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CHAPTER 8 塑膠產品製造 與最後組裝 1 8.1 簡 介 2 8.1 簡 介 • 塑膠射出成型將在本章中做詳細之描述，因為它創出整個電子消 費性產品的構裝。這些產品的外裝必須是質輕、具防護性又要便 宜的，而且必須能承受購物中心、網站上架的撞擊。回顧我們產 品開發路徑的旅程也是很重要的，如鐘面圖2.1所示，其步驟如 下： – – – – – – 產品設計 ( 第三章 ) 產品原型製造 ( 第四章 ) 製造內部腦袋 ( 第五章 ) 組裝內部系統 ( 第六章 ) 模具加工製造 ( 第七章 ) 射出成形 ( 第八章 ) • 由此可知塑膠的射出成形與產品的組裝可看成是前幾章運用製程 與設備達成無數件消費者產品的結果。同時必須由第二章的指紋 辨識器設備之個案研究回顧起，其射出模具是以鋁合金加工而成， 3 可用於早期客戶測試或評估用之200件的小批量生產。 8.2 塑膠的性質 4 8.2 塑膠的性質 新的材料科學族群，並回憶起聚合物可粗略 分成兩個類別： • 熱固性成形材料，包括用於餐具的硬塑膠，如美耐皿 ( 三 聚氰胺 - 甲醛 (melamine-formaldehyde))，用於膠水及纖 維補強製品如小舟、網球拍等的環氧樹脂 (epoxy resins)。 熱固性塑膠產品是加熱到變成液態狀再澆入或射入模具然 後固化，由於產生化學交互反應使其無法逆向返回也無法 再融化。 • 熱可塑性塑膠成形材料，包括共聚合體如丙烯青 - 丁二烯 - 苯乙烯 (acrylonitrile-butadiene-styrene, ABS) 及聚碳酸 酯 (polycarbonate, PC) 等，用於玩具、電子消費產品、 及更具撓性的廚房用具。其主要的特徵是這類的塑膠可以 加熱到黏液狀後充填成形，且可以再次反覆使用相同方式 成形。由此可知其最為適合底下所描述之射出成形製程， 在下一節中有更詳細的描述。 5 8.2.1 熱可塑性塑膠的特性 6 8.2.1 熱可塑性塑膠的特性 • 對於某一種零件該使用何種塑膠聚合物，這個答 案需由該產品在其使用的溫度條件下的行為性質 來決定，每一種熱塑性塑膠均會經歷一般的轉換 點 (generic transitions) 過程，但各有不同的溫度， 如表8.1為聚苯乙烯 (polystyrene, PS) 的轉換點。 7 8.2.1 熱可塑性塑膠的特性 • 在低溫時PS具有玻璃的結構 (glassy structure)，並有高的剛性 (stiffness) 可由 楊氏係數E測得，其剛性可由聚合體之分子 量的增加、鍵結力的增加、增加分子鏈相 互交疊之結晶型態以及加入元素來增加交 互鏈結等來增強剛性 8 9 10 11 12 13 14 15 8.2.1 熱可塑性塑膠的特性 • 以通俗的話來說，在低溫時的機械性質就 如同金屬之具有鏈結力 (bond stretching)， 但在高溫時，PS(苯乙烯)的分子鏈會像烹 調過的義大利麵般相互滑動。 • 使用楊氏係數E顯得太簡化熱塑性塑膠的性 質，因為塑膠的變形與溫度及時間有關， 因此須使用應力鬆弛模數來表示。其試驗 方法是將塑膠試片在幾個不同的溫度下加 上一個選定的應變，並在整個時間中量測 其應力的衰減。圖8.1為一典型的結果 16 8.2.1 熱可塑性塑膠的特性 17 8.2.1 熱可塑性塑膠的特性 • 此試驗是使用壓克力樹脂 ( 聚甲基丙烯酸甲酯， polymethyl methacrylate, PMMA)，在美國通常 稱為塑膠玻璃 (plexiglass)，在英國通常稱為透明 樹脂玻璃 (Perspex)。此材料在時仍然長時期維持 剛性性質，但溫度再增加到以上時會變成皮質軟 化，最終變成黏體。 • 另一個關鍵性的觀念是玻璃轉化溫度，在此溫度 熱塑性塑膠由玻璃脆性轉換成皮質性，圖8.2為聚 醋酸乙烯 (polyvinyl acetate, PVAC) 對溫度變化 的精確體積圖，其玻璃轉化溫度是由玻璃性質區 與皮質區曲線利用外插法求得之交點，在此例中 交點為 。C Tg 26 18 熱可塑性塑膠的特性 19 8.2.2 塑膠性質在高階設計中 之影響 20 8.2.2 塑膠性質在高階設計中之影 響 從設計上透視，其策略是以產品的工作溫度，通常是室溫時 所希望的性質來挑選擇塑膠聚合體，其策略如圖8.3所示，包 括： • 聚甲基丙烯酸甲酯 (polymethyl methacrylate, PMMA) 在 室溫為剛性結構 (rigid structure)，以低於玻璃轉化點來考 慮。 • 聚乙烯 (PE) 和丙烯青 - 丁二烯 - 苯乙烯 (ABS)，在室溫下 恰超過，但考慮在熔點以下因而其具有剛性及韌性，因此 適合作為玩具、汽車零件及電子構裝件。 • 聚氯乙烯 (polyvinyl chloride, PVC) 板，在室溫為皮質性， 適合做某些形狀之覆蓋物，或人造皮革。 21 8.2.2 塑膠性質在高階設計中之影響 22 8.2.2 塑膠性質在高階設計中之影響 • ABS射出成形品用來製作像指紋辨識器、 平板電腦 (InfoPad) 等。 • 在概念層級，ABS被加熱到高黏性狀態然 後被押注進入模穴，然後冷卻成所要之形 狀，此製程的細節及一些更挑戰姓方面的 觀點將於下一節中描述。 23 8.3 塑膠的成形製程Ⅰ：射出 成形法 24 8.3.1 概 觀 25 8.3.1 概 觀 • 射出成形是生產消費性產品外殼的一種主 要生產方法，此法既便宜又可靠且與金屬 製品來比是可減輕裝置的重量，像ST的微 電子觸摸晶片 (TouchChip) ( 第二章之個案 研究 )，及平板電腦外殼 ( 第六章之個案研 究 ) 都是以此種方法來生產，有非常廣泛之 消費性產品範圍從玩具到電話到汽車零件 均使用此種方法來生產。 26 8.3.1 概 觀 • 圖8.4為模具的一般特徵，一些簡單桶狀物 或杯狀物可將其作成一個在模心及模穴間 具有間隙之樣子，其如圖右下角，在此例 中分模面如圖之右下角所示，系置於桶狀 之上邊緣，而其他形狀之分模面位置則沒 那麼方便置放，因此在塑膠玩具或器具的 分模面周圍經常會看到一些毛邊，甚至需 用手工去清除。 27 8.3.1 概 觀 28 8.3.1 概 觀 • 除此而外也需手工清除的部位為 (a) 也許是 在零件表面一個小疹狀之進膠口痕跡及 (b) 頂出銷痕跡，對於一個小的像大哥大般的 物件大約用6 mm ( 差不多0.25吋 ) 直徑的 頂出銷，也許讀者有興趣由一些熟悉的消 費性塑膠製品上去找到一些不可避免的痕 跡。 29 8.3.1 概 觀 • 圖8.5為塑膠射出成形製程，熱塑性塑膠粒 由右邊的料斗 (Hopper) 裝填並在此烘烤加 熱後由螺桿押送進入料管 (barrel) 之熱區， 然後熔融且混拌過的材料被油壓壓桿 (Ram) 強迫推經射嘴 (Nozzle) 而進入模穴，之後 熱塑性塑膠在模內冷卻、成形而硬化，之 後模具分離，頂出銷協助將零件由下模頂 出。這些步驟的細節描述如下： 30 8.3.2 往復螺桿式射出成形機 31 8.3.2 往復螺桿式射出成形機 • 往復式螺桿射出機是工業上最常用的機器，圖 8.5(a) 所示為開模位置圖，下圖為一模單穴及一 模多穴模具，注意此機器是水平式結構及操作 ( 又稱臥式機器 )，因此與圖8.4比較，模具放在側 面較有效。 • 圖8.5(b) 與圖8.5(c) 所示之模具在右邊而心型則 在左邊，熔融塑膠由往復式螺桿射出機的射嘴經 豎澆道 (sprue) 射入模具，因此如為一模多穴模 具 ( 圖8.5(d))，則由豎澆道往橫澆道流向進澆口 (gate)。 32 8.3.2 往復螺桿式射出成形機 33 8.3.2 往復螺桿式射出成形機 • 機器的料管是被加熱的，而塑膠粒 (pellets) 被螺 桿推進，再加上螺桿攪動產生的熱，事實上機器 是設計成兩個不同的相 (phase) 來操作，即： – 步驟一，熱塑性塑膠的塑化 (plasticizing)：復 合料管加熱器的加熱及螺桿送料轉動摩擦熱的 作用，使得計量 的塑膠液體送到射嘴後端的Y 區，因為射嘴的直徑很小，被上次射出後殘留 在射嘴前端的冷料塊所封閉。 – 步驟二，射入模穴：當到達計量後螺桿停止轉 動，而整個靜止的螺桿由壓桿強制推向前將熔 融的塑膠液體經射嘴射出，再經豎澆道進入模 具。在押桿作動之前模具已經閉合，因此塑膠 液體將充滿模腔 (impression)，如圖8.5(b) 及 圖8.5(c) 之黑色區域。 34 8.3.2 往復螺桿式射出成形機 • 當品冷卻下來經一段充分週期，模具便可 打開頂出產品，為縮減冷卻週期，模具設 有冷卻水路作動 35 8.3.3 電腦輔助製造 36 8.3.3 電腦輔助製造 • Mccrum, Bukley &Bucknall (1977)，描述近代射出機與控制設計 的研究，螺桿具有三項的功能，押送塑膠粒、壓縮及幫助在熔化 區融化，且在壓桿壓擠時能有足夠的強度來壓擠塑料通過射嘴進 入模腔，螺桿螺紋面與料桶的距離只有0.01 mm，一般需承受 100 Mpa的壓力，因此料桶與螺桿均使用硬化鋼並做耐摩耗表面 鍍層處理。 • 使用CNC控制器來監控系統中之各個不同的感測器，並調整各種 參數，如圖8.6所示，主要特徵包括： – – – – 熱電偶，用於量測料桶、射嘴、及模具溫度 壓力感測器，在螺桿 / 壓桿 壓力感測器，監測模壓 螺桿位置感測器，( 電位計或LVDT)，其亦量測射壓時的壓桿速度 控制器是用來最適化整個週期，及保壓時控制壓桿整段連續的壓力 以維持模內的塑膠，其控制方法有兩種，於8.3.5節中描述。 37 8.3 .3 電 腦 輔 助 製 造 38 8.3.4 填充階段塑膠在模內的 行為 39 8.3.4 填充階段塑膠在模內的行為 • 當塑膠在模穴中冷卻後，戲劇性地收縮而 緊咬住心型壁面，因此模具銑削加工時 ( 第 七章 )，必須做成斜度以利產品頂出，在正 常大氣壓力下塑膠由液體溫度冷卻到室溫 之收縮量約10%，這種現象顯示出塑膠產 品生產製造的另一個問題，因為如果沒有 特別控制讓塑膠去收縮，產品將產生空隙 及凹痕，這些空隙與凹痕將降低產品的機 械性質及外觀的完美。 40 8.3.6 頂出與重置步驟 41 8.3.6 頂出與重置步驟 • 在頂出與重置步驟裡，這些巨大的模塊， 支撐塊，頂出鈑、夾鈑等反映出模具作業 時承受巨大的壓力及長時間的生產 ( 諸如 10,000到10,000,000件 ) 因此需要堅固的裝 置，如此頂出銷與滑動件才不會磨耗。下 側是模具以油壓或機械機構緩慢打開時產 品能在頂出銷將產品推出心型之後小心地 離開模穴 ( 圖8.9中間 )，頂出是能讓產品變 形越小及循環時間越短越好。 42 8.3.6 頂出與重置步驟 43 8.4 塑膠製程Ⅱ：聚合物擠伸 44 8.4 塑膠製程Ⅱ：聚合物擠伸 • 簡單的擠伸是大型塑膠件製造最常用的製程，這 些產品包括大小塑膠管、塑膠窗框、電器絕緣線 等。聚合物經料筒加熱區及螺旋轉動塑化，在模 嘴之塑膠呈液狀，產品經由具形狀之模具 ( 參見 圖8.13左方 ) 擠出。 • 注意圖中螺桿內徑在後端接近料斗處比前方的來 得小，這是因為不規則的固體塑膠粒與相同質量 塑膠液體的體積來得大，不管如何，在螺桿機構 中任一斷面的質量流率必須相同，所以塑膠由後 端固體粒子傳送到前端液態時，螺管 (screw channel) 面積必須逐漸減少。 45 8.4 塑膠製程Ⅱ：聚合物擠伸 46 8.5 塑膠製程Ⅲ：吹製成形 47 8.5 塑膠製程Ⅲ：吹製成形 • 吹製成形 (blow molding) 是生產一些常見之水瓶子或類似 之產品。擠出吹製法如圖8.14所示，而類似之製程包括射 出吹製 (injection blow molding) 及伸張吹製 (stretch blow molding)。 48 8.5 塑膠製程Ⅲ：吹製成形 • 吹製時擠出機先擠出一熱的懸吊中空管子，叫吹製胚 (parison)，再放入打開的模具中，之後關閉模具並掐掉管 子上端：通常瓶子的底部 ( 管子的末端 ) 也相對的剪掉， 讀者瞥一下塑膠水瓶就可看到這些產生之粗糙的突出物， 在一些設計中均使用此法。但這種產品設計又產生另一新 的問題，即底部粗糙凸出物會造成使用者將瓶子放在書桌 上時會有不穩定現象。另外再瞥一下瓶子底部會看到有凹 進去或在周圍有一些足狀突出物的精心設計。 49 8.5 塑膠製程Ⅲ：吹製成形 • 當模具關閉後，擠出的管子被充氣並吹脹至模具形狀。請 注意擠出的管子是熱的，而模具打開時也是溫的，所以軟 狀的塑膠很容易吹脹成模具的形狀。隨後成形之瓶子冷卻 並取出，而新擠出的管子又放入打開的模具中。 50 8.5 塑膠製程Ⅲ ：吹製成形 51 8.6 塑膠製程Ⅳ：薄板的熱成 形 52 8.6.1 簡 介 53 8.6.1 簡 介 • 熱成形 ( 或吹氣成形 (blow-forming)) 製程 有許多類似於第七章金屬成形的操作，其 差異處是塑膠的胚料是被加熱的，而成形 的方式是用空氣壓力而不是用衝頭。 • 脹大的塑膠圓頂 (dome) 可以不再加工或再 次放入一雕刻的模穴去產生所要的形狀。 是否這蛋圓形是讓其自由成形或再變形就 如同金屬成形一樣希望變到最薄化。底下 的分析考慮到塑膠薄板變形的需要性質。 54 8.6.2 分析：維持均勻的板厚 55 8.6.2 分析：維持均勻的板厚 56 8.7 電腦當作是一個商品：以 組裝為設計，以製造為設計 57 8.7.1 塑膠射出外殼的系統規 劃與組裝 58 8.7.1 塑膠射出外殼的系統規劃與 組裝 • 系統組裝是生產一個完成產品如電腦、行動電話、 或其他消費性電子裝置的最後一個步驟，在圖6.1 中主機板是一個完成的PCB，包括主微處理器及8 條記憶體，它被裝進電腦的外殼內，如圖6.1右側 所示，硬碟和其他系統零件和電源供應器排線連 結放在另一個地方，之後送電測試，測試完成後 拔除測試線，並將其裝入射出成形外殼，這些類 似的步驟亦用於ST微電子的觸動晶片 (TouchChip)，及平版電腦 (InfoPad) ( 第二及第 六章之個案研究 )，甚至這些裝置並無硬碟。 59 8.7.2 自早期1990年代起在電腦 工業中DFA與DFM技術的商業衝 擊 60 8.7.2 自早期1990年代起在電腦工 業中DFA與DFM技術的商業衝擊 • 從前有一個大電腦公司叫IBM，決定要重新設計 他的專業印表機“ProPrinter”使其能用機器人組 裝，由於機器人無法拿起小螺絲釘或完成細小的 組裝工作，於是工程師們戲劇性的簡化印表機設 計，例如他們使用扣接鉚釘 (snap rivets)，而且 他們確認儘可能將許多組裝工作都能共軸線而能 藉助於重力。在此時他們重新設計，而組裝製程 是如此順暢使得使用人力組裝該印表機可以裝得 比機器人更快速更便宜，因而機器人被開除了， 而從此以後人們生活得更快樂。 61 8.7.2 自早期1990年代起在電腦工 業中DFA與DFM技術的商業衝擊 • 這個故事舉例了為組裝設計 ( 設計組裝化 ) 及為製造設計 ( 設計製造化 ) (DFA & DFM) 的衝擊潛能，逐漸地DFA及DFM的應用就 兩個機器與所有重要的周邊設備如印表機 及掃描器而論，已大大地影響整個電腦工 業。 62 8.7.2 自早期1990年代起在電腦工業中 DFA與DFM技術的商業衝擊 • 例如康柏電腦[1] (Compaq) 在1991年代當管理部門 (management)接管公司時開始強勁地應用DFA及DFM， 再者更縮減淨利範圍由40% 以上到20%，25%。19921994年代康柏電腦的基本機器486X2/50之成本由 $3000 以上下降至 $1800左右，這個重新改組讓其他PC翻版製 造者 (PC clone makers) 非常地清楚其是將PC轉向商品項 目步驟的方向。 底下列舉康柏電腦在1990年代早期的策略，圖8.16舉例他的 成功： – – – – 使用DFA來減少裝配時間及零件數目，平均需減少1/3零件 減少的結果使得康柏電腦的主要工廠現在需求與空間減少1/3 使用及時製造(JIT)讓所有的轉包商位於主要工廠的15哩半徑之內 研究新的組裝機器 [1]在寫本書時 (2000年春 ) 戴爾 (Dell) 電腦安裝一套被廣泛稱讚的供應 鏈管理系統，並提供讓一般客戶可以線上訂購客戶化電腦的網站，這 些帶給戴爾電腦比康柏或其他消費相關的電腦公司具有更大眾化的眼 光。不管怎麼說本書仍然保留早期1990年在康柏電腦眾所皆知的事 件，但並不是為康柏電腦的產品背書，而是要凸顯DFA及DFM的強大 63 用處。 8.7.2 自早期1990 年代起在電腦工 業中DFA 與DFM 技術的商業衝擊 64 8.7.3 為組裝而設計 (DFA) 的 概觀 65 8.7.3 為組裝而設計 (DFA) 的概觀 為組裝而設計 ( 設計組裝化 ) 的兩個關鍵性概念： • 各個組件品質必須很高，且盡可能地減少組件數 目 • 各組件間的組裝必須盡可能簡化，例如，維持工 廠有次序地規劃、簡化個別零件的形狀、選擇一 個可靠的設計特徵使各零件間的組裝簡化 ( 參見 圖8.17) 及不要逃避重力。( 任何一個人將會很感 謝可以不用旋開機油箱塞來更換機油 ) 66 8.7.4 設計各零件的核對清單 67 8.7.4 設計各零件的核對清單 減少零件數目及增進零件品質包括下列步驟： • 第一，應該要考慮通用零件 – 零件是否設計為標準件使不同的轉包商均能供應相同 的零件 – 是否零件為對稱，盡可能使人們或機器人不用顛倒才 能找到唯一之定位方向 – 如為對稱則是否至少能有一種可重複定位方法 – 盡可能不用螺絲 – 能像圖8.17(a) 一樣有倒角引入 – 是否零件有鉤住、相互套疊、內部鎖住及當要人們或 機器要拔出時有問題產生 – 是否有任何零件相互鍛壓而無法取出 68 8.7.4 設計各零件的核對清單 • 第二，公差與機械性質需重新探討 – – – – – 關鍵性的尺寸與公差是否明確定義 公差是否盡量放寬 銳角是否有除去 毛邊及溢料 (flash) 是否有除去 零件是否有足夠的剛性可以抵抗如圖8.17(c)、8.17(d) 及8.17(f) 之壓入裝配時產生之挫曲 (buckling) – 重量是否最輕 • 第三，零件的可製造性需作分析 – 使用的工具設備是否最少，及標準化 – 目前工廠設備是否可以應付所有組裝需求 – 轉包商是否可依照6個δ的品質供應零件 69 8.7.2 自早期1990 年代起在電腦工 業中DFA 與DFM 技術的商業衝擊 70 8.7.5 設計組裝操作本身的核 對清單 71 8.7.5 設計組裝操作本身的核對清 單 • 早期的工業工程先驅者如Talyor及Gilbreth已使用時間 - 動 作 (time-and-motion) 研究為有效率的組裝工作鋪路，這 些研究包括許多常識，尤其他們強調一個以人體工學規劃 及良好設計的零件傳送方式的有次序工作場所。理想上不 論人或機器均不用伸出太遠去取回零件。 • 維持事情的次序及保持近的距離與定位的法則 (Fitt’s low) 有關， 圖8.19中定位一個筆尖到一視窗中的速度與精確度 以定位困難度指標表示 (Fitt’s index of difficulty) = s/w的 對數。 • 這個指標強調零件須移到一個嚴謹的工作位置 ( 小的s) 但 人或機器在實際組裝時之可移動範圍 ( 大的w)，例如圖 8.17(a) 所示，對銷及孔型態的裝配，一個具倒角的引入 裝置將產生較大的視窗 (w)。 • 總之，對定位的所有建議為 (a) 減少零件需移動的距離， s；(b) 在不影響產品的功能下增加組裝視窗 (w) 72 8.7.5 設計組裝操作本身的核對清單 73 8.7.6 設計電機裝置的核對清 單 74 8.7.6 設計電機裝置的核對清單 以下式組裝用的電機設備的核對清單： • 是否可使用垂直堆料並應用重力協助裝配？ 由圖8.19之總結資料中可看出10個工業產品中 (A到L) 之垂直裝配是最常用的 操作。注意零件E是有方向2及方向3的最複雜裝配。 • 是否設計有參考的基準面？ • 是否有不必要的旋轉或搬運？ • 是否有精密的夾具幫忙？ • 是否將螺絲固定或其他固定方式減為最少並將其改為扣銷結合？ • 是否可將每一件工作均以自動化組裝機器為之？ • 是否有基礎零件、基礎平板或中心軸可以使用，如此便沒有其他事情可以裝 配。這些可以幫助每一個裝配工作時定位到中心位置？ • 是否有部分組裝模組？ • 在組裝過程中是否已經使用群組技術於下一個零件？ • 最後完成的工作是不是最大加值工作 (greatest value-adding)？在某些情況下 這是一個損失在最後一分鐘的重點。 • 是否將需要靈巧裝配情形減到最少？ 75 8.7.7 設計電焊、銅銲、錫銲 及膠合的核對清單 76 8.7.7 設計電焊、銅銲、錫銲及膠 合的核對清單 • 焊接製程：使用銲條產生劇烈的電弧加熱一個受控制的電漿弧或一個 點銲工具產生局部的融化混合及兩物件的局部再凝固便將兩物體接合 在一起，這個微融化 / 鑄造 (micromelting/casting) 需要在保護的氣氛 下進行，否則空氣中的氧氣會產生局部氧化沈澱而危害冶金的完美性。 – 例如消耗的銲條暴露在大氣中加熱融化，因此通入氣體產生覆蓋屏蔽。 • 銅銲與錫銲：使用烙鐵 ( 錫銲時 ) 或火焰 ( 銅銲時 ) 融化填充材 ( 銲 料 )，使流入兩接合面間，對照於電焊，此兩接合面並不融化，但焊 料融化再凝固並在兩接合面處由凝固的焊料與兩接合物件產生結合， 焊料可以是銲錫 ( 錫鉛合金 ) 或銲銅 ( 銀或銅合金 )。銅銲比錫銲的強 度來得高。 • 膠合方法：環氧樹脂 (epoxy resins) 及丙烯酸的黏著劑提供兩接合面 的化學接合，清潔接合面盡可能不要有油脂或氧化物為理想的接合條 件，不過接合強度比不上像電焊、銅銲或錫銲等金屬的接合。膠合過 一段時間經常會受自然光中的紫外線所影響，因此要長久使用的東西 使用膠合是不智之舉。 77 8.7.7 設計電焊、銅銲、錫銲及膠 合的核對清單 • 在CAD中，設計者的目標是畫出強調完美接合結 構的幾何形狀零件，圖8.20秀出一些建議的錫銲 及銅銲的接合形狀 (Bralla, 1998)，同時對下游製 造時要考慮到，人工操作的焊炬及機器人點銲機 的易接近性 – 例如在汽車裝配線中，要在車尾行李箱內的緊密空間 中作焊接操作，不論是原始設計者、製程規劃者、及 夾治具工程師均扮演一個使製程簡單或困難作業的角 色，它將影響到最後焊接的品質。所有的焊接操作均 以向下觸及工作表面為主要建議。 78 8.7.7 設計電焊、銅銲、錫銲及膠合 的核對清單 79 8.7.8 組裝的正式量化方法 80 8.7.8.1 Boothroyd及 Dewhurst方法 81 8.7.8.1 Boothroyd及Dewhurst方法 Boothroyd及Dewhurst估算法是以下列工作計 分： • 零件數目：這是個簡單的計數，何處可以改變設計使零件 數減少 • 對稱：軸對稱是優先的，給最高等級 (ranking) • 零件大小：中尺寸零件較易使用人工取出，得最高等級， 小的讀寫頭得較低等級，因為需要使用立體微視鏡 (stereomicroscope) 及鑷子來組裝，中的零件可能需用起 重機或省力機構才能將其舉起，也是獲得低的等級 • 形狀：滑順的表面可以避免糾結，可得高等級 • 定量的困難：最後對困難操縱的，會滑的，容易損壞的加 上懲罰。有一種計算等級的方法就以完成工作的時間及需 要的技術程度 (level of skill) 來衡量 82 8.7.8.2 全錄 (Xerox) 公司 83 8.7.8.2 全錄 (Xerox) 公司 全錄公司計分法類似於Boothroyd及Dewhurst 的，其計分方法如下： • 零件數 ( 同前 ) • 組裝移動方向 ( 如圖8.19所示 ) • 在每一步驟是否需要夾具 • 固定方法，使用扣消結合優於螺絲結合或 焊接 84 8.7.9 維持一系統的前瞻性— 緊密思考 85 8.7.9 維持一系統的前瞻性—緊密 思考 • 在ST微電子的觸發晶片 (TouchChip) 設計及原型製作 ( 第二章的個案 研究 ) 使用了幾個DFM/DFA策略，例如用扣銷將PCB固定在上蓋， 同時亦考慮鋁合金加工及模具操作時由於有許多倒勾情形故較便宜 ( 因為鋁較輕，處理倒勾時滑塊操作較方便之故 )，因而使用鋁合金模 具。 • 因此有一句話要注意，當然設計團對必須朝大方向去看 (look at the “big picture”)，當試生產200件時使用扣銷結合是不見得成本較低但是 對上百萬件的生產時額外的模具加工時間及因倒勾而於成形時需的心 型操作，也許下游的組裝成本將可付清。 • 由擴充的“學習組織”起，以一個有趣的成功故事作結論 (Prentice, 1997)，在設計一個不是原始的手提式的立體音響裝置的過程，產生 一個問題，到底外面的塑膠殼要作多大？剛開始時似乎這個尺寸可以 任意設定，但是經過精細分析，如果調整尺寸使得以橫渡太平洋船運 時，某種數目的手提音響可以完全裝入貨櫃，將可以獲得最大利益。 86 8.8 技術管理 87 8.8.1 整合產品與製程設計 88 8.8.1 整合產品與製程設計 • 事實上製造出好品質的物品與上市時間的關係， 已迫使設計者不僅要以產品設計為考量，而且要 以整合產品與製程為考量，更要以製造規劃與控 制為抉擇。 • 由於這三個高水準需求，有一個甚至更大更廣的 模型—在第七及第八章介紹的形式—預測在製造 過程中材料的行為，應力及 / 或溫度與工具及最 後產品的完美性間的關連。其整體的目標是以下 列來增強CAD/CAM的環境： – 完全精確的有限元素分析 (FEA) 及視覺化的製造過程 – 在製程規劃中加入細部成本估算的模組 89 8.8.2 資料庫與專家系統 90 8.8.2 資料庫與專家系統 • 製造程序中加入FEA方法，專家系統 (Barr & Feigenbaum, 1981) 仍 有其價值，專家系統制訂製量化分析解決製造中無法直接求解的問題， 從1980年起專家系統已是好用的處理各種排程問題 ( 參見Adiga, 1993)，專門技術 (expertise) 是採集有條理的問題並記錄其程序，即 所謂之知識引擎 (knowledge engine)，其作法是工程師與整個工廠人 員一起工作來編輯記錄、錄音帶及錄影帶，而建立解決問題的近似性 質模式。 • 當在學習組織中完成 ( 參見第二章 )，其發現工廠人員與機械師順利 地做出這樣的反應—記下生產機器時常發生的問題的種類，同樣的記 下這部機器的調整與監視的過程 (Wright & Bourne, 1988)，在機器最 佳狀態時工廠人員甚至會為其技術是有價值且值得攫取以作為隨後發 生的處理而感到很高興。記錄下專家的法則及特性知識，成一序列的 法則，如同「如果……則……」的形式，在某些領域中的特性參數也 許是沒有量化的資料如顏色或近似的百分比。 91 8.8.2 資料庫與專家系統 • 在其他場合中製造資料較能量化，傳統的關連性資料庫或物件導向的 資料庫較有用 ( 參見Kamath, Pratt, & Mize, 1995)。在高階的資料庫， 這些資料庫可描述關連性的歷史，它的意思是指產品的種類、批量、 及商號的容量。在中階的資料庫，描述整個工廠的人員機器容量，可 完成的公差，作業成本，效益等。 • 在最低階的資料庫中可包含詳細的平版印刷與腐蝕時間的製程文件。 在任何工業，正確之機器調整與診斷的製造參數產生的立即效益是非 常有價值的，這些資料庫亦會併入DFA/DFM的資料結構中。 • PDES/STEP已經浮現在規劃發展一個全球性的通用的資料庫資訊骨 幹及CAD/CAM系統，其目標在於確認在不同公司中的產品與製程的 資料是相容的。現在有很多的大公司依賴著轉包商或外部供應商來完 成他們的供應鏈，因而一個公用的交換格式是非常重要的 ( 參見 Borrus & Zysman, 1997)。 92 8.8.3 大量製造的經濟 93 8.8.3 大量製造的經濟 • 經濟上的目標是確保一個高品質的產品及消除在電腦輔助 製造中的模稜兩可與重作以縮短上市時間 (Richmond, 1995)，例如—Halpern的報告 (1998) —研磨一個電視機 的前後機殼模具大約需 $300,000，如果作一個設變平均 約需原模具成本的10%，即 $30,000 • 大多數的大量製造是定義在沿著第二章所述之市場適應曲 線的成熟技術，但是客戶謹慎地選擇這些成熟的技術，因 為他們測試並證實，且獲得可靠的，可預測的結果。 • 要在整個市場中競爭，所有的公司在其領域中必須應用一 些創新與改革的方法，顯然地，包括可以縮短上市時間的 新的CAD/CAM技術，使用以感測器為基礎的工廠自動化 來降低勞工成本及品質保證，生產客戶化的尤其是網際網 路的使用者，傳統的製造流程必須要打破成模組化分割。 94