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一、前言

在進行產品設計的過程中, DFA ( Design for Assembly )的概念非常重要。在產品設計上,即使只是減少一個固定螺絲,或者是節省一個墊圈;在整條生產線上所節省下的組裝人力 / 組裝時間 / 組裝設備,可能是數以倍計!

DFA 的概念相當簡單,就是盡可能將組裝的特徵設計在單一成型產品上,以減少產品的零件數量。而射出成型製程的特性是能夠製造特徵複雜的產品。利用此概念,在產品設計的同時就加入了組裝的概念,能減少未來組裝線上組裝所花費的時間以及額外購買的設備。因此,利用塑膠材料作為複雜組裝機構就成了合理的解答。

然而,設計人員在進行組裝機構設計時,往往無法決定組裝件的位置要如何決定,最大的原因在於塑件在成型後往往會有些許的變形。為了這些變形量,設計人員可能需要設計較多的組裝機構以達到完美的組裝配合。

本文將以一個麥克風的上下蓋組立,說明設計人員如何利用 3D TIMON 進行分析判定,再根據 3D TIMON 的結果決定組裝機構是否合適。

二、產品說明

圖 1 、產品圖

圖 1 為本次案例中之樣品照片,兩個產品在組立後就成為一個話筒;材料採用 Dow ABS 350 。為了組裝上的考量,這兩個產品會以 1+1 模穴的設計進行模具製作,因此設計人員除了考慮在成型過程中可能的尺寸差異外,還要考慮成型後的變形量大小。而原本設計的組裝機構也可能因為變形而不太恰當,這些都希望利用 3D TIMON 在產品設計階段就先掌握可能發生的問題點。

三、充填分析及保壓分析
採用 1+1 模穴設計時,最擔心的就是兩個模穴的充填速度不一致。當兩個模穴的充填速度不一致時,兩個模穴在保壓後的體積收縮量將會有差異。而這將會造成兩個模穴產品的尺寸不容易控制。因此在進行模具設計時,首先要考慮的就是兩個模穴的充填平衡。

圖 2 、模穴配置與網格圖檔(四節點 Tetra Element )

圖 2 為原始設計之模穴配置。從模穴的單側以側澆口進澆,原本的設計中兩端的澆口尺寸相同,因此其充填模式會如圖 3 所示。

圖 3 (充填動畫)

除了兩端的充填不平衡外,由於產品肉厚的影響,上蓋的充填末端還會出現因為側邊肉厚較頂部肉厚大,由跑道效應( Race Tracking )造成的包風現象。圖 4~ 圖 7 為 3D 充填顯示之包風現象。

圖 4


圖5


圖 6


圖 7

由以上的結果,可以先進行下列設計修正:

模穴澆口的尺寸大小必須調整到兩個模穴能夠同時填滿。
在最後包風的位置安裝一頂針幫助排氣 。
根據上述兩個問題,可以先以 3D TIMON 測試不同的澆口尺寸對於流動的影響,再以模具設計解決排氣的問題。

圖 8 、調整澆口尺寸後之充填狀況(輸出秒數為 0.3~0.5 Sec )

圖 8 為調整澆口尺寸後之充填狀況,可以從分析結果中得知兩個模穴同時填滿。一旦模穴可以同時填滿,施加保壓壓力時就不用擔心一個模穴保壓不足,另一個模穴過保壓。
另外,排氣部分可在模具的相對位置安裝一頂針協助排氣,就可以順利解決排氣問題。

圖 9 、 以模具設計解決排氣問題

最後填滿位置如果位於分模面上,就不需要考慮排氣,直接以分模面排氣即可;但是如果是位於產品中間,就必須以排氣機構加以排氣。而最常用的就是頂針設計。
為了要確認現有的設計在成型後的變形會不會影響組裝,可以先以 3D TIMON 執行保壓分析以及翹曲變形分析後,輸出變形後的圖檔加以測試組裝時可能的影響,如此可以決定是否需要額外的機構協助組裝。
在開發階段,保壓條件的設定值要取多少往往會讓設計人員摸不著頭緒。在此 3D TIMON 建議先以充填結束瞬間的充填壓力 X 80% 作為保壓壓力,再設定『澆口固化』時間為保壓時間,這樣會與未來真實狀況比較接近。而要判斷澆口何時固化可以用『 Flow Layer Thickness 』流動層厚度加以判斷。一旦澆口附近的流動層厚度不再變化,就表示該時間點為保壓時間停止時,如圖 10 所示。

圖 10 、 保壓時間設定方式

四、變形分析及輸出

在執行保壓分析後,就可以執行翹曲變形分析。為了要得知變形後的兩個組件在組裝上是否需要額外的組裝機構,可以利用 3D TIMON 直接將變形後的圖檔輸出為 VRML 格式,再以其他的軟體(例如 UGS 的 UG NX 或者是 Materialise 的 Magic RP )進行 VRML 的圖檔組立。
圖 11 為組立後的結果,可以看到下蓋會往內側變形,而下蓋往內變形的趨勢並不會影響組裝(因為在產品的前緣還有一個機構),所以這樣的變形是允許的,不需要設計額外的螺柱或卡勾協助固定。

圖 11 、 以 VRML 格式的圖檔直接進行組立測試


圖 12 、 成品照片

圖 12 為成型後的成品。完整的開模前模擬,可以讓設計人員在模具製作時有相當的信心,也可以避免開模後浪費許多時間在修模試模上。 3D TIMON 的執行高效率以及操作便利性特別適合設計人員做事前的設計修正。

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