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机械资讯 713期
从智慧制造的观点畅谈模流分析在塑胶射出中的角色

文/廖恒增
上博科技股份有限公司实施部 工程师

智慧制造系统概念

塑胶射出产品的生产流程可简略地分以下几个阶段：产品设计、可制造性设计(DFM)、模具设计、模具制程排配、编写加工程式、现场加工模具、加工后量测、射出试模、正式射出生产。这些流程需要由不同的专业人员，使用多种软体、机台合力完成。例如产品设计及模具设计人员需要用CAD软体，编写加工程式人员需要用CAM软体、现场加工人员会用到CNC、放电加工、线切割机台，生产人员要用到射出机等。另外，要能使现场加工能顺利进行，还需要做好事前的准备工作，例如：治具管理、CNC刀具管理、放电加工电极管理等。除此之外，工厂人员管理也是不可获缺的一环。而智慧制造系统的工作就是将所有软体、机台、管理系统连接在一起，有如将整个工厂变成一台多功能的巨大机台。智慧制造系统设计约略可遵循以下几个原则：资讯统一、自动传递、方便操作、方便管理。
资讯统一的具体作法是使用中央资料库，是将不同软体、机台、管理所要用到的相同资讯统一储存，一来解决以纸本或email传递容易发生不同步的问题，二来方便版本的管控，确保操作人员下载的版本永远是最新的。资讯统一的关键在于规格制定，使资讯能在不同的软体及机台间流通。
在传统工厂中，各软体、机台与管理系统之间并没有连结，资讯的传递难免需要人力。而智慧系统利用API，具有在各软体及机台间输入及取出资讯的能力，进而达到资讯自动传递，减少人力花费及传递错误的机会。自动传递所能涵盖的范围，取决中央逻辑判断系统的效能，必须要在适当时间点、将需要的资讯送到正确的位置。
达成方便操作可以朝两个方向进行，一是刚才提到的资讯自动传递，将重复且固定的步骤省去，减少使用者操作负担。另一方面，可结合现场操作经验，客制方便工具，让有经验的使用者可以快速操作，无经验的使用者有参考的依据。例如在CAM软体中将模具常用的滑块、顶针、斜销设定为标准元件，设计时直接调用，浇口、流道、水路设定为参数化物件，设计时只要输入参数及可快速完成设计。由以上例子可以得知，达成操作方便的关键在设计及制造流程的标准化，标准化的愈彻底，可以建立的标准元件及参数化物件愈多，愈能简化操作步骤。制造管理系统大致包括以下几部分：1.人员角色及操作权限，2.编号系统(包括任务、刀具、电极、工件⋯)，3.查询系统，4.异常处理流程。重点在于让管理者能方便了解资源使用状况，将管理制度系统化，确实记录执行状况，减少人为出错的机会。
要注意的是，以上四原则并非彼此独立，而是会相互影响，因此在设计系统时必须同时考量4原则，以整体效率最大化为目标，权衡出最佳流程。

模流分析在智慧制造中的角色

在智慧制造系统中，模流分析也可遵循先前提到的设计原则。资讯统一方面，模流的产品模型及浇口、流道、水路模型可与DFM与模具设计共用，模流所需塑胶材料库也可与现场加工材料库整合为一体。自动传递方面，DFM设计完的模型可利用API自动导入模流软体，使用者可以不必再建模。操作便利性方面，可建立模流结果评语资料库与自动报告产生器，减少模流分析者制作报告的时间。
与智慧生产结合后可大大减化模流分析的操作流程，模流分析人员的工作性质也由偏重建模与制作报告的操作员，转变为以结果解析判读为主的分析师。要能对模流分析结果做出正确的判断，必须先了解模流分析的特质，故以下将由模流分析的特性出发，说明对模流分析应有的态度。
模流分析模拟的范畴为塑胶材料在熔融状态的流动行为与冷却固化后变型的状况。比起一般结构分析或流场分析，模流分析的难度是高上许多。主要原因在于模流分析的主角塑胶表现的是黏弹体的性质。为了让读者能更了解什么是黏弹体及黏弹体在工程分析上的困难点，以下做简略的说明。
以工程力学的发展轨迹来看，最初是将物质分为固体与流体，各别研究。固体与流体在力学的行为上，有着相当不同的表现。撇开烦人的数学模型，以直观的方式来看，标准的固体在未受力时，会维持固定的形状，在受力后会产生变形，在没有被破坏的情况下，相邻的材料在变形后仍相邻。也就是固体的变形是一个点拉着一个点连续变形，如果相邻的点拉得太开就会被破坏，再也黏不回来，就像把玻璃碎片拼起来也变不回一片玻璃。标准的流体本身没有固定的形状，压力不均就会产生流动，阻力是因流速的差异产生，原本相邻点在流动后可以分得很开，并与周围的液体再度融合在一起，因此将流体倒入容器中能很快的充满容器。
这种二分法有个很大的好处，就是在这种假设下，可以建立较简单的数学模型，材料性质也容易量测，现实上也有很多物质能符合这种固体、液体二分法。例如：常温下的金属就是标准的固体、水和空气就是标准的液体。
但现实上还是有太多物质无法归类为标准固体或液体，存在着半固体半流体的性质，例如黏土，直观看来比较接近固体，因为有固定的形状，受力后会产生变形，但两块分开的黏土可以轻易融合成一块，这点又有点像流体。又如蕃茄酱，直观看来比较像流体，因为没有固定的形状，分开后也能再融合为一体，但仔细来看，将蕃茄酱倒在容器中，不会像标准流体一样迅速地充满容器，虽然会流动，但又能维持固定形状一段时间，轻轻碰一下可以让它变形，放开后又有回弹的情况。
在工程力学中称这种介于固体与流体之间的物质为黏弹体，而流变学(Rheology)是专门研究黏弹体行为。如前段所述黏弹体的行为有较偏向固体的黏土也有较偏向流体的蕃茄酱，介于两者之间的物质更是不胜枚举。而模流分析中的主角塑胶，因为温度的变化，性质也会从高温熔融状态时，较接近蕃茄酱的行为，变为低温接近固化时较接近黏土的行为。不难想像单一的数学模型是很难满足射出成型过程中塑胶特性的变化。
为了因应塑胶复杂的行为，流变学家提出了愈来愈多更复杂理论。直观上愈复杂的理论考虑因素较多，应该能更精准预测黏弹体的行为。但在工程应用上却不尽然，理由如下：
1. 单一理论不一定能适用所有塑胶料，因成本及开发时间考量，工程软体很难针对各别材料使用专属的理论模型。
2. 复杂的理论包含更多的材料系数，实务上不一定能量测，或是量测成本太高。
3. 复杂的理论所以计算量较大，计算时间较长。因此实务上可行的模流模型会是容许一定误差，但能表现大多塑胶材料的行为，材料系数方便且快速量测的模型。
除了以上谈到模流分析在物理模型上的误差外，还有几个因素会造成分析误差。
1. 材料量测的误差：很多模流分析会用到的塑胶材料性质，例如黏度与剪切率的关系或温度、压力、体积之间的关系，都不是一个固定的值。理论上要得到材料的真实性质，必须要做无数次量测才能确定，但这种方法实务上并不可行。比较务实的作法是使用预测材料性质的理论公式，这些公式含有未定的参数，再用有限的实验数据来做回归分析，决定参数的值。简单来说，模流分析所用的材料性质，是用小范围且有限的量测数据去推断大范围整体的性质，难免出现误差。
2. 数值分析的误差：模流分析与其他CAE软体相同，在计算前都需要生成网格，理论上计算的精度会随着网格数量增加而增加，但增加网格数量也会增加计算时间。在实务上必须权衡计算精度及计算时间，选择适当的网格密度，牺牲一定的精度。
3. 成型条件的误差：在比较模流分析与现场射出的结果时，会将两者设定相同的成型条件。但对真实的射出机来讲，在控制面版上设定的成型条件其实是一个目标值，射出机台的控制会尽量让机台的表现接近目标值，但无论如何精密的控制器都需要反应时间，无法100%达到目标值的要求，不可避免地会与模流分析的结果有出入。
由以上分析看来模流分析，模流分析的结果似乎是不可信赖。但每个人对信赖的定义不同，以笔者之见，可不可信赖在于使用者对于模流分析的定位及解读结果的态度。以下几种定位往往会让使用者觉得模流分析不可信赖：
1. 完全相信模流分析，认为模流分析结果没问题，现场一定就没问题。
2. 在极端条件下比对模流分析与试模的流动结果，所谓的极端条件指的是发生迟滞、短射、等流动异常状况。
3. 对小结构或细微现象现进行比对研究。
由前几段提到模流分析的特性来看，以上三种定位方式，完全在挑战模流分析的弱点，自然不能对结果有太高的期待。当然偶尔也会遇到与现场相符的情况，但毕竟稳定性太低，不能太过依赖。
再来谈谈怎样的定位适合模流分析，因模流分析软体需克服重重困难，在合理的时间内计算出可参考的结果，所以分析结果要看的是趋势，不是数值。故一般模流分析都会改变条件多分析几组结果，以观察趋势的变化。原则上，执行模流分析的时机愈早愈有利，最佳时机是在DFM设计完，决定浇口、流道、水路后就执行。推荐以下两种较为合理的用法：
1. 在开模前发现严重的问题，例如结合线出现在不能出现的位置，及早变更产品或模具设计。
2. 预期可能发生的问题，先找出原因及解决对策，若试模发生相同问题时可以立即反应。
简单来说，如果模流分析只是用来看结果，准确率可能不高。若是用来推论问题的原因，及解决的方式价值就变得很高。因为模流分析可以提供一些试模得不到的资讯，如产品内部温度及压力的分布。因智慧系统，模流分析人员未来势必需负担更多解析结果的工作。但另一方面，智慧系统也可将模流分析的解析逻辑与系统整合，帮助更多人能更快了解并正确解析模流分析的结果。
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