返回列表 首頁 快製教學 小批量試產

第 5 課

關於製作小批量樣品的方法

在硬體產品開發流程的不同階段,會有小批量樣品的需求。在不同階段需要的樣品,因為目的性的不同自然在樣品精緻度、完整度也不太 一樣。準備樣品也會花費一筆不小的預算,身為新創團隊領導的你不得不精打細算、看緊荷包。丹尼斯老師敢這麼說:對於會精算成本、 控制預算的團隊,絕對更受天使投資人或創投的喜愛,誰知盤中餐粒粒皆辛苦啊!

在硬體產品開發流程中,至少應該會在以下這幾個階段需要一組,或多組模型或樣品:

01

POC, Proof of Concept 概念驗證

你需要的是一台不拘形式、不管品質、可以讓團隊夥伴(或者外人)了解你想法的”破 銅爛鐵”。也許用 3D printer 印一印、也許用瓦楞紙版+熱熔膠糊一糊、拿個家用水 桶模擬產品所需要的容器不過分。相信丹尼斯,真的就這樣就夠用了,把經費留在後 面,別擔心沒處花。

02

EVT, Engineering Verification Test 工程驗證

在 EVT 階段,你終於第一次可以把電子、機構件全部組合在一起,開啟電源讓它動起 來。在這個階段你的 working prototype 功能模型已經能動了(也許還不是百分百能動 啦),又有一個吸引眼球的亮麗 ID 外觀,已經可以去群眾募資亮相當為電影拍片主角 囉! 或許拿去創業競賽 pitch、受邀參加新創展覽被媒體採訪、被安排與天使投資人或 創投媒合。有這台模型比你那份 30 頁簡報更具說服力。如果有足夠的預算,一方面 也想縮短潛在客戶、或重度使用者回饋意見的時間,就需要一次準備數量較多的功能 模型,讓更多人加入測試的行列,同步蒐集使用者回饋。

如果一次需要 20 組以上的功能測試樣品,用矽膠翻模 soft-tooling 是一個不錯的選 擇。採用這種方法必須先以 CNC 完成一組原型 Master。之後去翻成一組由公母模所 構成的矽膠模具。再把 PU 膠(類 ABS)灌注到模具內,待抽真空、靜置固化後拆模及 完成程序。因矽膠模具反覆組合、拆解,容易變形,僅能產出約 20 組品質較佳的樣 品,表面也能塗裝、印刷,缺點是強度比較差。

一般來說,矽膠翻製品與 CNC 加工相比,費用較低品質稍差,是不錯的選擇。

03

PVT, Production Verification Test 量產驗證

手機產業所面對的市場高度競爭,必須快速把新產品推向市場。一方面要縮短 R&D 研發、驗證產品功能的時間,另一方面要堅守上市日期以免錯失銷售熱季(例如聖誕 節)。手機廠會採用一種高成本的方法,開一套快速模具 RT, Rapid-tooling 來產出一 批”準量產品質”的樣品,同步去做測試、去驗證功能。因為無論是 CNC 或矽膠翻 模做出來的樣品,因為使用材質與工法都與模具射出成形差異甚大,無法拿來做信賴 性測試,例如:落下試驗、冷熱衝擊、EMC、EMI、ESD...等。有了這批”準量產品質”的樣品,還可以給行銷人員與海外代理商做新產品發表會用的展示機,預估銷量 並開始為後續的量產後勤作業預作準備。

各位創新創業的夥伴大家都知道,要製做月餅、紅龜粿需要模具,但電子產品的塑膠外殼是怎麼製造出來的呢? 我們來談談關於模具的基礎知識。在這堂課,丹尼斯老師要聚焦在塑膠鋼模的製造程序上,讓創新創業的夥伴能掌握一些基本概念:開發一套模具要經過哪些程 序。有了這些基本知識,你就能理解他們的專業。為什麼開發一套塑膠鋼模需要這麼久的時間、需要那樣的費用、修模為什麼這麼麻煩。 以下是開發一套塑膠模具所需的基本程序:

01

3D CAD

這是由客戶所提供的原始零件圖面。模具工廠的費用與製作時程評估,就從這裡開始。

02

開模前檢討

與客戶檢討:塑料材質、分模線位置、進澆型式、灌點位置、咬花編號、拋光等級、模穴數、共模情 況...等。

03

繪製 2D 模具圖

由專業繪製模具圖的工程師(委託專業模具圖繪製的公司),繪製模具零件與組立圖。

04

模具零件加工

根據模具圖面開始加工零件,與採購模具標準部品。零件加工包括:CNC、線切割、放電。

05

鉗工精修

將模仁母模面拋光、精度調整。(台灣模具業常用日語:仕上げ最後修整的意思)

06

模具組立

將所有零件組立起來,調整各部位間隙。

07

試模

把模具送到試模廠或成形廠,實施第一次射出成形 Trial-shot.

08

修模

根據試模結果所確認的技術報告書,實施修模。可能需要機構設變、更換塑料或模具精修。

09

模具驗收

經過最後一次試模後,模具終於驗收可以開始大量生產了。


塑膠射出鋼模,有個最基本的認識就是公模與母模。舉個實際的例子,以手機保護殼來說:公模面就是跟你的手機接觸的那一面,母模面 就是你手握持的這一面。母模面強調質感、精緻度,而公模面強調尺寸性。模具在製造的過程中,需要應用放電加工 EDM, Electro- discharge Machining,才能讓模具各部位的尺寸更精準到位。特別是在模仁加工時都是先以 CNC 把大部分的鋼料切削移除,由於銑刀 長度、空間與銑刀的形式(包括:端銑刀 End-mill、球形刀 Ball-end mill)限制,單靠 CNC 無法完全將模具的底部或角落特徵依要求來製 作,這時候就得用電極來放電加工。這是一種很特殊的加工法,透過高壓電流的放電將鋼料逐次移除,以達到所需要的外形輪廓與精度。


以硬體新創團隊要開發量產模具,以下幾點是你絕對需要注意的重點:

  1. 準備好所有開模零件的 3D CAD 檔,總組立與分見圖。讓工廠事先評估費用與圖面問題點。
  2. 準備好一份材質說明:CMF, Color Material & Finish,因為你所指定的零件材質、配色將會影響到模具報價。同一種材質、顏色 的零件才能放在同一組模具內。
  3. 事先估算好未來量產時所需的數量,如果初期數量少每個零件一模一穴,或者同材質同配色零件共模 Family mold 是最經濟。如果 量產訂單數量大就得考慮一模多穴 Multi-cavity,雖然模具投資費用會升高(模穴數變多模具尺寸也會變大),但是單價也會明顯下 降。丹尼斯老師建議,新創事業剛起步先用共模來測試市場,等訂單大了砸錢重新開更多穴數的模具也是甜蜜的負擔啦!
  4. 產品的外觀面有分為亮面 Glossy、平光 Flat、消光 Matte。如果是亮光面,建議模具鋼材至少 NAK-80 或更高等級的不鏽鋼 Stavax。平光、消光一般選用 P-20 已經綽綽有餘,生產 5 萬組塑膠外殼,不鏽鋼模具可以保證生產 30 萬組絕對沒問題。
  5. 在工廠完成模具費用評估後,如果雙方有意願合作,接下來有一個非常重要的工作就是:開模前檢討。模具廠會先完成一份 DFM, Design for Manufacturing 文件,針對會影響開模的因素提列出來檢討,項目包括:決定塑料材質、分模線位置、進澆型式、灌 點位置、咬花編號、拋光等級、模穴數、共模情況、可能造成縮水與形變、翹曲區域,預做模流分析與解決對策。
  6. 預估首次試模 T-trial 時間,以一般 3C 產品零件數不是特別多、尺寸適中,大概需要 30-40 天左右。以模具廠習慣通常都以日曆 天 Calendar day 計算。
  7. 試模完畢後,要提出一份技術報告書把你所談到的問題點記錄下來,例如:外觀有刮痕、外殼跟 PCB 有干涉、縮水、缺料...等。大 體上在前幾次的試模重點應該聚焦在結構性的問題,例如:尺寸是否準確、間隙是否過大、卡勾配合是否有段差、縮水變形...等。 外觀不夠亮、或表面咬花這類問題,應該等到最後再一次解決。

聊完塑膠模具,不能不談射出成形,這兩種工法談到的是同一件事。

塑膠普遍存在我們的日常生活中,離各位創新創業的夥伴是非常近的。這一堂課我們繼續延續用輕鬆活潑的方式跟大家分享,當你為自己 開發的產品需要面對塑膠射出工廠接觸時,所必須知道的基礎知識。丹尼斯老師也要恭喜你,在硬體創新的旅程你已經走到準備量產的階 段了!


在這堂課我們將介紹關於塑膠的兩大重點:

  1. 塑膠件是用怎麼被製造出來的?
  2. 塑膠成形後要怎麼判斷品質的優劣?

塑膠是石油的副產品,經過提煉後成為今天觸手可及的日用品主要材料。塑膠基本上分為兩類:熱塑性與熱固性。熱塑性是指塑膠經過射 出成形程序固化後再適當加溫,又會恢復到融熔狀態。但熱固性塑膠就永遠無法再恢復原始的狀態了。

我們平常所接觸到的塑膠,種類非常多各有其特性與應用的場合,例如:ABS, PC, PC+ABS, PMMA(也就是大家熟知的壓克力), PA66(尼 龍)、POM、PVC、TPU...等。一般的消費性產品,以 ABS、PC、PC+ABS 最為常見。

塑膠的成品一般是以模具來射出成形,這種模具就是我們比較熟悉的塑膠鋼模。我們在其他課程中有提到,模具結構上分為公、母模,行 業術語上母模稱之為不可動側、公模稱之為可動側。也就是在射出成形時,模具的母模(不可動側)被牢牢的鎖在射出成形機台上,公模(不 可動側)會在塑膠射出成形過程中垂直或橫向移動。

塑膠要能被機器射出並且成形,大致上的程序如下:

01

染色抽料

塑料在被製造出來時,大部分的情況是無色。但為了美觀或時尚的需求,ID 工業設計師會在 CMF 文件上指定某個 零件要用 Pantone 的某個色號。此時,射出成形廠就會請專業的染色廠按照指定的 Pantone 色號去抽料染色、或 提供色粉給我們生產時來使用。那為什麼還要分為抽料跟色粉呢? 抽料,是為了大量製造時每批或者不同批之間的 顏色差異控制在一定的程度,同一批生產時產生色差的機率比較低,不同批生產時如果顏色比例沒控制好,就會 產生色差。對消費者而言,同樣擺在賣場上的某個產品,外觀顏色看起來不一樣會覺得品質有問題,而影響購買 意願。色粉則是在試模時,為了模擬產品未來量產時的感覺、或者比較容易讓塑件的缺失浮現出來,臨時用某種 比例下去混合(通常是每一包 25 公斤的塑料搭配幾克)。

02

塑料熔融

塑料在經過高溫加熱熔融後(不同塑料熔融溫度不同,ABS 大概在攝氏 175 度左右)。此時會看到一粒粒的塑料逐 漸軟化後呈熔融狀像麥芽糖一樣。

03

塑料射出

此時將模具的公母模閉合並鎖緊,準備開始將熔融狀的塑料以高壓射入到模具中。事實上塑料是分段、以不同壓 力將塑料射入到模具中,過程很像是我們吹氣球分幾次將空氣吹入氣球,並形成一個形體出來。

04

模具保壓

在等待塑料冷卻固化的過程,射出成形機先以某種壓力維持一段時間,讓原本在模具內還呈現熔融狀的塑料能維 持我們所需要的外形、尺寸並等待下一次的射出成形循環。

05

開啟模具

此時,熔融塑料經過冷卻降溫後,已經形成固化的塑件(其實溫度還蠻高的,有點像剛出爐麵包,揪燒喔~)。模具 開啟後會發現塑件還被留在公模這邊(可動側),接下來會看到有一堆金屬棒(模具術語稱為頂針 Ejecting pin),用 力將塑件從公模上被推出。如果創新創業的夥伴們曾經拆解過電子產品,你就會發現每個塑膠殼的底部佈滿許多 小圓圈,這就是塑件還在微熱的狀態下被頂針頂出的痕跡。印證了一句話...凡走過必留下痕跡...。

06

取出成品

當塑件被頂出後,就可以用人工或機械手臂將塑件從模具取出。剪掉料頭後就是我們要的塑件了。


好了,塑件已經做出來了,我們會看到操作成形機台的師傅,左看、右看、上看、下看仔細檢查塑件(或者說成品)有沒有不良或瑕疵。到 底成品會有那些瑕疵呢,我們就舉幾種常見的成形不良狀況? 造成這些現象的原因很多,建議有興趣的創新創業的夥伴去深入研究關於” 成形不良與對策”的資料來拜讀。讓我們繼續看下去...

01

溢料,或稱毛邊 Flash

溢料,就是紅豆餅中間那缺毛邊啦! 如果你買來的紅豆餅有一大片毛邊,你肯定很爽吃起來脆 脆的。因為製作紅豆餅時不需要把模具加壓,所以上下兩片模具之間沒有那麼密合,把製作餅 皮的麵糊到進去時,就會在模具內流動亂竄而造成毛邊,而且購買者還希望毛邊越大片越好。 但是如果你到大賣場買到一個電子產品有毛邊,這可大條了,”叫你們經理給我出來”!

02

充填不足 Short shot

就是射出成形後的成品有斷手斷腳的狀況,外形的完整度不夠會影響產品外觀跟結構強度。

03

凹痕與空隙 Sink mark / Void

如果創新創業的夥伴注意觀察有些塑膠成品的外觀面有不平整、凹陷、或有氣泡(通常是透明件 比較明顯)的狀況,這都屬於外觀不良。雖然不會影響功能或者強度,但在外觀品質檢驗規範算 是重缺點,應該與成形工廠共同尋求對策,不可以隨便放過。

04

熔合線 Welding line

這種外觀不良現象頗為普遍,特別會發生在成品有孔的位置。我們可以想像這是怎麼發生的: 成品有孔就代表模具是柱子(反過來),當熔融塑料在模具內快速流動,碰到柱子後(假設在 6 點 鐘位置)自然先往兩邊流動後在另一側(12 點鐘位置)交會。如果這時候剛好塑料填滿模具正接 近冷卻的時刻,就會形成塑料融合線,等於是熔融塑料瞬間凝結在固化的那一刻...留下一道時 間的刻痕...切,誰要這條醜醜的線啊! 而且,可能不是一條...如果式喇叭孔...就會有一大片囉! Void 是氣泡,如果是透明件就會影響外觀。

05

翹曲變形 Wrap / Distortion

特別是成品肉厚不均、成品呈平板狀就會有這個問題。翹曲變形會影響產品外觀組裝或者穩定 度,例如:LCD 顯示幕可能造成面板與外框間的間隙不一致,或者腳架不穩定。通常在業 界,腳架與桌面間隙以一張名片的厚度是可以接受的,貼上泡棉腳墊就可以補償回來了。


綜合以上的課程重點,我們幫各位創新創業的夥伴做個總整理:

  • 在硬體產品開發流程的不同階段,因為目的性的不同自然在樣品精緻度、完整度也不太一樣。準備樣品會花費一筆不小的預算,新 創團隊一定要精打細算、看緊荷包,在外部火力支援不足的情況下能讓團隊存活下來。
  • 你會在以下 3 種狀況下,需要不同數量、與品質的功能模型或樣品:
    1. POC 概念驗證-你需要的是一台不拘形式、不管品質、可以讓團隊夥伴(或者外人)了解你想法的”概念原型。 3D printer、瓦楞紙版+熱熔膠、家用水桶模擬新產品的容器都 OK!
    2. EVT 工程驗證-這是一台可以展現功能的 working prototype,包括:ID、ME、EE 都有了。有了這台功能模型,你 已經可以去參加:群眾募資、創業競賽 pitch、新創展覽、媒體採訪、投資媒合。可以身歷其境使用的 模型比任何精彩的 PPT 簡報更具說服力。
    3. PVT 量產驗證-手機業為了把新產品快速推向市場,同時驗證產品功能也堅守上市日期,採用快速模具 RT, Rapid- tooling 來產出一批”準量產品質”的樣品,同步去做測試、去驗證功能。例如:落下試驗、冷熱衝擊、EMC、EMI、ESD...等。業務部門可以用來檢討預估銷量,並開始為後續的量產後勤作業預作準 備。
  • 以下是開發一套塑膠模具所需的基本程序:

    3D CAD>開模前檢討DFM>繪製 2D 模具圖>模具零件加工>鉗工精修>模具組立>[試模>修模]反覆幾次>模具驗收

  • 塑膠射出鋼模,有個最基本的認識就是公模與母模。以手機保護殼來舉例:公模面就是跟手機接觸那一面,母模面就是手握持這一 面。母模面強調質感、精緻度,公模面強調尺寸性。
  • 模仁加工時都是先以 CNC 把大部分的鋼料切除,由於銑刀長度、空間與銑刀的形式(包括:端銑刀 End-mill、球形刀 Ball-end mill)限制,單靠 CNC 無法完全將模具的底部或角落特徵依要求來製作,得用電極來放電加工。透過高壓電流的放電將鋼料逐次移 除,達到所需要的外形輪廓與精度。
  • 以硬體新創團隊要開發量產模具,以下幾點是你絕對需要注意的重點:
    1. 準備好 3D CAD 檔,總組立與分見圖,以利工廠評估費用與圖面問題點。
    2. 準備材質說明:CMF, Color Material & Finish。同一組模具內的零件、材質、顏色必須相同,初期訂單可以考慮每個零件一模一 穴,或者共模 Family mold 是最經濟。量產訂單數量大採用一模多穴 Multi-cavity,模具投資費用會升高,但是單價也會下降。
    3. 產品的外觀分為亮面 Glossy、平光 Flat、消光 Matte。如果塑殼要求亮面,模具鋼材應採用 NAK-80 或不鏽鋼 Stavax。平光、 消光選用 P-20(可生產 5 萬 pcs 以上),不鏽鋼模具 Stavax(可以生產 30 萬 pcs 以上)。
    4. 有一個非常重要的工作就是:開模前檢討。由模具廠完成 DFM, Design for Manufacturing 文件,檢討可能會影響開模的因素, 項目包括:決定塑料材質、分模線位置、進澆型式、灌點位置、咬花編號、拋光等級、模穴數、共模情況、可能造成縮水與形變、 翹曲區域,預做模流分析與解決對策。
    5. 預估首次試模 T-trial 時間,以一般 3C 產品約需要 30-40 天左右,通常都以日曆天 Calendar day 計算。
    6. 試模完畢要提出技術報告書,把會議結論記錄下來,例如:外觀有刮痕、外殼跟 PCB 有干涉、縮水、缺料...等。前幾次試模重點應 該聚焦在結構性的問題,例如:尺寸、間隙、卡勾段差、縮水變形...等,外觀問題,等到最後再一次解決。
  • 塑膠基本上分為兩類:熱塑性與熱固性。熱塑性是指塑膠經過射出成形程序固化後再適當加溫,又會恢復到融熔狀態。但熱固性塑 膠就永遠無法再恢復原始的狀態了。
  • 我們平常所接觸到的塑膠,種類非常多各有其特性與應用的場合,例如:ABS, PC, PC+ABS, PMMA(也就是大家熟知的壓克力), PA66(尼龍)、POM、PVC、TPU...等。一般的消費性產品,以 ABS、PC、PC+ABS 最為常見。
  • 塑膠的成品一般是以模具來射出成形,模具結構上分為公、母模,行業術語上母模稱之為不可動側、公模稱之為可動側。也就是在 射出成形時,模具的母模(不可動側)被牢牢的鎖在射出成形機台上,公模(不可動側)會在射出成形過程中垂直或橫向移動。
  • 塑膠模具的成形程序,大致上分為:染色抽料 > 塑料熔融 > 塑料射出 > 模具保壓 > 開啟模具 > 取出成品
  • 塑膠成形品有許多品質不良的狀況,最常見的是:溢料,或稱毛邊 Flash、充填不足 Short shot、凹痕與空隙 Sink mark / Void、 熔合線 Welding line、翹曲變形 Wrap / Distortion...等。

作者:游明熏 Dennis You

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