光學(xué)檢測系統應用于精密模具加工

臺灣近年來(lái)著(zhù)墨于模具相關(guān)基礎技術(shù)發(fā)展逐漸減少，本研究運用精度0.1 μm ATOS 3D光學(xué)掃描系統于精密模具進(jìn)行檢測與分析，檢測精密模具線(xiàn)切割與放電加工后的特征尺寸。

在20幾年前的新北市大約有20,000家模具廠(chǎng)，而在20年后新北市的模具廠(chǎng)僅剩約有2,000家營(yíng)業(yè)。模具是工業(yè)之母，模具產(chǎn)業(yè)對于一個(gè)國家的經(jīng)濟發(fā)展具有舉足輕重的地位，諸多國家均致力于模具業(yè)的發(fā)展，而從臺灣近年來(lái)著(zhù)墨于模具相關(guān)基礎技術(shù)發(fā)展來(lái)看，顯見(jiàn)越來(lái)越少的趨勢，藉由本研究希冀能對臺灣模具業(yè)者在精密模具加工以及精密模具的尺寸精度控制有所幫助。

由于精密模具制程繁瑣且造價(jià)昂貴，模具鋼胚經(jīng)下料、粗加工、應力釋除、線(xiàn)切割、放電加工、研磨加工、拋光到表面處理等嚴格工序始得量產(chǎn)模具。本研究運用精度0.1 μm ATOS 3D光學(xué)掃描系統于精密模具進(jìn)行檢測與分析。

圖1為精密模具實(shí)體圖。圖中精密模具的材質(zhì)為STAVAX不銹鋼，此精密模具是運用于金屬粉末射出成型（Metal Injection Molding；MIM）制作筆記本電腦的旋轉軸（hinge）的生胚（green part）。進(jìn)料口（gate）運用線(xiàn)切割來(lái)加工，料骨處為運用放電加工。



 
圖1 : 精密模具實(shí)體圖

圖2為ATOS 3D光學(xué)掃描系統的實(shí)體圖，此設備的檢測光源為藍光，此設備短時(shí)間可以?huà)呙杈蘖繑祿╞ig data），即1-2秒內即可以?huà)呙?200萬(wàn)點(diǎn)數據（point data）。



 
圖2 : ATOS 3D光學(xué)掃描系統的實(shí)體圖

ATOS 3D光學(xué)掃描系統步驟為：

（a）前處理（pretreatment）：工件洗干凈后，噴涂混合物使得工件不會(huì )反光，以利提升掃描數據的正確性，混合物則是采用TiO2粉末與酒精以1：4重量比例來(lái)調配；

（b）貼定位點(diǎn)（positioning point）：貼貼定位點(diǎn)，以利掃描光源能以定位點(diǎn)的坐標位置來(lái)運算工件的幾何形狀；

（c）掃描作業(yè)（scanning）：運用ATOS于工件進(jìn)行掃描；

（d）檢測（inspection）：運用GOM軟件進(jìn)行量測結果進(jìn)行研究與分析，并比對尺寸的誤差量（error）。

圖3為精密模具可從模穴不同視角檢測的情形，圖4為精密模具從公模和母模不同位置檢測的示意圖。



 
圖3 : 精密模具的檢測情形



 
圖4 : 精密模具的檢測位置的示意圖

精密模具的線(xiàn)切割加工的精度研究，包括其檢測結果及模具寬度的誤差量如下所示。

圖5為精密模具線(xiàn)切割加工A處的檢測結果，模具寬度的誤差量約為-2 μm。



 
圖5 : 精密模具線(xiàn)切割加工A處的檢測結果

圖6為精密模具線(xiàn)切割加工B處的檢測結果，模具寬度的誤差量約為-7 μm。



 
圖6 : 精密模具線(xiàn)切割加工B處的檢測結果

圖7為精密模具線(xiàn)切割加工C處的檢測結果，模具寬度的誤差量約為-9 μm。


 
圖7 : 精密模具線(xiàn)切割加工C處的檢測結果

圖8為精密模具線(xiàn)切割加工D處的檢測結果，模具寬度的誤差量約為-6 μm。



 
圖8 : 精密模具線(xiàn)切割加工D處的檢測結果

圖9為精密模具線(xiàn)切割加工E處的檢測結果，模具寬度的誤差量約為-6 μm。



 
圖9 : 精密模具線(xiàn)切割加工E處的檢測結果

圖10為精密模具線(xiàn)切割加工F處的檢測結果，模具寬度的誤差量約為-1 μm。



 
圖10 : 精密模具線(xiàn)切割加工F處的檢測結果

綜觀(guān)上述結果，本研究發(fā)現，運用ATOS 3D光學(xué)掃描系統，可以精密檢測精密模具線(xiàn)切割加工的特征尺寸。從檢測結果可以發(fā)現精密模具線(xiàn)切割加工后的尺寸，均小于精密模具的原始設計圖。因此，本研究建議于精密模具中需運用線(xiàn)切割加工地方，需增大該處的尺寸，以利精密模具線(xiàn)切割加工后的尺寸，符合精密模具原始設計圖的尺寸。

至于精密模具的放電加工的精度研究，可從圖11的精密模具的線(xiàn)切割加工精度研究的檢測位置示意圖中觀(guān)察狀況。



 
圖11 : 精密模具的線(xiàn)切割加工精度研究的檢測位置示意圖

圖12為精密模具放電加工A處的檢測結果，角度誤差量約-1.82°。


 
圖12 : 精密模具放電加工A處的檢測結果

圖13為精密模具放電加工B處的檢測結果，角度誤差量約-2.58°。



 
圖13 : 精密模具放電加工B處的檢測結果

圖14為精密模具放電加工C處的檢測結果，角度誤差量約-2.47°。


 
圖14 : 精密模具放電加工C處的檢測結果

圖15為精密模具放電加工D處的檢測結果，角度誤差量約-0.79°。


 
圖15 : 精密模具放電加工D處的檢測結果

圖16為精密模具放電加工E處的檢測結果，角度誤差量約-2.85°。


 
圖16 : 精密模具放電加工E處的檢測結果

圖17為精密模具放電加工F處的檢測結果，尺寸的誤差量約-21 μm。


 
圖17 : 精密模具放電加工F處的檢測結果

圖18為精密模具放電加工G處的檢測結果尺寸的誤差量約-3 μm。


 
圖18 : 精密模具放電加工G處的檢測結果

圖19為精密模具放電加工H處的檢測結果，尺寸的誤差量約-6 μm。


 
圖19 : 精密模具放電加工H處的檢測結果

圖20為精密模具放電加工I處的檢測結果，尺寸的誤差量約-19 μm。



 
圖20 : 精密模具放電加工I處的檢測結果

圖21為精密模具放電加工J處的檢測結果，尺寸的誤差量約-41 μm。



 
圖21 : 精密模具放電加工J處的檢測結果

圖22為精密模具放電加工K處的檢測結果，尺寸的誤差量約-11 μm。


 
圖22 : 精密模具放電加工K處的檢測結果

圖23為精密模具放電加工L處的檢測結果，尺寸的誤差量約-9 μm。


 
圖23 : 精密模具放電加工L處的檢測結果

綜觀(guān)上述結果，從本研究發(fā)現，運用ATOS 3D光學(xué)掃描系統，可以精密檢測精密模具放電加工后的特征尺寸。檢測結果發(fā)現精密模具放電加工后的尺寸，均小于精密模具的原始設計圖。因此，本研究建議于精密模具中需運用放電加工地方，需增大該處的尺寸，以利精密模具放電加工后的尺寸，符合精密模具原始設計圖的尺寸。

結論
智能制造和智能服務(wù)正在推動(dòng)模具工廠(chǎng)不斷前行，從「制造」轉向「智造」的階段，為因應精準加工和生產(chǎn)制造高效能的需求，模具工廠(chǎng)運用自動(dòng)化、數字化、信息化、標準化等方法來(lái)提升整體效益，也逐漸改變了模具產(chǎn)業(yè)生態(tài)系。

臺灣模具廠(chǎng)多以中小型企業(yè)型態(tài)經(jīng)營(yíng)，面臨產(chǎn)品與模具設計的復雜程度及精度要求提升，產(chǎn)品交期卻逐漸縮短，讓傳統模具工廠(chǎng)在實(shí)際執行層面遇到許多的問(wèn)題與困難，觀(guān)察臺灣模具產(chǎn)業(yè)產(chǎn)無(wú)法大幅成長(cháng)有四項主要因素：下游廠(chǎng)商移往海外、整體經(jīng)濟環(huán)境不穩定、經(jīng)營(yíng)成本高漲，以及精密模具技術(shù)人才嚴重短缺等。

本研究運用光學(xué)檢測系統，檢測金屬粉末射出成型精密模具放電加工與線(xiàn)切割加工后的特征尺寸，研究結論如下：

1.本研究成果具備產(chǎn)業(yè)利用性與工業(yè)實(shí)用價(jià)值，此成果可以落實(shí)于臺灣模具業(yè)者在精密模具加工以及精密模具的精度控制。

2. 運用ATOS 3D光學(xué)掃描系統，可以精密檢測精密模具線(xiàn)切割與放電加工后的特征尺寸。

3. 線(xiàn)切割加工精密模具，誤差皆為負值，誤差量約為-2 μm至 -10 μm，平均誤差量約為-6.4 μm。因此，本研究建議于精密模具中需運用線(xiàn)切割加工的位置，需增大該處的尺寸，以利精密模具線(xiàn)切割加工后的尺寸，符合精密模具原始設計圖的尺寸。

4.放電加工精密模具，誤差皆為負值，誤差量約為-2 μm至-41 μm，平均誤差值約為-10.1 μm。因此于精密模具中需運用放電加工的位置，建議增大尺寸。因此，本研究建議于精密模具中需運用放電加工的位置，需增大該處的尺寸，以利精密模具放電加工后的尺寸，符合精密模具原始設計圖的尺寸。

（本文作者郭啟全1、潘信宇2、吳佳其3、阮詩(shī)萍4、蘇竟瑜4、黃鴻洋4、為1明志科技大學(xué)機械工程系機械與機電工程碩士班教授、2新日興公司模具課課長(cháng)、明志科技大學(xué)機械工程系3研究生及4專(zhuān)題生）

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