我們將分幾次，針對(duì)目前射出成型產(chǎn)業(yè)在朝向工業(yè)4.0目標(biāo)下發(fā)展的各項(xiàng)來(lái)做介紹。本文主要是針對(duì)與CAE模擬技術(shù)相關(guān)的發(fā)展，偏向制程改善；有關(guān)于工廠生產(chǎn)管理自動(dòng)化的部分，我們將另辟單元介紹。

「信息」是邁向工業(yè)4.0過(guò)程中的主角，而對(duì)于射出成型制程來(lái)說(shuō)，信息不外乎是工藝條件、設(shè)備與原料狀況、以及產(chǎn)出的產(chǎn)品質(zhì)量。信息由「數(shù)據(jù)」整理而來(lái)，而信息分析后便成為「知識(shí)」，知識(shí)便是推動(dòng)技術(shù)前進(jìn)的動(dòng)能，因此我們可以說(shuō)，邁向工業(yè)4.0就是在數(shù)據(jù)、信息與知識(shí)三者上不斷整合、強(qiáng)化的過(guò)程。過(guò)去在塑料加工產(chǎn)業(yè)中，產(chǎn)品、模具設(shè)計(jì)以及成型工藝條件多半是靠經(jīng)驗(yàn)傳承而來(lái)，多數(shù)人在工廠收集到的都是片段的信息，由于沒有完整的數(shù)據(jù)，因此并不能產(chǎn)生知識(shí)。工業(yè)4.0在塑料加工行業(yè)要強(qiáng)化的，就是將數(shù)據(jù)收集完整，信息流通自動(dòng)化，以及利用計(jì)算機(jī)的運(yùn)算能力產(chǎn)生知識(shí)。

而數(shù)據(jù)又是如何從真實(shí)的物理環(huán)境(例如傳感器所收集的數(shù)字)，轉(zhuǎn)換成可供運(yùn)算分析的概念呢？美國(guó)國(guó)家科學(xué)基金會(huì)智能維護(hù)系統(tǒng)產(chǎn)學(xué)合作中心共同主任李杰博士，也是輔導(dǎo)Moldex3D進(jìn)行制造服務(wù)創(chuàng)新的顧問，在工業(yè)大數(shù)據(jù)(2016)書中提到 Cyber-Physical System 的概念，「從實(shí)體空間對(duì)象、環(huán)境、活動(dòng)中大數(shù)據(jù)的擷取、儲(chǔ)存、建構(gòu)模型、分析、挖掘、評(píng)估、預(yù)測(cè)、優(yōu)化、協(xié)同，并與對(duì)象的設(shè)計(jì)、測(cè)試和運(yùn)作性能特征相結(jié)合，產(chǎn)生與實(shí)體空間的深度融合；進(jìn)而透過(guò)自我感知、自我記憶、自我認(rèn)知、自我決策，以促進(jìn)工業(yè)資產(chǎn)的全面智慧化。」

這樣以虛擬的模型來(lái)描述真實(shí)的加工環(huán)境的方法，若運(yùn)用在射出成型制程上，靠的正是「模流分析」。它可將實(shí)體空間轉(zhuǎn)化為虛擬環(huán)境，使我們能在其中應(yīng)用知識(shí)解決問題。在建構(gòu)有限元分析的各個(gè)系統(tǒng)過(guò)程中，實(shí)體的對(duì)象包含模穴與模具，藉由網(wǎng)格制作形成分析的邊界范圍；而物理場(chǎng)的解析在模流分析中是藉由熱傳導(dǎo)與流體力學(xué)方程式來(lái)說(shuō)明；被分析的對(duì)象，塑料則是將其熱與流動(dòng)性質(zhì)轉(zhuǎn)化成材料方程式；加工機(jī)臺(tái)的運(yùn)動(dòng)則是轉(zhuǎn)化成施加在材料的壓力、速度以及溫度等。至此射出成型中的所有元素都已經(jīng)轉(zhuǎn)換為虛擬系統(tǒng)，針對(duì)產(chǎn)品質(zhì)量與生產(chǎn)效能的計(jì)算便在虛擬系統(tǒng)中完成后，反應(yīng)到實(shí)體空間作為生產(chǎn)決策的建議。

結(jié)合虛擬與實(shí)體空間的技術(shù)進(jìn)化來(lái)自兩方面：一是模型建構(gòu)的真實(shí)程度，一是虛空間中的數(shù)據(jù)分析技術(shù)，這也是模流分析軟件開發(fā)者持續(xù)努力的方向。在Moldex3D的開發(fā)方向上，關(guān)于材料方程式的改進(jìn)一直是Moldex3D材料研究中心的核心任務(wù)。例如材料的黏彈性質(zhì)量測(cè)、以及軟件配套的黏彈性耦合求解器，便是改進(jìn)傳統(tǒng)只用純黏性的方程式來(lái)預(yù)測(cè)流動(dòng)的新技術(shù)。因此諸如流動(dòng)不穩(wěn)定下的各種表面質(zhì)量缺陷，都可以更有效的提前預(yù)測(cè)。若是將黏彈性擴(kuò)展到翹曲分析，產(chǎn)品在模內(nèi)收縮產(chǎn)生的應(yīng)力，都可以隨著冷卻時(shí)間的快慢而有不同程度的松弛，產(chǎn)品的變形將更能反映出不同加工工藝下的情況。

另一個(gè)近期愈顯重要的是射出機(jī)臺(tái)作動(dòng)的模型建構(gòu)。傳統(tǒng)的模擬將螺桿的運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)化為單純施加在熔膠上的速度與壓力，這其實(shí)是過(guò)度簡(jiǎn)化了塑料的流動(dòng)行為。以閉回路油壓機(jī)為例，實(shí)際在射出階段，螺桿的移動(dòng)是機(jī)臺(tái)將當(dāng)下量測(cè)到的速度與成型人員所輸入之射出速度相比較，其中的差異便是靠控制器來(lái)調(diào)整比例閥，以增加或降低的螺桿的前進(jìn)速率。這個(gè)控制回路的響應(yīng)快慢，決定了機(jī)臺(tái)能否穩(wěn)定生產(chǎn)。若是產(chǎn)品設(shè)計(jì)不良，射壓變化幅度大，控制回路響應(yīng)自然需要較長(zhǎng)時(shí)間才能穩(wěn)定。在工業(yè)4.0環(huán)境下，穩(wěn)定生產(chǎn)是自動(dòng)化的必要條件，因此在模擬時(shí)，機(jī)臺(tái)作動(dòng)的模型建構(gòu)便愈發(fā)重要。

我們下一次接著介紹目前各家射出機(jī)供貨商在協(xié)助客戶建構(gòu)工業(yè)4.0能量的不同解決方案。

孫士博 博士
科盛科技(Moldex3D) 材料研究中心 主任

美國(guó)康州大學(xué)高分子科學(xué)博士，主要研究領(lǐng)域包含復(fù)合材料、生醫(yī)材料、可降解高分子、工業(yè)設(shè)計(jì)塑料材質(zhì)應(yīng)用；以及高分子流變學(xué)、高分子加工以及高分子物性等。曾任科盛科技技術(shù)支持部經(jīng)理、汽車項(xiàng)目等，并長(zhǎng)期擔(dān)任科盛全球技術(shù)課程及研討會(huì)活動(dòng)等專業(yè)講師。