如何用最少時(shí)間 找出最佳的產(chǎn)品幾何設(shè)計(jì)

▎科盛科技產(chǎn)品處 技術(shù)經(jīng)理 胡珅滕

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一般塑料制品的生產(chǎn)流程，從產(chǎn)品造型及結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、模具設(shè)計(jì)、模具制造到射出成型，須歷經(jīng)許多階段。若在前段設(shè)計(jì)上有不周全的地方，就會(huì)造成后段生產(chǎn)的困難，或是需要來回溝通以調(diào)整產(chǎn)品設(shè)計(jì)、模具設(shè)計(jì)或修整模具。本文即著重在塑料產(chǎn)品設(shè)計(jì)時(shí)間，說明如何透過模流分析找較佳的產(chǎn)品設(shè)計(jì)，藉此預(yù)先排除潛在問題，使產(chǎn)品能順利量產(chǎn)。

在產(chǎn)品設(shè)計(jì)時(shí)間，通常會(huì)有可制造性(DFM)的規(guī)范檢查；而常見的DFM項(xiàng)目包括塑料材料的預(yù)放值、拔模角度、是否有倒鉤，也會(huì)有建議的肉厚設(shè)計(jì)、肋條或突起(boss)設(shè)計(jì)，以及公差等等。這些規(guī)范檢查可以靠CAD的功能或利用人工檢查圖面完成，例如：一般會(huì)希望產(chǎn)品厚度一致，但在需要厚度變化時(shí)，會(huì)有如圖一的建議設(shè)計(jì)；在做肋條的設(shè)計(jì)會(huì)給予如圖二、圖三的建議；突起部分也同樣有建議的設(shè)計(jì)尺寸，如圖四。然而在實(shí)際上，塑料射出成型是動(dòng)態(tài)的生產(chǎn)過程，即使是相同種類的塑料材料，不同廠商、型號(hào)在材料特性可能就有很大的差異；而使用不同的射出機(jī)，就會(huì)有不同的機(jī)臺(tái)響應(yīng)，不同的加工條件也可能對(duì)產(chǎn)品質(zhì)量造成影響。這也是為什么有了DFM，實(shí)際生產(chǎn)時(shí)仍會(huì)有問題的原因之一。例如：已依照建議的肉厚和肋條進(jìn)行設(shè)計(jì)，成品卻還是發(fā)生翹曲變形過大、結(jié)構(gòu)強(qiáng)度不足、外形缺陷甚至填不飽而無法成型的狀況。

圖一 肉厚變化時(shí)的建議設(shè)計(jì)準(zhǔn)則

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圖二 建議的肋條尺寸設(shè)計(jì)

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圖三 等校的肋條參考設(shè)計(jì)

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圖四 參考肉厚及建議的突起物設(shè)計(jì)

因此，在進(jìn)行產(chǎn)品尺寸設(shè)計(jì)時(shí)，沒有絕對(duì)正確的做法，不如將其視為設(shè)計(jì)建議的起始標(biāo)準(zhǔn)。除了利用CAD做DFM檢查，還可進(jìn)一步透過CAE模流分析重新調(diào)整幾何尺寸，并反復(fù)分析驗(yàn)證優(yōu)化設(shè)計(jì)或排除問題。然而這樣的反復(fù)改變?cè)O(shè)計(jì)和驗(yàn)證，是一段冗長的工作流程；為了解決這項(xiàng)難題，Moldex3D SYNC在2021的版本推出了幾何優(yōu)化工具，幫助使用者大幅簡化CAE分析的工作，只要幾個(gè)簡單的操作步驟，就可以得到所有的尺寸變化與相對(duì)應(yīng)的CAE分析結(jié)果。

以下透過一連接器案例來示范如何利用Modex3D SYNC做出優(yōu)化的幾何設(shè)計(jì)。圖五是已通過DFM檢查的原始產(chǎn)品模型，圖六則是一開始的模擬結(jié)果；從流動(dòng)分析來看，連接器兩側(cè)都有流動(dòng)不平衡的現(xiàn)象。圖七則為翹曲變形結(jié)果，此翹曲情形會(huì)造成排針無法正常插入，必須在生產(chǎn)前改善。從原始設(shè)計(jì)剖面來看，兩邊厚度不同，而較厚的那端可進(jìn)行些微的厚度修正。推測(cè)改變厚度可以改善流動(dòng)平衡與翹曲 (仍須做結(jié)構(gòu)強(qiáng)度分析)，卻無法判斷應(yīng)修改多少才能達(dá)到最佳厚度。若一一分析不同厚度的設(shè)計(jì)，必然曠日費(fèi)時(shí)，如圖八所示。這時(shí)若使用Moldex3D SYNC幾何優(yōu)化工具，即可快速指定變化的參數(shù)，并設(shè)置所有分析組別。最后也從中獲得一組優(yōu)化分析結(jié)果(圖九)，波前幾乎在末端重合，也因此改善了翹曲結(jié)果。

圖五 鏈接器案例及其剖面圖

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圖六 CAE仿真結(jié)果，顯示兩側(cè)流動(dòng)不平衡

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圖七 可能因流動(dòng)不平衡而造成的翹曲變形

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圖八 對(duì)幾何參數(shù)設(shè)置變化范圍并一次產(chǎn)生所有分析組別

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圖九 某一組分析結(jié)果，兩側(cè)波前幾乎在末端重合

從上述的例子可得知，可制造性(DFM)的靜態(tài)的規(guī)范檢查，無法百分之百反映動(dòng)態(tài)生產(chǎn)過程所造成的問題。CAE模流分析則可協(xié)助用戶彌補(bǔ)這一部分；而Moldex3D SYNC幾何優(yōu)化工具更可進(jìn)一步幫助使用者簡化分析所需的工作。若將模流分析提供的分析結(jié)果項(xiàng)目也視為產(chǎn)品可制造性的一環(huán)，結(jié)合CAD與CAE的優(yōu)點(diǎn)與功能，即可有效提升產(chǎn)品設(shè)計(jì)效率，縮短產(chǎn)品上市時(shí)間。

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