藝調適,達到智慧機械的目標。在製程當下調適便是預測性製造,再度引用李傑教授的看法:預測性製造便是除了打造製造本身的價值,還要使製造過程具備自省能力,也就是整個系統,包括設備本身,在製造過程中,要能根據實際變化的情形,及時作出反應及調整。甫接任富士康工業互聯網(工業富聯;FII)副董事長的李傑教授,日前在兩岸企業家峰會上表示,智慧製造不是為解決問題而生,而是為了提前感知、預測問題發生,解決過往不能解決的問題為主,所以工業4.0時代可以說就是預測製造的時代。

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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