新穎實驗設計法優化射出成型參數
前言
射出成型是一種結合模具設計、產品設計、材料流變性 與加工成型條件等一系列複雜的製程。在有限的產品開 發時間內，產品設計者仍須面臨產品朝輕、薄、短、小 及幾何設計複雜化……等嚴苛的生產製造挑戰。每個因 素的改變，都會對射出成型塑料造成很大的影響，從材 料到產品，一連串多種成型因素相互作用下的複雜性， 若以傳統試誤法去預測和控制射出流程，已是一種低效 率及耗費成本的方法。現在，利用科學化的快速設計方 法，可大幅節省傳統試誤法所衍生的費用，因此採用田 口品質工程技術來進行實驗設計已蔚為趨勢，希望將實 驗的次數、時間及實驗成本降至最小值，並找出影響品 質穩定性的因素，藉以加強控制來降低不良率、減少成 本開銷。
模具從設計、開發到製作完成
對於從事塑膠射出成型的專業人士而言，當產品經由模 具設計，以及完成模具施工製作後，仍須經過上成型機 做測試的程序，主要是為了試驗模具在成型過程的穩定 性，並驗證因產品、模具設計不良所造成的外觀缺陷和尺寸偏差，或是因不恰當的成型條件所導致的不合 格結果。傳統上，成型現場常會根據試誤法的經驗累 積方式來操作，如當下試模的產品有問題，會朝向成 型參數或模具設計進行修改的動作，但這些判斷往往 需要經驗經驗老到的師傅、或資深的試模人員才能完 成，否則很容易事倍功半，甚至使問題更加嚴重。為 解決這些實務上的問題，現在我們可以利用科學化的 電腦輔助工程模流分析軟體Moldex3D Expert模組， 輔助我們進一步克服人為盲點與試誤法的猜測痛苦經 驗，以縮短產品上市的時程並減少修模等額外的費 用。為讓大家更容易了解 Moldex3D Expert（專家分 析模組）的價值，我們先來討論實驗設計法。
何謂實驗設計法 (Design of Experiment, DOE)
應用數理統計手法，在一定的費用、時間等成本限制 下進行實驗，期望能從較少的實驗結果資料中，得到 最多情報的實驗方法。而實驗設計法的種類主要可分 為試誤法 (trial and error)、一次一因子實驗法 (one factor at a time experiments)、全因子實驗法 (full factorial experiments)，以及田口式直交表實驗法 (Taguchi’s orthogonal arrays) 等。Moldex3D 提供 的田口式品質工程技術，被應用於成型參數優化射出 成型評估方案，其功能特點如下： • 使用有效率的實驗設計法 (Design of Experiment, DOE)，幫助設計者評估最適當的條件參數，達到設 計優化的目的。 • 非傳統的試誤法，主要是藉系統化與科學化方法， 透過簡單的設定條件，經過分析後自動產生圖形化 摘要，幫助使用者確定最佳化的產品品質結果，並 有效引導使用者獲得最佳設計。 • 支援熱塑性及熱固性材料。 • 如圖1、2所示，支援可選擇多項品質與控制因子， 並透過加權函數控制參數。 • 圖3獲得給定品質因子的最佳品質結果；每個品質 因子在擁有不同權重的情況下，可容易找出最佳的 成型條件。 • 圖4最高品質響應可以顯示受到哪一個品質的影響 最大。 • 圖5中的信噪比(S/N)是信號/噪聲響應值；最高 的信噪比意味著有最小的噪音（外部效應）就是最 佳狀態。 • 圖6靈敏度分析中，透過這些品質參數幫助設計者 找出最佳化成型條件。
實際應用DOE案例
以一汽車手套箱內殼作案例，為降低實體試模成本的 開銷，產品內裝件通常利用CAE模擬分析潛在問題； 隨著品質要求提升，組合公差的要求也越來越嚴苛， 本產品在成型階段便力求減少翹曲變形，以期符合設 計需求。由於尺寸較大（343.7 x 538.4 x 124.9 mm， 如圖7），翹曲問題也較為顯著，車廠希望利用CAE 與實驗設計法來改善翹曲問題。模溫設定為公模高、 母模低，但相較於母模側，公模的肋條結構比較容易 出現積熱的問題。考量到目前要解決的問題是翹曲， 所以我們將品質因子定為總位移，採用望小特性，因 為越小越好。控制因子則選擇幾個與翹曲影響有關的 條件，第一個是熔膠溫度，其高低影響熔膠的流動性， 此特性也與溫度有關；第二是模溫，原始的模溫差約 為33.4°C，換算成華氏後，其模溫差約為60°F，固 定母模面溫度，調整公模溫度來比較；第三與第四個 因子則是保壓時間與保壓壓力。表1是以上述4個控 制因子與3個水準規劃出來的L9直交表。
模流分析結果如下:
圖8為分析後的品質響應結果，從因子效應中可以看 出各因子對品質因子的影響，不同水準間的差異反應 出該因子變動對控制因子的影響，ANOVA分析則顯 示出品質因子2（模溫）是貢獻最多影響的因子。 圖9則為信號雜訊比響應結果圖，信號雜訊比(S/N ratio)越大，代表噪音（外在的影響）越小，因此田口方法選取信噪比最大的值作為最佳條件。信噪比之 變異數分析(ANOVA)顯示貢獻度最主要來自於模具 溫度(B)與保壓壓力(D)，因此我們可以得到最佳的水 準依序為1、3、3、3。
結果與討論：
表2是確認實驗數值表，驗證藉由資料分析所得的結 果是否正確，因為最佳組別就包含在分析中，所以是 相同的，而能夠確認的是，此組分析出的翹曲量值是 所有組別中最小的。 圖10則是最佳組別與原始組別的垂直方向翹曲結果， 除了量值改善外，分布也均勻許多，尤其是貢獻度最
多的是模具溫度差，降低原先朝向母模側的翹曲程 度，成為最主要改善的因子。 從此案例分析所顯示，Moldex3D提供讓使用者利用 田口品質工程實驗設計法的優勢成效，在實際上機試 模前，提早預測影響產品品質較重要的參數，進一步 獲取最佳化參數來協助現場成型人員能更快速準確的 掌握產品品質。■
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