การใช้ประโยชน์จาก Moldex3D มาพัฒนานวัตกรรมและสามารถนำมาวิเคราะห์การฉีดขี้ผึ้งโดยใช้แก๊สช่วย (Gas-Assisted Wax Injection)

Customer Profile

 

ลูกค้า: Chung Yuan University Mold Automation Education Resource Center (MAERC) ประเทศ: ไต้หวัน อุตสาหกรรม: การศึกษาและวิจัย วิธีการ: Moldex3D Advanced & Gas-Assisted Injection Molding

 

MAERC (Mold Automation Education Resource Center)  หรือศูนย์ทรัพยากรการศึกษาด้านแม่พิมพ์ แห่งมหาวิทยาลัย Chung Yuan เป็นหน่วยงานที่ริเริ่มโดยกระทรวงศึกษาธิการแห่งรัฐบาลไต้หวัน เมื่อปี 2001 ภายใต้โปรแกรมสนับสนุนการศึกษาเมคคาทรอนิกส์ (the Precision Mechatronics Education Promotion Program) โดย MAERC มีเป้าหมายคือรวมการศึกษาและทรัพยากรวิจัยด้านแม่พิมพ์และชิ้นงานที่สัมพันธ์กับเทคโนโลยีระหว่างองค์กรต่างๆ โดยมีภาคอุตสาหกรรมเป็นฐานสนับสนุนการวิจัยและฝึกอบรม, ส่งเสริมการเชื่อมโยงเทคโนโลยีนานาชาติด้านแม่พิมพ์ และให้ความร่วมมือด้านการฝึกอบรมต่าง ๆ, เยี่ยมชมแลกเปลี่ยนหรือทำงานวิจัยร่วมกัน, จัดตั้งศูนย์การเรียนรู้แบบ e-learning, และสนับสนุนความร่วมมือทางอุตสาหกรรม 

 

สรุป

Gas-Assisted Injection Molding (GAIM) หรือการใช้แก๊สมาช่วยกระบวนการฉีดขึ้นรูป ได้ถูกนำมาประยุกต์ใช้ในอุตสาหกรรมการผลิตชิ้นงานพลาสติก ตั้งแต่ชิ้นส่วนที่มีขนาดใหญ่อย่างเครื่องบินจนถึงชิ้นส่วนขนาดเล็ก, ผลิตภัณฑ์ที่ใช้ทั่วไป ซึ่งเทคนิคนี้ช่วยลดน้ำหนัก,วัสดุ และต้นทุนการผลิต อีกทั้งเพิ่มคุณภาพและประสิทธิภาพการผลิต ในการศึกษานี้, MAERC แห่งมหาวิทยาลัย Chung Yuan ได้มุ่งเน้นไปที่การทดสอบความเป็นไปได้ของการใช้แก๊สมาช่วยกระบวนการฉีดขึ้นรูป (GAIM) ในขั้นเริ่มต้นของการลงทุนในกระบวนการหล่อขึ้นรูป, โดยเฉพาะชิ้นงานที่มีความหนาหลายขนาด ซึ่งจะต้องพัฒนาและควบคุมความหนา ดังนั้น, MAERC  จึงนำเทคโนโลยี Moldex3D’s simulation technology มาช่วยให้เห็นภาพของกระบวนการฉีดขึ้นรูปแบบ wax injection ด้วยเทคนิค GAIM  ทั้งนี้การวิเคราะห์ด้วย Moldex3D’s analyses ช่วยให้  MAERC สามารถวิเคราะห์การฉีดขึ้นรูปแบบใช้แก๊สช่วย(GAIM) ในขั้นเริ่มต้นของการลงทุนในกระบวนการหล่อขึ้นรูปในขั้นใช้ขี้ผึ้ง,  และยังพิสูจน์ให้เห็นว่าเครื่องมือ Moldex3D มีประโยชน์เป็นอย่างมาก

ความท้าทาย

รอยตำหนิเช่น การฉีดไม่เต็ม (short shots),ครีบ (flash), รอยแตก (cracking),ฟองอากาศ (bubbles), การหดตัว (shrinkage) และอื่นๆ เป็นปัญหารอยที่มีความบกพร่องในการฉีดขี้ผึ้งในขั้นการหล่อขึ้นรูป นอกจากนี้ปัญหาดังกล่าวมักจะเกิดขึ้นกับชิ้นงานขี้ผึ้งที่มีความหนาแตกต่างกัน:

• คุณภาพชิ้นงานที่ได้ไม่สอดคล้องกับชิ้นงานที่ต้องการ
• การหดตัวอย่างรุนแรงจะก่อให้เกิดการเสียรูปแบบบิดเบี้ยว (Product warpage)

รูปที่ 1: ปัญหาทั่วไปที่มักจะพบในในการฉีดขี้ผึ้งในขั้นการหล่อขึ้นรูป(wax injection stage of the investment casting process)

วิธีการดำเนินงาน

ด้วยตัวเลือกการใช้แก๊สมาช่วยกระบวนการฉีดขึ้นรูป  (GAIM)ของ Moldex3D,  ทำให้ทีมงานสามารถค้นพบรูปแบบการฉีดขี้ผึ้งและพฤติกรรมการแทรกผ่านของอากาศภายในคาวิตี้ของแม่พิมพ์ ซึ่งตัวแปรต่างๆ เช่น เวลาในการอัดย้ำด้วยแก๊ส (gas holding time), เปอร์เซ็นต์ก่อนเติม (pre-filling percentage (short shot)), และอุณหภูมิแม่พิมพ์(melt temperature) เป็นปัจจัยสำคัญที่จะช่วยทำให้เข้าใจพฤติกรรมการแทรกผ่านของอากาศภายในคาวิตี้จากการใช้แก๊สมาช่วยกระบวนการฉีดขึ้นรูป 

ประโยชน์

จากกรณีศึกษานี้แสดงให้เห็นว่า

• พฤติกรรมการแทรกผ่านของอากาศภายในคาวิตี้ในขั้นฉีดขี้ผึ้งของกระบวนการหล่อขึ้นรูป สามารถทำนายโดยใช้ Moldex3D, ซึ่งเป็นตัวอ้างอิงสำหรับการออกแบบแม่พิมพ์และการดำเนินการเทคโนโลยีในอนาคต
• การประยุกต์เอาเทคโนโลยี GAIM มาใช้ในกระบวนการฉีดขี้ผึ้งสามารถลดการหดตัวเชิงปริมาตรได้ถึง 48% 

กรณีศึกษา

Gas-Assisted Injection Molding (GAIM) หรือการใช้แก๊สมาช่วยกระบวนการฉีดขึ้นรูป ได้ถูกนำมาประยุกต์ใช้ในอุตสาหกรรมการผลิต อีกทั้งช่วยในเรื่องการลดน้ำหนัก, วัสดุ, รอบการฉีดชิ้นงาน และต้นทุน ผลิต อีกทั้งเพิ่มคุณภาพและประสิทธิภาพการผลิต พฤติกรรมการแทรกผ่านของอากาศแสดงในรูปที่ 2:

• การแทรกผ่านของแก๊สในขั้นเริ่มต้น: ในระยะเติม(filling stage), แก๊จะแทรกซึมเข้าเนื้อวัสดุและจะเป็นส่วนหน้าของ melt front การแทรกผ่านของแก็สจะเกิดขึ้นอย่างสมบูรณ์ก็ต่อเมื่อคาวิตี้ของแม่พิมพ์ถูกเติมให้เต็มด้วยการฉีดวัสดุและแก๊ส
• การแทรกผ่านของแก๊สในขั้นที่ 2 : ในระยะอัดย้ำ (packing stage), แก๊สจะขยายตัวจากตรงกลางเพื่อชดเชยการหดตัวปริมาตรของพลาสติกที่มันเย็นตัวลง

รูปที่ 2: พฤติกรรมการแทรกผ่านของอากาศของกระบวนการ GAIM

จุดประสงค์ของการศึกษานี้คือมุ่งเน้นไปที่เทคโนโลยี  GAIM  ในชิ้นงานโลหะที่พัฒนาไปกับเป้าหมายสูงสุดของ GAIM ซึ่งจะช่วยในกระบวนการหล่อให้มีคุณภาพ การฉีดขี้ผึ้งเป็นขั้นตอนแรกของกระบวนการหล่อ (รูปที่ 3);ถ้าเราสามารถควบคุมความแม่นยำของการฉีดขี้ผึ้งได้ตั้งแต่แรกแล้ว จะทำให้กระบวนการหล่อโดยรวมและชิ้นงานมีคุณภาพ

รูปที่ 3:การฉีดขี้ผึ้ง (Wax injection)  เป็นขั้นตอนแรกของกระบวนการหล่อ

ในขั้นแรก, MAERC ได้ทำการทดสอบสมบัติของวัสดุขี้ผึ้ง ซึ่งได้แก่ความหนืด (viscosity), PVT, ความสามารถในการจุความร้อน (heat capacity),สมบัติทางความร้อน และการวัดอื่นๆ จากนั้นข้อมูลของสมบัติวัสดุจะถูกป้อนเข้าสู่ Moldex3D CAE software เพื่อทำการจำลองพฤติกรรมการแทรกผ่านของแก็ส เมื่อทำการวิเคราะห์, MAERC ได้เปรียบเทียบผลที่ได้จากการจำลองซิมมูเลชั่นกับผลจากการทดลองจริง; พารามิเตอร์สำคัญจะส่งผลโดยตรงต่อการแทรกผ่านของแก็สรวมไปถึงเวลาที่ใช้ในการอัดย้ำ(gas holding time), เปอร์เซ็นต์ก่อนเติม (pre-filling percentage (short shot)), และอุณหภูมิแม่พิมพ์(melt temperature) เพื่อที่จะเข้าใจการประยุกต์ใช้ GAIM ในการฉีดขี้ผึ้งในขั้นการหล่อขึ้นรูป

1. เวลาที่ใช้ในการอัดย้ำของแก็ส (Gas holding time) vs. ระยะการแทรกผ่านทั้งหมด (total penetration length) (ดูรูปที่ 4): ระยะการแทรกผ่านของแก็สทั้งหมดจะรวมขั้นเริ่มต้นและขั้นที่ 2 ให้เสมือนเป็นการเพิ่มเวลาในการอัดย้ำ

รูปที่ 4: Gas holding time vs. total penetration length

2. ขั้นเปอร์เซนต์ก่อนเติม (Pre-filling percentage (short shot)) vs. ระยะการแทรกผ่านรวม (total penetration length) (รูปที่ 5): ระยะการแทรกผ่านรวมของแก็สทั้งหมดจะรวมขั้นเริ่มต้นและขั้นที่ 2 ให้สั้นลงเสมือนเป็นขั้นเปอร์เซ็นต์ก่อนเติมที่เพิ่มขึ้น

รูปที่ 5: Pre-filling percentage (short shot) vs. total penetration length

3. อุณหภูมิแม่พิมพ์ (Melt temperature) vs. ระยะการแทรกผ่านรวม (total penetration length) (รูปที่.6): อุณหภูมิแม่พิมพ์ยิ่งสูงจะส่งผลต่อชั้นผิวที่ถูกทำให้แข็งตัว ทำให้การแทรกผ่านของแก็สในขั้นเริ่มต้นสั้นลง อย่างไรก็ตาม อุณหภูมิที่สูงบริเวณแกนกลางจะเพิ่มระยะการแทรกผ่านของแก็สในขั้นที่ 2

รูปที่ 6: Melt temperature vs. total penetration length

จากการเปรียบเทียบข้างต้น, MAERC สรุปได้ว่า การวิเคราะห์การจำลอง GAIM ด้วย Moldex3D’s GAIM ของทำนายการฉีดขี้ผึ้งมีความถูกต้องแม่นยำสูงเมื่อเทียบกับผลการทดลองจริง ดังนั้นคุณค่าของการใช้  Moldex3D ในการทำนายพฤติกรรมการขึ้นรูปได้อย่างแม่นยำ มากไปกว่านั้น กรณีศึกษานี้สามารถแสดงให้เห็นว่าการฉีดขี้ผึ้งของกระบวนการหล่อนั้นสามารถลดการหดตัวเชิงปริมาตรลงถึง 48.7% เมื่อเปรียบเทียบกับการหล่อทั่วไป จากผลข้างต้น, MAERC สามารถพิสูจน์ว่าการประยุกต์เอาเทคโนโลยี GAIM มาใช้ในขั้นฉีดขี้ผึ้ง จะทำให้สามารถควบคุมชิ้นงานมีขนาดที่แม่นยำ

รูปที่ 7: การประยุกต์เอาเทคโนโลยี GAIM มาใช้ในขั้นฉีดขี้ผึ้งสามารถลดการหดตัวเชิงปริมาตรลงถึง 48.7%.

ผล

มากไปกว่านั้น, จากการวิเคราะห์ด้วย Moldex3D’s simulation analyses, ปัญหาการเสียรูปของชิ้นงาน, ไม่ว่าจะเป็นการหดตัวเชิงปริมาตร (รูปที่.8) หรือระยะการเปลี่ยนแปลงรวม (รูปที่.9)สามารถปรับปรุงได้เมื่อนำเทคโนโลยี GAIM มาใช้ในการออกแบบความหนาของชิ้นงาน ดังนั้น, สัดส่วนรอยตำหนิของชิ้นงานจะลดลง นอกจากนี้, กระบวนการ GAIMยังสามารถช่วยคว้านแกนของชิ้นงานและทำให้หล่อเย็นได้อย่างมีประสิทธิภาพ อีกทั้งรอบการผลิตจะลดลงเมื่อเปรียบเทียบกับกระบวนการหล่อทั่วไป หรือจะกล่าวง่าย ๆ คือ MAERC สามารถนำ Moldex3D มาช่วยในการผลิต GAIM ซึ่งเป็นเทคโนโลยีการผลิตสมัยใหม่ โดยเฉพาะกับการออกแบบชิ้นงานที่มีความหนาที่หลากหลาย

รูปที่ 8: การวิเคราะห์การหดตัวเชิงปริมาตร (volumetric shrinkage) ด้วย Moldex3D analysis

รูปที่ 9: การวิเคราะห์ระยะที่เปลี่ยนแปลงรวม โดยใช้ Moldex3D analysis