TWI711525B

TWI711525B - 射出成型機之成品品質線上即時監測與調控方法

Info

Publication number: TWI711525B
Application number: TW108117757A
Authority: TW
Inventors: 陳建羽; 粘世智; 黃明賢; 劉駿穎
Original assignee: 國立高雄科技大學
Priority date: 2019-05-22
Filing date: 2019-05-22
Publication date: 2020-12-01
Also published as: TW202043002A

Abstract

一種射出成型機之成品品質線上即時監測與調控方法，包含一安裝步驟、一量測步驟、一判斷步驟、一設定步驟，及一調整步驟。該安裝步驟是設置至少一個應變感測器於任一機台大柱或後方的曲肘機構上。該量測步驟是以該應變感測器量測該機台大柱或曲肘機構的鎖模力，並獲得一鎖模力監測曲線。該判斷步驟是由該鎖模力監測曲線判斷是否產生鎖模力增量，由該鎖模力增量峰值即時判斷成品之品質，其中，該鎖模力增量峰值與該成品之品質成正相關。該設定步驟是依據該鎖模力增量峰值設定一良品區間值。該調整步驟是當該鎖模力增量峰值超出該良品區間值，立即改變射出成型之製程參數，使該鎖模力增量峰值回到該良品區間值內。

Description

射出成型機之成品品質線上即時監測與調控方法

本發明是有關於一種品質線上即時監測與調控方法，特別是指一種射出成型機之成品品質線上即時監測與調控方法。

射出成型技術發展迄今已超過百年歷史，由於射出成型具備高效率、高精度及生產複雜幾何外型產品之優異成型性質，而高分子材料具備質輕、優異機械性質、抗化學性質、可回收性及易成型加工等特點，因此日常生活周遭有許多塑膠產品應用射出成型技術進行量產，如：日常生活塑膠收納盒、塑膠玩具、電子用品外殼、光學鏡片、運動用品、汽機車零組件及生醫用品等。由於智慧製造之先進生產需求，如何使傳統射出成型製程結合自動化生產設備及智慧品質監測設備，使生產過程更趨於智慧化並提升生產產品品質穩定性及生產良率在現今射出成型產業是個挑戰。

基本的射出成型週期以機台作動依序為:模具閉合、射座前進、熔膠射出充填、壓縮與保壓、冷卻與計量、射座後退、開模頂出等。以傳統對射出成型品質認知認為精準的機械控制即可獲得穩定的成型品質，但實際而言，高分子熔膠之微觀組成結構為大量分子鏈所構成，因此熔膠本質易受外在許多因素影響，如：塑化參數、塑料品質、機器運作穩定性等皆會造成熔膠品質發生變異，導致成型品質不穩定，故即便再精準的機械控制，也無法保證能有效克服不同批次的原料性質差異與外在因素導致的熔膠品質變異對成型品質影響性。

以往對於成型品品質的量測都是花費大量的人力與時間亦或是應用昂貴的自動化檢測設備對射出成型品品質進行量測，且傳統上對射出成型歷程可視為一黑箱狀態，因此在射出成型過程中，高分子熔膠如何流動並充填模穴甚難預測以外，對射出成型品質更難以進行線上監控。近年來，隨著智慧製造蔚為風潮，在射出成型過程中透過射出成型系統、模具及生產周邊設備安裝感測器以收集重要生產歷程資訊，並應用數據計算與分析以達到機台運行狀態與成型品質監測之目的，除可擺脫射出成型為一黑箱之窘境外，對相關感測資訊更可進一步進行統計分析以解析相關射出成型感測物理訊息與成型品質相關性以達到成型品質預測目的。

因此，本發明之目的，即在提供一種射出成型機之成品品質線上即時監測與調控方法。

本發明射出成型機之成品品質線上即時監測與調控方法，該射出成型機包括複數間隔設置的機台大柱、一固設於所述機台大柱一端的固定模板、一伸置於該固定模板內且用以填裝塑料之料管、一用以擠壓該料管內之塑料的螺桿，一能沿所述機台大柱滑移而相對於該固定模板接合與分離的移動模板，及一能提供該移動模板運動的曲肘機構，該成品品質即時監測與調控方法包含以下步驟：一安裝步驟、一量測步驟、一判斷步驟、一設定步驟，及一調整步驟。

該安裝步驟是設置至少一個應變感測器於任一機台大柱上。該量測步驟是以該應變感測器量測該機台大柱或該曲肘機構的應變量，並經由虎克定律換算以獲得一鎖模力監測曲線。該判斷步驟是由該鎖模力監測曲線判斷是否產生鎖模力增量，由該鎖模力增量峰值即時判斷成品之品質，其中，該鎖模力增量峰值與該成品之品質成正相關，而該成品之品質係指該成品之重量。該設定步驟是依據該鎖模力增量峰值設定一良品區間值。該調整步驟是當該鎖模力增量峰值超出該良品區間值，立即改變射出成型之製程參數，使該鎖模力增量峰值回到該良品區間值內。

本發明的另一技術手段，是在於該設定步驟中，該良品區間值是以鎖模力增量峰值標準差進行設定。

本發明的另一技術手段，是在於該設定步驟中，該良品區間值是鎖模力增量峰值之至少2倍標準差的範圍內。

本發明的另一技術手段，是在於該調整步驟中，射出成型之製程參數是由射出速度、螺桿射切保位置，及保壓壓力選擇至少一種。

本發明的另一技術手段，是在於該調整步驟是調整螺桿射切保位置，使該鎖模力增量峰值回到該良品區間值內。

本發明之有益功效在於，利用設置於該機台大柱上或該曲肘機構的應變感測器所偵測到的鎖模力增量值，來設定一良品區間值作為射出成品品質監測指標，並可即時發現射出成品之品質異常而自動調整製程參數，使成品品質回到良品範圍內。

有關本發明之相關申請專利特色與技術內容，在以下配合參考圖式之較佳實施例的詳細說明中，將可清楚的呈現。在進行詳細說明前應注意的是，類似的元件是以相同的編號來作表示。

本發明射出成型機之成品品質線上即時監測與調控方法的較佳實施例，是應用於曲肘式的射出成型機，如圖1所示，該射出成型機包括複數間隔設置的機台大柱11、一固設於所述機台大柱11一端的固定模板12、一伸置於該固定模板12內且用以填裝塑料之料管13、一位於料管13前方之射嘴14、一用以擠壓該料管13內之塑料的螺桿15、一能沿所述機台大柱11滑移而相對於該固定模板12接合與分離的移動模板16，及一可提供該移動模板16運動之曲肘機構17。

該成品品質線上即時監測與調控方法包含一安裝步驟、一量測步驟、一判斷步驟、一設定步驟，及一調整步驟。該安裝步驟是設置至少一個應變感測器2於任一機台大柱11或該曲肘機構17上。於本實施例中，是在所有的機台大柱11上各安裝有一應變感測器2，且每一應變感測器2的安裝位置，是距離該固定模板12大約1.5倍以上機台大柱11之直徑的位置。

該量測步驟是以該應變感測器2量測該機台大柱11或該曲肘機構17的應變量，並經由虎克定律換算獲得該鎖模力及一鎖模力監測曲線。該判斷步驟是由該鎖模力監測曲線判斷是否產生鎖模力增量，由該鎖模力增量值即時判斷成品之品質，其中，該鎖模力增量值與該成品之品質成正相關。

更詳細地說，鎖模力在射出成型過程必須抵抗熔膠於充填、壓縮及保壓等三階段對於模穴所施加作用力，以避免模穴因熔膠充填壓力過大導致撐模致使模面分離，在射出成型製程之鎖模力設定相對反應在模具之狀態，可大致區分為三種情況；(1)鎖模力設定為機台上限最大值，鎖模力遠大於射出壓力與模內壓力，模具未撐模、未溢料；(2)設定適當鎖模力大小，鎖模力足夠抵抗射出壓力與模內壓力，模具些微撐模、未溢料；(3)鎖模力設定過低，鎖模力不足以抵抗射出壓力與模內壓力，模具嚴重撐模、嚴重溢料。

以往為避免模具撐模而將鎖模力設定為機台上限最大值，但如此作法雖可確保鎖模力足夠抵抗模內壓力，但可能導致排氣不良、短射、燒焦及黑痕，且容易造成哥林多柱疲勞破壞，嚴重更可能導致其斷裂。而鎖模力設定過低並不足以抵抗模內壓力，因此產生撐模量過大且造成熔膠溢出並產生毛邉，且對模具壽命亦有不良影響。因此，設定適當鎖模力可確保射出成型機與模具壽命，更可維持射出成型品質穩定性與良率。

在射出及保壓階段，熔膠以高溫高壓方式充填模穴，當熔膠充滿模穴隨即產生壓縮現象致使模穴壓力達到最大值，當模穴壓力大於鎖模力時會使模具短暫被撐開，稱之為撐模效應，當此現象發生時會反應在射出成型機之四根大柱（哥林多柱）導致其短暫被拉伸並產生微小延伸量，即為鎖模力增量，而當熔膠品質變異導致成品品質發生變化時，預期可透過撐模效應的程度（即鎖模力增量）反應成品品質重量變化。

近年來隨著感測技術發展漸趨成熟，透過模穴壓力感測器可感知塑膠在模具內部流動情形，但模穴壓力感射器昂貴，一副模具需建置2~4組模穴壓力感測器，同時需對模具內部進行加工造成模具壽命降低。有鑑於此，本發明擬建置以大柱延伸量（即鎖模力增量）為基礎，發展射出成型品質監測方法，以降低對模穴壓力感測器之使用。要特別說明的是，關於熔膠在射出成型過程中的各種參數（例如：壓力峰值指標、黏度品質指標及能量指標之定義），以及本發明所使用之射出成型機之機台基本規格，已揭露於發明人先前所提出之第107133053號專利申請案中，於此不再贅述。

本發明透過改變射出速度、螺桿射切保位置，及保壓壓力觀察射出參數對模穴壓力與鎖模力增量的影響。由以下表一可以發現螺桿射切保位置與成品重量、鎖模力增量呈現強相關，成品重量亦與鎖模力增量呈現強相關，因此可透過改變螺桿射切保位置而改變成品重量與鎖模力增量峰值，本發明將成品重量為判斷良品的依據，並預期透過修改螺桿射切保位置改變成品重量，進而尋找適當射切保時機。

射切保螺桿位置(mm)	成品重量(g)	鎖模力增量峰值(kN)
14	4.8357	0.8243
14.1	4.8369	0.8118
14.2	4.8299	0.8310
14.3	4.8272	0.8170
14.4	4.8244	0.7797
14.5	4.8182	0.7867
14.6	4.8119	0.7601
14.7	4.8020	0.7121
14.8	4.7877	0.6642
14.9	4.7687	0.6414
15	4.7335	0.6296
射切保螺桿位置與成品重量相關性分析(%)	射切保螺桿位置與鎖模力增量峰值相關性分析(%)	成品重量與鎖模力增量峰值相關性分析(%)
-91.1	-94.6	94.0

表一螺桿射切保位置對成品重量與鎖模力增量相關性分析

首先說明本發明如何尋找適當的螺桿射切保位置，也就是成品品質屬於良品的螺桿射切保位置。本發明是以成品重量作為良品的標準，故以成品重量為回饋尋找適當螺桿射切保位置的切換點。如圖2所示，為適當射切保時機切換法則流程圖，先輸入良品重量與允許重量誤差並成型一模次，判斷該模次的成品重量是否超出良品允許重量誤差。若是，則依據成品重量調整螺桿位置，重量過重則射切保位置往後調整，重量過輕則反之。調整完成後再成型一模次，判斷成品是否超過良品允許重量誤差。若是，則透過線性回歸方法對螺桿位置進行回饋控制，直到成品重量在良品允許重量誤差內。

以下以實際案例說明如何尋找適當射切保位置：本實施例之初始成品成型重量為4.8637g ，目標良品重量定為4.8700 g ± 0.0025 g，並以不同的成型參數設定對適當射切保時機法則與程式進行測試，共四組不同射出成型參數設定如以下表二以及圖式簡單說明中所示，測試尋找適當射切保時機程式。

Fixed parameters
Feeding stroke (mm)	35	Holding time (s)	8
Barrel temp. (℃)	210	Cooling time (s)	15
Screw rotational speed (rpm)	100	Mold temp. (℃)	60
Injection press. (MPa)	150	Clamping force (kN)	650
Varying parameter
Injection speed (mm/s)	60, 80, 60, 60
V/P switchover (mm)	7, 7, 8, 7
Holding press. (MPa)	100, 100, 100, 120

表二參數設定，包含固定參數與四組變異參數

其中，除了固定參數(Fixed parameters)皆相同外，變異參數(Varying parameters)是分別改變射速(Injection speed)、螺桿射切保位置(V/P switch)、及保壓壓力(Holding pressure)。如圖3至圖6所示，透過以下四組變異參數的實驗所產生之結果，可證明尋找適當射切保程式可在修改5次螺桿位置內使成品重量達到目標良品重量。

由以上內容可以證明，成品品質（成品的重量）確實與鎖模力增量峰值呈現強相關。據此，可以直接監測鎖模力增量峰值的變化，進行成品品質的即時監控，並藉由調整螺桿射切保位置來將成品品質維持在良品的區間內。另外要說明的是，成品品質也可以是透過量測其幾何尺寸來進行判斷。

因此，本發明之該設定步驟是依據該鎖模力增量峰值設定一良品區間值。於本實施例中，該良品區間值是以鎖模力增量峰值標準差進行設定。更詳細地說，本實施例之該良品區間值是鎖模力增量峰值之至少2倍標準差的範圍內。而該調整步驟是當該鎖模力增量峰值超出該良品區間值，立即改變射出成型之製程參數，使該鎖模力增量峰值回到該良品區間值內。於本實施例中，該調整步驟是調整螺桿射切保位置，使該鎖模力增量峰值回到該良品區間值內。

以下以實際案例說明如何進行該調整步驟：本實施例以改變料溫為擾動條件，1-50模次為210℃、51-110模次為215℃，共4組不同良品區間值控制法則實驗，預期將成品重量控制在良品重量 ± 0.005 g。主要透過修改成品品質監控程式良品區間值，尋找最佳控制法則。要說明的是，良品區間值以穩定生產良品後之鎖模力增量峰值標準差為基礎發展，如圖7的常態分佈圖所示，在距平均值一個標準差（±1s）之內的數值範圍，在常態分布中此範圍所占比率為整體的68%；兩個標準差（±2s）以內比率為95%；三個標準差（±3s）以內比率為99.7%，透過設定不同的標準差為良品區值觀察對控制成品重量之影響，4組控制法則的設定條件如下： (1) 無良品區值； (2) 以2倍標準差為良品區值，調整螺桿位置0.2 mm至1個標準差內； (3) 以2倍標準差為良品區值，調整螺桿位置0.1 mm至1個標準差內； (4) 以3倍標準差為良品區值，調整螺桿位置0.2 mm至2個標準差內。

參閱圖8至圖11，為分別對應以上四組控制法則的試驗結果。上述圖式中，兩條虛線之間的區域為以鎖模力增量峰值的良品區間值，底面灰階的部分則是對應到成品重量的良品區域。由其結果來看，如圖9及圖11所示，以第(2)組及第(4)組控制法則的條件，相較於其他兩組的條件，當鎖模力增量峰值超出良品區間值時，可以經由該調整步驟來調整螺桿的位置，使該鎖模力增量峰值較快的回到該良品區間值內，同時亦使成品重量重新回到良品區域中，並且使鎖模力增量峰值較為穩定，連帶地使成品重量也較為穩定地維持在良品區域中。

綜上所述，由於鎖模力增量特徵發展趨勢與成品重量品質變化相同，故本發明利用設置於該機台大柱或該曲肘機構上的應變感測器，可直接偵測鎖模力增量峰值進行線上射出成品品質監控，同時，在監測到鎖模力增量峰值異常時，直接利用改變螺桿射切保位置的方式進行即時調整，不需要停止產線才能調整，在不中斷生產流程的情形下使成品品質可以維持在良品的範圍內，確實可以達成本發明之目的。

惟以上所述者，僅為本發明之較佳實施例而已，當不能以此限定本發明實施之範圍，即大凡依本發明申請專利範圍及發明說明內容所作之簡單的等效變化與修飾，皆仍屬本發明專利涵蓋之範圍內。

11 機台大柱 12 固定模板 13 料管 14 射嘴 15 螺桿 16 移動模板 17 曲肘機構 2 應變感測器

圖1是一示意圖，說明本發明射出成型機之成品品質線上即時監測與調控方法的一較佳實施例中，一曲肘式射出成型機的局部結構；圖2是一流程圖，說明本較佳實施例中，適當射切保時機切換法則流程；圖3是一曲線圖，說明第1組尋找適當射切保程式實驗結果，其中，變異係數為60mm/s，7mm，100MPa；圖4是一曲線圖，說明第2組尋找適當射切保程式實驗結果，其中，變異係數為80mm/s，7mm，100MPa；圖5是一曲線圖，說明第3組尋找適當射切保程式實驗結果，其中，變異係數為60mm/s，8mm，100MPa；圖6是一曲線圖，說明第4組尋找適當射切保程式實驗結果，其中，變異係數為60mm/s，7mm，120MPa；圖7是一示意圖，說明常態分佈的態樣；圖8是一曲線圖，說明設定不同的標準差為良品區值觀察對控制成品重量之影響，設定條件為無良品區值；圖9是一曲線圖，說明設定不同的標準差為良品區值觀察對控制成品重量之影響，設定條件為以2倍標準差為良品區值，調整螺桿位置0.2 mm至1個標準差內；圖10是一曲線圖，說明設定不同的標準差為良品區值觀察對控制成品重量之影響，設定條件為以2倍標準差為良品區值，調整螺桿位置0.1 mm至1個標準差內；及圖11是一曲線圖，說明設定不同的標準差為良品區值觀察對控制成品重量之影響，設定條件為以3倍標準差為良品區值，調整螺桿位置0.2 mm至2個標準差內。

11 機台大柱 12 固定模板 13 料管 14 射嘴 15 螺桿 16 移動模板 2 應變感測器 17 曲肘機構

Claims

一種射出成型機之成品品質線上即時監測與調控方法，該射出成型機包括複數間隔設置的機台大柱、一固設於所述機台大柱一端的固定模板、一伸置於該固定模板內且用以填裝塑料之料管、一用以擠壓該料管內之塑料的螺桿、一能沿所述機台大柱滑移而相對於該固定模板接合與分離的移動模板，及一可提供該移動模板運動之曲肘機構，該成品品質即時監測與調控方法包含以下步驟：一安裝步驟，設置至少一個應變感測器於任一機台大柱或該曲肘機構上；一量測步驟，以該應變感測器量測該機台大柱或該曲肘機構的應變量，並經由虎克定律換算以獲得一鎖模力及鎖模力監測曲線；一判斷步驟，由該鎖模力監測曲線判斷是否產生鎖模力增量，由該鎖模力增量峰值即時判斷成品之品質，其中，該鎖模力增量峰值與該成品之品質成正相關，而該成品之品質係指該成品之重量；一設定步驟，依據該鎖模力增量峰值設定一良品區間值，其中，該良品區間值是鎖模力增量峰值之至少2倍標準差的範圍內；及一調整步驟，當該鎖模力增量峰值超出該良品區間值，立即改變射出成型之製程參數，使該鎖模力增量峰值回到該良品區間值內。
依據申請專利範圍第1項所述射出成型機之成品品質線上即時監測與調控方法，其中，於該調整步驟中，射出成型之製程參數是由射出速度、螺桿射切保位置，及保壓壓力選擇至少一種。
依據申請專利範圍第2項所述射出成型機之成品品質線上即時監測與調控方法，其中，該調整步驟是調整螺桿射切保位置，使該鎖模力增量峰值回到該良品區間值內。