科盛科技 技术经理 张权纬

前言

射出成型的关键生产因素，包含有四个部分，分别为产品设计、模具设计、材料特性与射出成型机台。然而传统的高分子加工模拟通常仅考虑模内发生的事情，设定熔胶入口条件进行计算，在考虑机台之分析时，也仅选择机台的规格，却忽略了机台动态特性的影响，当理想情境与实际情境产生误差时，便会造成分析结果与实际结果产生落差，难以回馈到实际的机台试模设定。

因此，完整的射出成型模拟应该要考虑不同机台的差异，包含有喷嘴、螺杆与驱动装置，进行模具内的分析才能构成一个完整的射出成型分析，如文章首图所示。此外，一般设计端与制造端使用的接口不一样，使模流分析人员无法透过软件，正确地将成型条件转换至真实机台，而与现场射出机台操作人员沟通困难，导致双方沟通产生误解，进而让相关产业由智能设计进到智能制造时产生断点，无法顺利执行。

有鉴于此，本文提出机台数字孪生的模式，此分身会在设定阶段使用与机台一致的设定页面，排除设计与制造端在交换成型条件时的沟通问题。在分析阶段会将机台的速度与压力响应与分析流程整合，让虚拟与实际有相同的响应模式。

当完成机台响应信息的收集与分析后，使用真实机台接口与制造端沟通，提供CAE试模后的条件，作为制造端的试模成型条件。当机台数字孪生与实际机台一致时，利用CAE分析得到的成型条件就可以应用于制造端，减少试模时的材料浪费，达成「Ｔ零」量产的目的，实现智能制造的生产模式。

机台响应特性

一般认为，当射出成型机采全电式控制模式时的响应速度会快一点，而油压式则会慢一点，且设定多少速度，机台就应该达到设定的速度；同样地，设定多少保压压力，机台就应该有多少的压力，如图一所示。

图一 想象中的全电机与油压机的响应速度差别

图二中有两台全电式的射出机，在Machine #1的部分，红色线是用户设定的速度，黄色线是实际的速度变化，观察此机台的速度曲线，可以发现开始射出时会有一小段延迟，随着速度开始增加，快到达设定值时会开始减速到达设定值；而Machine #2的部分，射出开始时会有一小段延迟，然后速度开始增加，当快到达设定值时，并不会立即减速，而是等超过设定值后才慢慢降回设定值。

图二 不同厂牌之全电式射出机的速度响应比较

从上述两台射出机的速度响应情况，可以观察到此两台全电式射出机的速度变化模式不同，亦即不同机台会呈现出不同的响应。比较这两台全电式射出机到达设定值的时间，可以发现两者达到的时间也不一样，Machine #1到达设定的时间大概是0.2秒，Machine #2到达设定的时间大概是0.7秒，可看出不同机台会有不同的响应模式。图三则为油压式射出机的响应行为，在Machine #1的部分，速度设定线为红色线，实际速度为黄色线。从图中可以发现实际速度无法达到设定的速度，亦即实际速度低于设定速度；而Machine #2的部分则可以发现实际速度高于设定值。虽然实际速度与设定速度不符，但观察每个射出的历程结果，可以发现每次的结果是一致的，代表是机台的制程是稳定的，也说明为什么在生产过程中，可以生产出良好的产品。

图三 不同厂牌之油压式射出机的速度响应比较

观察实际的机台可以发现，每台机器都有其各自的响应模式，因此当进入到智能制造的时代时，实际生产前会希望能掌控一切生产时可能发生的问题，达到虚实整合(Cyber-Physical System, CPS)的情境。因此，传统CAE将所有机台都视为一致的理想模式，已不足以应用在智能制造的时代。

为掌握机台动态响应的影响，Moldex3D采用实验方式收集机台响应数据，实验流程如图四所示。透过选择厂内使用的射出机、模具与材料，收集不同的速度与压力设定的实验结果，再藉由控制理论，鉴定此射出机之动态响应参数。将鉴定完成的机台特性档案汇入分析软件，即能自动依实际机台响应应用于高分子加工模拟，作为高分子加工模拟时的设定条件，让分析结果更贴近实际状况，如图五所示。考虑另一个使用油压机生产的实际情况，从图六中我们可看到该机台实际的V/P切换时间为2.1秒，参考机台特性后计算的V/P切换时间为2秒，两者结果非常接近，因此也提高模拟和实务的一致性，达到虚实整合的目的。

图四 机台特性分析流程

图五 考虑机台特性的流率变化

图六 考虑机台特性的VP切换时间比对

结合现场的射出机台设定模式

在传统的方式中，CAE与制造端的成型条件设定模式是各自独立的，CAE使用者于熟悉的CAE设定页面中进行设定，而机台操作工程师则熟悉机台的操作页面，为串接起两者的沟通，传统方式是透过试模表进行双方的沟通。然而，对于CAE使用者而言，当要将CAE条件转换成试模表时，不同机台有不同的设定单位与不同的设定方式，为了要正确地转换，CAE工程师必须清楚了解每个机台的设定模式，才能正确地进行转换，因此也造成CAE工程师在转换成型条件时的困扰。有鉴于此，Moldex3D成功整合射出机台控制面板，Moldex3D加工精灵(Process Wizard)提供真实射出成型机台设定页面，让CAE分析人员可以先在熟悉的CAE设定页面中进行成型条件设定，分析完成后，经过简单的步骤，就能轻易地将CAE接口转换为真实机台的设定页面，排除沟通断层，如图七所示。若要随时查看模流分析和真实机台操作页面的差异，可以透过页面互相切换，让双方都可以很轻易获取信息，提升工作和生产效率。

图七 CAE设定页面与实际机台设定页面

结论

虚实整合是智能制造的关键技术之一，运用在射出成型领域中，就是CAE与实际生产机台的虚实整合，这也是本文所提之机台数字孪生。这边除了考虑不同的机台特性外，还要包含实际的机台操作页面。因此，当分析时将机台响应特性使用于CAE中，且设计与制造采用一致的机台页面进行沟通，使得分析信息可以有效且正确的提供给制造端使用，让机台数字孪生建构起设计与制造端的桥梁，在智能制造的时代中，机台数字孪生所扮演的角色是非常重要的。