大綱

本研究利用Moldex3D對(duì)置物用之大型圓籃進(jìn)行優(yōu)化分析，旨在通過(guò)縮減產(chǎn)品厚度和優(yōu)化參數(shù)設(shè)計(jì)，來(lái)改善翹曲變形與體積收縮率。產(chǎn)品經(jīng)優(yōu)化設(shè)計(jì)后，肋厚尺寸從原本3mm降至2.5mm，翹曲變形量降低20%與體積縮收率減少7%，仍能承受35kg載重需求，成功實(shí)現(xiàn)優(yōu)化設(shè)計(jì)目標(biāo)。

挑戰(zhàn)

? 設(shè)計(jì)最薄肋片結(jié)構(gòu)，降低肋厚，同時(shí)解決體積收縮率與翹曲變形。

? 在維持與原產(chǎn)品相同重量荷載的前提下，節(jié)省射出成本與時(shí)間。

解決方案

虎尾科技大學(xué)團(tuán)隊(duì)使用Moldex3D專家模塊確定最佳解決方案，并結(jié)合Abaqus有限元素軟件仿真產(chǎn)品的承重能力，最后通過(guò)射出成型結(jié)果進(jìn)行相互驗(yàn)證。

效益

? 提高產(chǎn)品質(zhì)量，降低翹曲變形量及體積縮收率

? 符合荷載重量規(guī)格

? 降低生產(chǎn)成本及天數(shù)

案例研究

本案例首先將大型圓籃之肋厚尺寸從原始設(shè)計(jì)3mm縮減至優(yōu)化設(shè)計(jì)2.5mm (如圖一所示)，經(jīng)Abaqus結(jié)構(gòu)分析對(duì)大型圓籃內(nèi)部施加35kg分布力，原始設(shè)計(jì)的應(yīng)力為22.7 MPa，縮減后36.3MPa，皆未超過(guò)材料降伏應(yīng)力，確認(rèn)為安全設(shè)計(jì)，縮減后體積與質(zhì)量減少22.75%，圖二展示3mm及2.5mm肋厚Abaqus分析結(jié)果。

圖一 大型圓籃肋厚尺寸從原始設(shè)計(jì):3mm變更為優(yōu)化設(shè)計(jì):2.5mm

圖二 大型圓籃Abaqus應(yīng)力分析結(jié)果 (a) 肋厚3mm (b) 肋厚2.5mm

了進(jìn)一步降低翹曲變形并找出最佳成型參數(shù)，虎尾科技大學(xué)團(tuán)隊(duì)運(yùn)用Moldex3D專家模塊，以總位移及體積收縮率作為質(zhì)量因子，目標(biāo)為越小越好。選擇六個(gè)重要參數(shù)作為控制因子：塑料溫度(A)、模具溫度(B)、最大射出壓力(C)、最大保壓壓力(D)、冷卻時(shí)間(E)與保壓時(shí)間(F)對(duì)2.5mm肋厚的大型圓籃產(chǎn)品進(jìn)行分析，本次實(shí)驗(yàn)所選定之控制因子及水平帶入L18田口直交表(如表一所示)。

表一 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)（DOE）方法之L18田口直交表

分析結(jié)果顯示，控制因子影響程度依序?yàn)樗芰蠝囟取⒈簳r(shí)間、射出壓力、保壓壓力、冷卻時(shí)間、模具溫度，最佳參數(shù)如表二所示。

表二 優(yōu)化成型參數(shù)

采用優(yōu)化成型參數(shù)后，翹曲總位移最大值由8.063mm降至6.29mm，減少28.1%。而體積收縮率最大值則從10.557% 降至9.436%，減少了11.8% (如圖三所示)。

圖三 大型圓籃2.5mm肋厚設(shè)計(jì) (a)原始條件總位移 (b)優(yōu)化條件總位移 (c)原始條件體積收縮率 (d)優(yōu)化條件體積收縮率

本研究最后利用實(shí)際射出結(jié)果來(lái)驗(yàn)證分析準(zhǔn)確度，方法為使用卷尺量測(cè)5點(diǎn)對(duì)角紅點(diǎn)處，檢測(cè)產(chǎn)品翹曲總位移(如圖四所示)，共量測(cè)4組數(shù)據(jù)(如表三所示)。

圖四 實(shí)際射出件翹曲量測(cè)示意圖

仿真分析翹曲變形為6.29mm，產(chǎn)品尺寸寬為535mm，故射出后預(yù)測(cè)尺寸為528.71mm。表三實(shí)驗(yàn)量測(cè)數(shù)據(jù)平均為529.4mm，符合設(shè)計(jì)范圍528.71mm~535mm內(nèi)，證實(shí)本研究模擬分析結(jié)果準(zhǔn)確性極高。

表三 實(shí)際射出產(chǎn)品翹曲量測(cè)數(shù)據(jù)

結(jié)果

本研究利用Moldex3D模流分析軟件成功優(yōu)化大型圓籃設(shè)計(jì)，肋厚從3mm減至2.5mm，實(shí)現(xiàn)厚度縮減與參數(shù)優(yōu)化目標(biāo)。結(jié)果顯示，經(jīng)優(yōu)化設(shè)計(jì)之產(chǎn)品仍可承受35kg載重，體積與質(zhì)量減少22.75%，翹曲總位移減少28.1%，體積收縮率則減少11.8%。結(jié)合Abaqus有限元素分析與實(shí)際射出實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證結(jié)果符合設(shè)定標(biāo)準(zhǔn)，為兼顧輕量化和結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的設(shè)計(jì)提供了強(qiáng)力的支持與信心。