“Ｔ零”量產：由智慧設計到智慧製造的應用

■科盛科技 / 葉柏揚產品經理

前言

工業4.0 與物聯網技術(Internet of Things, IoT) 發展至今，速度、彈性、品質和效率始終為製造業共同追求的目標。企業需要提高生產速度來面對更緊縮的交期，並更有彈性地因應設計變更與產能調配，藉由數位分身(Digital Twin) 的概念結合軟硬體的虛實整合，在設計階段透過虛擬製造來優化生產階段的實際製造過程，以滿足上述數位化轉型的要求。當前模具射出行業發展面臨諸多挑戰，如：交期縮短、精度提高、同業競爭、人才短缺，以及試模依賴經驗等。因此，如何提高產能與降低生產成本、數位化保存設計生產數據，形成產品知識並有效應用等，就成了模具射出行業發展的重要課題。

Moldex3D 創立以來一直以追求真實模擬、精準預測為目標。由於軟體的正確性與易用性，市場迅速擴及全亞洲，並且在歐洲、美洲市場取得極高市佔率，獲得眾多國際一線大廠與供應商的肯定，並被選為Siemens NX、PTC Creo、MSC DigimatRP 以及Cimatron 等一流CAD/CAE/CAM 軟體的模流分析核心。與CAD 國際大廠的合作，以及真實3D 網格技術的成熟應用，促成CAD/CAE 設計整合平臺的發展，具有設計變更快速與縮短產品開發時程的優點。

除材料物性量測技術的應用，Moldex3D 也同時發展射出機特性分析的技術能力，藉由掌握機臺作動時速度與壓力的響應特性與差異，模擬分析時可以考量不同機臺造成的響應落差並補正，再將分析結果以機臺介面圖像顯示，以數位成型條件提供現場人員試模降低試誤成本，實現CAD/CAE/Machine 的虛實整合，如文章首圖所示。

智慧設計與智慧製造

為持續協助模具成型行業數位轉型與強化核心競爭力，Moldex3D 發展智慧設計與智慧製造方案，透過材料量測與機臺分析虛實整合提供數位成型條件，在穩定的成型環境下快速命中靶心，提高成品良率以降低試模成本，如圖1 所示。

圖1：以Moldex3D 數位成型條件加速命中試模靶心

同時，藉由iSLM 數據管理平臺(Intelligent Simulation Lifecycle Management) 保存設計與成型數據，累積模具開發經驗形成產品知識庫，作為使用者日後模具開發的重要參考依據，於如圖2 所示。

產品設計
產品設計者需進行大量的造型曲面建模、進行產品的製造可行性評估，以及結構應力分析。Moldex3D 提供SYNC 設計整合平臺與FEA 輸出介面，以滿足產品設計需求，如圖3 所示。透過SYNC 將模流分析完整嵌入CAD 環境，設計人員在產品建模後可快速進行模流分析驗證其製造可行性，並經FEA 輸出介面將網格模型、塑膠特性、溫度、壓力，以及殘留應力等參數輸出至結構分析軟體，提供更可靠的應力與強度模擬預測。此外，FEA 輸出介面可支援各大結構分析軟體。

針對模擬分析的計算效能也有相當的提升，使用者可以透過HPC 高效運算方案快速完成模流分析運算，圖4 為某汽車之塑膠件進行充填/ 保壓/ 冷卻/ 翹曲的完整分析結果，在網格技術與計算時間上都有相當不錯的表現。

模具設計
相較於產品設計，模具設計者更接近加工製造與成型量產，需要更完整的澆口、流道設計、水路佈局與模座分析，達成更精準的設計驗證以預防潛在的成型缺陷風險，降低試誤修模的生產成本。

模具設計驗證一般分為兩個階段：前期的快速評估與後期的設計驗證。接單前期需要快速提供客戶評估報告，在開模前則需要完整的驗證報告，模具設計者往往需要進行多次的設計變更，並耗費時間撰寫各方案的分析報告。為解決設計者痛點，Moldex3D 在SYNC上開發完整的澆口流道水路精靈，如圖5 所示。設計者建模後可在CAD 環境同步設定屬性執行模流分析，並考慮機臺響應特性，使分析結果更貼近實際機臺行為，提供更準確的數位成型條件，同時開發自動產生報告功能，滿足不同客戶的報告要求，大幅縮短模具開發時程，如圖6 所示。

圖2：iSLM 數據管理平臺

試模成型
傳統模流分析可針對材料特性、產品幾何、流道水路佈局與模座等進行設計驗證，但過程中並未考慮成型機臺響應特性，造成模流分析提供的數位成型條件因機臺不同而有所差異。由於設計者通常不具備現場調機之背景，導致模具設計到成型量產的流程不連續，設計端與成型端普遍存在溝通落差。智慧設計製造方案除提供機臺特性分析以及機臺介面開發，完整考慮成型機臺響應特性外，並且能在分析完成後將模流數位條件自動轉換為機臺介面圖像顯示，提供現場人員數位成型條件，使試模快速命中靶心，建立模具設計與試模成型的溝通平臺。

圖7 為不同成型機臺的響應特性比較，紅色虛線為一段速度設定，並紀錄5 射的速度響應曲線。由實驗結果可知，兩臺機臺在重複性都有不錯的表現，但左方機臺的速度曲線未能達到速度設定值，右方機臺則有過衝(overshoot) 的情形發生，此即為機臺響應特性造成的機差。

透過機臺特性分析並將數據與Moldex3D 擬合後，可以得到圖8 的結果。紅色曲線為機臺特性擬合前的模擬流率，由於未考慮機臺特性，與藍色曲線的機臺實際流率存在落差。綠色曲線為機臺特性擬合後的模擬流率，更接近機臺實際流動行為，提供更準確的數位成型條件。此外，模擬速度與實際機臺面板比較，也有極佳的效果，如圖9 所示。

為解決設計與成型之間的溝通落差，Moldex3D 提供機臺介面開發服務，將模流分析結果轉換為機臺介面圖像顯示，提供現場人員數位成型條件快速命中靶心，建立設計與成型的溝通平臺，機臺介面可支援多種成型機臺廠牌以及多種控制器類型，如圖10 所示。

數據管理
前述已說明智慧設計製造方案在產品設計、模具設計與試模成型的應用，同時Moldex3D 也開發了iSLM數據管理平臺，進行各工段的數據集成與知識重用。應用iSLM 可累積模流分析與試模成型之生產數據，並形成產品知識庫，藉由統計與歸納，可查詢設計成型經驗值，獲得最佳設計工藝。此外，在將數位模擬與實際成型數據保存於iSLM 數據管理平臺後，還可以進行產品成型風險與成型條件的評估指標，用以量化數位模擬成型方案的效益成果，如圖11 所示。

圖3：產品設計流程

應用實例：君牧塑膠科技股份有限公司

公司簡介
君牧塑膠科技座落於臺灣高雄的鳥松區，主營為機車、電動車、船舶等相關零部件產品的開發製造，外銷歐美與亞洲多國，專長為以塑代鋼材料技術研發。

數位條件驗證
首先藉由量測材料取得材料特性，再針對機臺之響應特性進行分析，完成該機臺特性分析並與Moldex3D擬合後，以機車用電池盒模具進行Moldex3D 數位條件試模驗證，並採PP 作為數位條件驗證之原料，如圖12 所示。將Moldex3D 模擬之數位成型條件設定於機臺面板，如圖13 所示，並擷取實際機臺響應曲線與模擬曲線進行比對，如圖14 所示。試模條件驗證於第一射滿射，成品無明顯瑕疵，並且進行短射比對，如圖15 所示；其生產條件僅微調計量行程，其餘皆維持Moldex3D 數位成型條件。

應用效益
以Moldex3D 進行虛擬製程優化，能有效縮短試模時間，減少材料成本的耗費，在設計端，可提前預防成型風險，並進行最佳化設計；在製造端，則可透過機臺特性分析提供可靠的數位成型條件，縮短開發時程降低整體成本。

結論
應用智慧設計與智慧製造方案，整合從設計分析到試模量產的一體化工作流程，建立跨部門的溝通平臺，降低依靠經驗調機的試誤成本，並透過iSLM 數據管理建立產品之生產履歷，形成高效率的智慧設計與智慧製造工廠，滿足企業數位轉型升級的要求，Moldex3D 將以新世代智慧模擬技術協助塑膠產業趨近“Ｔ零”量產的願景！■

本文智財權屬於科盛科技股份有限公司

圖4：HPC 高效運算方案