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研究生:張詠翔
研究生(外文):Yung-Hsiang Chang
論文名稱:PVT控制技術建置與應用於射出成型品質控制之研究
論文名稱(外文):Investigation on the establishment of PVT control method and its application to injection molded part quality
指導教授:陳夏宗陳夏宗引用關係
指導教授(外文):Shia-Chung Chen
學位類別:博士
校院名稱:中原大學
系所名稱:機械工程研究所
學門:工程學門
學類:機械工程學類
論文種類:學術論文
論文出版年:2017
畢業學年度:105
語文別:中文
論文頁數:166
中文關鍵詞:動態PVT品質控制射出成型品質控制紅外線溫度感測器射出成型穩定性
外文關鍵詞:Dynamic PVT control methodinjection molded part quality controlinjection molding stabilityinfrared temperature sensor
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壓力-比容-溫度(PVT)關係為高分子相當重要的特性,其隨著成型的溫度或壓力變動比容也會有所改變,尤其整個射出成型的週期中高分子熔膠之變化難以預測,導致產品品質與精度難以掌控。以往需靠有經驗的人工做參數調整,未有一科學化的調整基準,使得良率維持上相當困難,如何建立一成型技術以科學化的試模與成型穩定監控則是開發的重要關鍵。本研究以紅外線溫度感測器與壓力感測器建立模穴實際PVT歷程監測技術,針對射出成型過程做熔膠充填的數據監視。另一方面,透過此PVT數據做基礎參數於品質控制性研究,探討不同參數下PVT歷程與品質控制性的關係。最後則使用此技術討論不同控制法的品質控制與連續射出成型穩定性,以現有監測技術與本研究所建立之技術做品質重複精度討論。希望透過此監控技術達到品質控制之目的,同時也可改善連續生產之產品變異的問題。
研究結果顯示,PVT監測技術成功取得成型時的PVT歷程,且數據相當穩定。在基礎參數對品質控制性則說明了不同參數設定對於PVT歷程有不同影響,PVT歷程對產品品質也有直接相關。充填過程中會產生剪切熱並於PVT歷程中顯示,其不同溫度與充填時間將影響剪切升熱的程度。動態PVT品質控制法可有效改善產品品質結果,其產品精度可提升超過40%,其他品質也有不同程度的改善。最後在連續射出成型穩定性方面,PVT監控技術可有效提升品質精度,其重量重複精度提升54%、收縮重複精度提升23%、翹曲重複精度提升12%。此監控技術之應用可提供一科學化的參數調整依據,並且不僅可優化產品品質狀況更進一步的穩定連續射出成型之品質重複精度,對於傳統射出成型所面臨的問題提出一有效的解決方案。
PVT relation is one of important properties for polymer processing which is affected by temperature and pressure changes. Due to the unpredictable property, it is difficult to produce with constant quality during consecutive molding process. Traditionally, the qualities of injection molded part rely on experienced operator for adjusting molding parameters; however, those parameter modifying processes are without scientific theory and standard procedure. It becomes an essential research issue for now on. This study based on the PVT theory created a practical PVT monitoring technology by using infrared temperature sensor with pressure sensor set in the mold. With those two practical data, PVT course can be described. Consequently, PVT monitoring technology was utilized to investigate the influence of molding parameters to the controllability of product quality, optimizing product quality, and molding stability.
The result shows that the PVT curves are constant under consecutive molding cycle. PVT, at the same time, reveals that the influence between molding parameters and quality controllability. Specific volume is directly related to product quality such as shrinkage, weight, warpage, and tensile strength. Shear heating was observed by PVT curves under different temperature setting and filling times. On the other hand, four control methods for optimizing product qualities were investigated. Dynamic PVT control method can mold a part with smallest total shrinkage, heaviest weight, less warpage, and greater strength. For molding stability, PVT control method can constant molded quality not only on product weight but also on shrinkage and warpage. The method resulted in 54% shrinkage repeatability precision up to the traditional producing process, 23% in weight repeatability precision, and 12% in warpage repeatability.
目錄
中文摘要 I
Abstract II
致謝 IV
目錄 VI
圖目錄 XI
表目錄 XVI
第一章 緒論 1
1.1 背景 1
1.2 自動化智慧製造 3
1.2.1 工業4.0 3
1.2.2 物聯網(Internet of Things, IoT) 9
1.2.3 大數據 10
1.2.4 工業4.0於射出成型之發展 10
1.3 動機目的 11
1.4 本文架構 12
第二章 文獻回顧 14
2.1 PVT理論 14
2.1.1 傳統PVT測量方式 15
2.1.2 改良式PVT測量方式 15
2.1.3 線上PVT量測 17
2.2 射出成型品質管控 19
2.3 感測器應用射出成型控制 21
2.4 智能化射出成型技術與PVT品質控制技術 22
第三章 成型壓力-比容-溫度(PVT)理論與實驗方法 24
3.1 射出成型理論 24
3.1.1 射出成型 24
3.1.1.1 塑化 24
3.1.1.2 充填階段 25
3.1.1.3 保壓階段 25
3.1.1.4 冷卻階段 26
3.1.1.5 頂出階段 27
3.1.2 聚合物成型流動性質 28
3.1.3 聚合物剪切特性 28
3.1.4 射出成型流變理論 30
3.1.4.1 聚合物黏彈體特性 30
3.1.4.2 高分子加工之流變性能 30
3.1.5 高分子壓力-比容-溫度(PVT)理論 31
3.1.6 成型品質性質 38
3.1.6.1 收縮 38
3.1.6.2 翹曲 43
3.2 研究與量測方法 45
3.2.1 研究方法 45
3.2.2 量測方法 47
3.2.2.1 產品收縮率 48
3.2.2.2 翹曲 48
3.2.2.3 重量 50
3.2.2.4 拉伸強度 51
第四章 成型壓力-比容-溫度(PVT)監測技術建立 53
4.1 實驗設備 53
4.1.1 射出成型機 53
4.1.2 模具溫控機 54
4.1.3 塑膠材料 55
4.1.4 材料乾燥機 57
4.1.5 模具設計 58
4.1.6 溫度感測器 60
4.1.7 壓力感測器 64
4.2 PVT控制技術建立 65
4.2.1 溫度、壓力感測器設置 65
4.2.2 壓力、溫度資料校正 68
4.2.2.1 壓力與溫度資料校正 68
4.2.2.2 壓力與溫度資料擷取速度校正 70
4.2.3 實際PVT圖 70
第五章 基礎成型參數於PVT與品質控制性之探討 71
5.1 成型參數設定 71
5.2 基礎參數於PVT關係圖結果與討論 73
5.2.1 成型溫度、壓力與PVT關係圖分析 73
5.2.2 熔膠溫度對溫度、壓力、PVT歷程圖之影響 75
5.2.3 模具溫度對溫度、壓力、PVT歷程圖之影響 78
5.2.4 充填時間對溫度、壓力、PVT歷程圖之影響 82
5.2.5 保壓壓力對溫度、壓力、PVT歷程圖之影響 85
5.2.6 保壓時間對溫度、壓力、PVT歷程圖之影響 89
5.2.7 冷卻時間對溫度、壓力、PVT歷程圖之影響 92
5.3 PVT關係圖對於產品品質結果與討論 97
5.3.1 PVT歷程圖與產品品質之分析 97
5.3.2 熔膠溫度之PVT歷程對產品品質探討 98
5.3.3 模具溫度之PVT歷程對產品品質探討 100
5.3.4 充填時間之PVT歷程對產品品質探討 102
5.3.5 保壓壓力之PVT歷程對產品品質探討 103
5.3.6 保壓時間之PVT歷程對產品品質探討 105
5.3.7 冷卻時間之PVT歷程對產品品質探討 107
5.4 結論 109
第六章 PVT品質控制法於射出成型品質與穩定性探討 111
6.1 成型品質控制探討 111
6.1.1 成型參數設定分析 111
6.1.1.1 多段保壓時間分析 112
6.1.1.2 多段保壓段數分析 114
6.1.2 品質控制參數設計 116
6.1.3 品質控制法結果探討 118
6.1.3.1 品質控制法-O1 118
6.1.3.2 品質控制法-設計一 119
6.1.3.3 品質控制法-設計二 120
6.1.3.4 品質控制法-設計三 122
6.1.4 綜合品質討論 123
6.1.5 結論 127
6.2 射出成型穩定性探討 128
6.2.1 射出成型穩定性參數設定 128
6.2.2 射出成型穩定性結果探討 129
6.2.3 結論 134
第七章 結論與未來規劃 135
7.1 結論 135
7.2 未來規劃 137
參考文獻 139
作者簡歷 145
圖目錄
圖1-1 德國「工業 4.0」之特徵與先前工業世代之內涵比較 4
圖1-2 工業4.0應用項目 8
圖1-3 即將邁向工業4.0之受訪者調查 9
圖1-4 調查企業於工業4.0化之進度調查 9
圖2-1 (a)柱塞法設備示意圖 (b)限制流體法設備示意圖 14
圖2-2 可變料管之PVT量測儀器 16
圖2-3 非結晶與半結晶材料之不同冷卻效率的PVT數據 16
圖2-4 微電腦射出機控制系統架構圖 17
圖2-5 發泡擠出PVT測試設備架構圖 18
圖2-6 特殊之PVT測量模具示意圖 18
圖2-7 成型過程中的PVT變化 19
圖2-8 P-t與P-T控制於產品精度提升數據 21
圖3-1 射出成型機示意圖 24
圖3-2 射出成型製程循環圖 27
圖3-3 聚合物熔膠黏度的定義 29
圖3-4 高分子黏彈體示意圖[62] 30
圖3-5 Lexan 121之PC塑膠固態軸向與徑向熱膨脹關聯圖[63] 32
圖3-6 Noryl GTX半結晶材料之熱膨脹關聯圖[63] 32
圖3-7 單一壓力之非結晶材料PVT示意圖[63] 33
圖3-8 不同溫度、壓力下之比容變化圖(LEXAN 121R, PC) [63] 34
圖3-9 半結晶材料之PVT玻璃轉化溫度與融化溫度示意圖[63] 34
圖3-10 經DSC測量之快速冷卻下結晶溫度改變之PVT圖[63] 36
圖3-11 射出成型曲線於PVT圖之示意圖[63] 37
圖3-12 高分子聚合物收縮描述 39
圖3-13 收縮不均產生的翹曲PVT示意圖[63] 44
圖3-14 研究架構圖 47
圖3-15 產品收縮量測基準點 48
圖3-16 力丞2.5D量測儀 50
圖3-17 翹曲量測基準點 50
圖3-18 AG204重量儀 51
圖3-19 MTS Criterion Model 43 萬用試驗機 52
圖4-1 Sodick HSP 100EH2 油電混合式射出成型機 53
圖4-2 百陽 BYW-1220FS水溫式模具溫控機 54
圖4-3 奇美PA-756 ABS塑料PVT圖 56
圖4-4 奇美PA-756 ABS塑料黏度圖 56
圖4-5 晏邦 THD-25 材料乾燥機 58
圖4-6 產品幾何設計 58
圖4-7公模仁示意圖 59
圖4-8 產品t=2之模具側視圖 59
圖4-9 公、母模側之模具上視圖 60
圖4-10 Futaba模內溫度測量系統溫度感測器 61
圖4-11 Futaba模內溫度測量系統中繼線 62
圖4-12 Futaba模內溫度測量系統放大器 63
圖4-13 進接開關觸發器 64
圖4-14 PRIAMUS壓力感測器 65
圖4-15 PRIAMUS eDAQ訊號擷取器 65
圖4-16 PVT控制技術架構圖 66
圖4-17 壓力感測器訊號擷取架構圖 67
圖4-18 研華訊號擷取卡 PCI-1716 68
圖4-19 溫度感測器訊號擷取架構圖 68
圖5-1 穩定射出成型壓力堆疊圖 73
圖5-2 射出成型過程之NG段溫度、壓力、PVT歷程圖 74
圖5-3 不同熔膠溫度之NG段實際壓力與溫度歷程圖 75
圖5-4充填剪切生熱於不同熔膠溫度NG段之實際溫度歷程圖 76
圖5-5 不同熔膠溫度之NG段成型PVT關係圖 76
圖5-6 不同熔膠溫度之產品重量 77
圖5-7 不同熔膠溫度之產品整體收縮率 78
圖5-8不同模具溫度之NG段實際壓力與溫度歷程圖 78
圖5-9不同模具溫度之三區實際成型壓力歷程圖 79
圖5-10不同模具溫度之三區實際成型溫度歷程圖 80
圖5-11不同模具溫度之成型PVT關係圖 80
圖5-12不同模具溫度之產品重量 81
圖5-13不同模具溫度之產品重量 81
圖5-14不同充填時間之NG段實際壓力與溫度歷程 82
圖5-15 不同充填時間之充填階段成型壓力 82
圖5-16 不同充填時間之NG段剪切熱差異圖 83
圖5-17 不同充填時間之NG段成型PVT關係圖 84
圖5-18 不同充填時間之產品重量 85
圖5-19 不同充填時間之產品整體收縮率 85
圖5-20不同保壓壓力之NG段實際壓力與溫度歷程 86
圖5-21不同保壓壓力之NG段成型PVT關係圖 87
圖5-22 不同保壓壓力之產品重量 88
圖5-23不同保壓壓力之整體收縮率 88
圖5-24不同保壓時間之NG段實際壓力與溫度歷程 89
圖5-25不同保壓時間之NG段成型PVT關係圖 91
圖5-26不同保壓時間之產品重量 91
圖5-27不同保壓時間之整體收縮率 92
圖5-28不同冷卻時間之NG段實際壓力與溫度歷程圖 92
圖5-29 不同冷卻時間之NG段成型PVT關係圖 94
圖5-30不同冷卻時間之產品重量 94
圖5-31不同冷卻時間之產品重量 95
圖5-32不同冷卻時間之三段收縮率 96
圖5-33不同冷卻時間之三段成型PVT關係圖 96
圖5-34射出成型過程之三段PVT歷程圖 97
圖5-35 不同熔膠溫度之三段PVT歷程圖 98
圖5-36 不同熔膠溫度之翹曲結果 99
圖5-37不同模具溫度之三段PVT歷程圖 100
圖5-38不同模具溫度之翹曲結果 101
圖5-39不同充填時間之三段PVT歷程圖 102
圖5-40不同充填時間之翹曲結果 103
圖5-41不同保壓壓力之三段PVT歷程圖 104
圖5-42不同保壓壓力之翹曲結果 104
圖5-43不同保壓時間之三段PVT歷程圖 106
圖5-44不同保壓時間之翹曲結果 106
圖5-45不同冷卻時間之三段PVT歷程圖 108
圖5-46不同冷卻時間之翹曲結果 108
圖6-1 保壓時間延遲1.5s之PVT歷程圖 113
圖6-2 保壓時間延遲2.5s之PVT歷程圖 113
圖6-3保壓時間延遲4.4s之PVT歷程圖 114
圖6-4 多段保壓設定之第一段保壓壓力PVT歷程圖 115
圖6-5多段保壓設定之第二段保壓壓力PVT歷程圖 115
圖6-6多段保壓設定之第三段保壓壓力PVT歷程圖 116
圖6-7 品質控制參數設計示意圖(a)O1 (b)設計一 (c)設計二 (d)設計三 118
圖6-8 初始品質控制PVT歷程圖 119
圖6-9 設計一品質控制PVT歷程圖 120
圖6-10 設計二品質控制PVT歷程圖 121
圖6-11 設計三品質控制PVT歷程圖 123
圖6-12 不同品質控制法之重量結果 124
圖6-13 不同品質控制法之整體收縮結果 125
圖6-14 不同品質控制法之三段收縮結果 125
圖6-15 不同品質控制法之三段拉伸強度結果 126
圖6-16 不同品質控制法之翹曲結果 126
圖6-17 連續射出成型之模具溫度變化 129
圖6-18 連續射出成型之壓力積分值變化 130
圖6-19 無控制之連續射出成型PVT變化 130
圖6-20 連續射出成型之重量變化 131
圖6-21連續射出成型之收縮變化 132
圖6-22連續射出成型之出口比容值差異度變化 132
圖6-23連續射出成型之翹曲變化 133
圖6-24 PVT控制之連續射出成型PVT變化 133
表目錄
表1-1 各國產業發展計畫表 5
表1-2 英國製造業的未來發展五大策略主軸 6
表1-3 英國技術策略委員會提出高值製造相關22項潛力技術 7
表3-1 傳統材料收縮率 42
表3-2 力丞2.5D量測儀之規格表 49
表4-1 射出成型機規格表 54
表4-2 模具溫控機規格表 55
表4-3 奇美PA-756 ABS 材料性質表 57
表4-4 流道、澆口尺寸設計 60
表4-5 Futaba模內溫度測量系統感測器規格 61
表4-6 Futaba模內溫度測量系統中繼線規格 62
表4-7 Futaba模內溫度測量系統放大器規格表 63
表5-1 實驗成型參數表 72
表5-2不同充填時間於冷卻階段完成之比容數據 83
表5-3 不同冷卻時間於E點冷卻階段完成之溫度數據 93
表5-4 不同冷卻時間之NG段出口比容值 93
表5-5不同冷卻時間之三段冷卻階段結束溫度、比容、收縮率統整表 95
表5-6 不同熔膠溫度之三段比容、差異度、收縮率、翹曲數據 100
表5-7 不同模具溫度之三段比容、差異度、收縮率、翹曲數據 101
表5-8 不同充填時間之三段比容、差異度、收縮率、翹曲數據 103
表5-9 不同保壓壓力之三段比容、差異度、收縮率、翹曲數據 105
表5-10 不同保壓時間之三段比容、差異度、收縮率、翹曲數據 107
表5-11 不同冷卻時間之三段比容、差異度、收縮率、翹曲數據 109
表6-1 以PVT歷程做產品品質控制之參數表 112
表6-2 不同品質控制法之參數表 117
表6-3 初始品質控制比容、收縮、差異度統整表 119
表6-4 設計一品質控制比容、收縮、差異度統整表 120
表6-5 設計二品質控制比容、收縮、差異度統整表 122
表6-6 設計三品質控制比容、收縮、差異度統整表 123
表6-7 不同品質控制綜合效益統表 127
表6-8 不同品質控制綜合效益統表 134
參考文獻
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