大綱

本案例的產品為使用BASF纖維強化塑料材料，利用氣體輔助射出成型制造的設計師椅子。然而在生產過程，發生氣體指紋效應，產品的強度因此減弱。因為椅子為設計師的作品，所以無法做設計變更，BASF工程師只能透過優化制程參數，解決氣體輔助成型帶來的挑戰，兼顧產品強度和輕量化的需求。

挑戰

• 氣體指紋效應

• 機械性質弱

• 不允許做設計變更

解決方案

BASF工程師利用Moldex3D進行制程參數優化，改善氣體指紋效應。為了測試新的制程參數所生產的椅子，能符合原先規定的載重，工程師透過Moldex3D獲得重要的成型仿真數據，包含：氣體掏空處、翹曲的幾何以及纖維排向，以利提升FEM模擬的精準度。在Abaqus執行FEM分析后，結果顯示新的制程參數可以制造符合規定載重的椅子，滿足產品的輕量需求，同時也兼顧結構完整性。

效益

• 預測氣體指紋效應

• 改善產品強度60%

• 滿足產品重量及載重需求

案例研究

本案例中，BASF用Moldex3D仿真氣輔成型制造的設計師椅子。BASF所面臨的挑戰是椅面及椅背出現氣體指紋現象，此問題將可能導致承重后的結構損壞。由于產品是設計師椅，模具已制造且無法更改設計。因此為了讓椅子能夠達到規定的承重力，就必須進行制程參數優化。

原始設計的分析結果顯示，氣輔切換時產品肉厚和肉薄處中心點的溫度差異小于2°C(圖一)。換句話說，由于肉薄與肉厚處的流動阻力相近，因此氣體容易進入肉薄處(造成指紋效應)。同理當兩個區域的溫度差異較大時，氣體將不會進入肉薄區。因此若增加氣體延遲及充填、保壓時間，將可幫助制程優化。

圖一 中心點溫度的仿真結果

BASF嘗試以不同組合來優化制程，包括將充填時間增加至6秒，保壓時間增至10秒，氣體延遲時間增至15秒等。圖二為優化參數后的模擬結果，已成功將氣體掏空局限在容許的區域。

圖二 參數優化前后的氣體掏空模擬結果

優化設定之后，肉厚和肉薄處中心點的溫度差異轉變為7至10°C(圖三)，這意味著氣體將不會進入肉薄處，而是在較高溫(肉厚)的區域流動，因此區域具有較低的流動阻力之故。

圖三 原始優化設定后的中心點溫度差異

Moldex3D支持將仿真結果輸出至有限元素法(FEM)分析軟件，以進行結構仿真。在本案例中，BASF以Moldex3D模擬結果驗證:原始設定條件下制造的椅子，輸出至結構分析軟件Abaqus，其結果是不符需求的。圖四顯示在椅子上施加力道至結構破壞的情形，結果顯示優化設定后，可承受的力道比原始設定高出了60%。此外，優化設定后的椅子，在承受力道后變形的幅度也比原始設定高11.5%。

圖四 以Abaqus進行產品位移和受力比較

結果

利用Moldex3D可以輕松模擬氣輔成型過程，進而執行優化結果。其中中心溫度的仿真，對于氣輔制程而言更是實用。此外藉由Moldex3D FEA接口也可協助獲取后續FEM分析流程所需的數據，使其他結構分析軟件可以輕松讀取并處理導出的數據。