什麼是落摔測試？

落摔測試是一項受控制研究，研究產品從特定高度與方向落摔到硬質表面時，會發生的情況。工程師會在每次測試後測量衝擊程度、對功能的影響，以及任何外觀損壞。他們會使用這些資訊來改善設計或確定組態是否為可接受的。

雖然大多數人都熟悉手機等消費性電子產品的測試，但工程師在航太、消費品、重型機械、醫療裝置，甚至核材料運輸等多各產業中都會採用落摔測試。

任何落摔測試的目標都是確保產品與包裝設計在產品承受合理次數的落摔之後，能夠保持安全、可正確操作且不傷及外觀。除了實體測試之外，大多數公司也會在早期設計階段，以較低成本使用模擬進行虛擬落摔測試。

落摔測試會探索兩個使用情況下可能遭受的產品損壞。第一種是在使用前的運輸和儲存過程中，第二種則是裝置於使用情境。產品在使用前的階段通常處於某種類型的包裝中，因此，我們會進行包裝落摔測試，以評估包裝的耐用性。然後，它會自行進行測試，探索終最終使用者落摔產品後會發生的情況。 

有效且資訊充足的落摔測試的關鍵在於建立符合業界標準的落摔測試程序，為設計團隊提供實用資訊，並建立包裝與產品設計的驗證。 

落摔測試目標

任何落摔測試專案的第一步，都是建立測試的目標。在某些情況下，唯一的目標是滿足如 FedEx 的貨運商。，或像Amazon及Sam’s Club等經銷商所要求的標準。在其他情況下，設計團隊會使用測試資料來最佳化產品或包裝設計。這個目標應明確記錄下來，並用於制定測試計畫。 

用於落摔測試的變數

產品會從許多不同方向和多種環境條件下，做無限數量的高度掉落。這些都是可能由標準或設計團隊定義的變數。有效的落摔測試應包含下列變數的明確定義： 

• 落摔高度：重力會使物體在自由落體時加速，因此，掉落高度會決定測試檢體撞擊衝擊表面時的速度，進而決定撞擊的能量。 
• 產品定位：當物體落在角落或邊緣時，物體的負載會集中，且造成的損壞傷會比落在大型平坦表面上的損壞更大。這就是為何落摔測試包含多個方向。 
• 落摔次數：產品或包裝可承受一至兩次落摔的衝擊，但每次發生撞擊時都會造成額外的損傷。許多測試都規定了物體在不同高度下必須承受的落摔次數。 
• 衝擊表面材料：平坦衝擊表面的材料會顯著影響傳遞至落摔物體的能量。一些常見的落摔測試表面為混凝土、拋光混凝土、鋼、混凝土上的膠合板，以及混凝土上的乙烯基瓷磚。 
• 溫度和濕度：尤其是對於紙板包裝而言，一個重要的變數是測試環境中的溫度和濕度。這兩個變數決定產品、包裝和落摔表面的材料屬性。 

落摔測試標準

落摔測試有多種標準。有些是由產業制定，有些是由運輸或經銷產品的公司制定，有些則是由國際標準團隊制定。其中一些最常見的是： 

• ASTM D5276：使用自由落體法對裝載容器進行落摔測試的標準測試方法
• ASTM D7386：單一包裹遞送系統包裝效能測試的標準實作
• ISTA 3A：包裹遞送系統裝載量為 150 磅 (70 公斤) 以下
• ISO 2248：垂直落摔衝擊測試
• IEC 60068-2-31：測試 - 測試 Ec：粗暴搬運衝擊，主要針對設備型檢體
• MIL-STD-810G 516.6：環境工程考量與實驗室測試：測試：衝擊

落摔測試設備

垂直落摔測試通常使用一套小型測試設備來執行測試並測量結果。測試規劃人員應指定能夠處理測試物體尺寸和質量的設備，準確測量測試的輸入變數，並從測試中擷取所需資料。 

落摔測試器

使用落摔測試器，以所需高度、方向和衝擊表面的參數持續落摔測試物體。它包含衝擊表面，和將測試物體固定至所需高度和方向並釋放的機制。大多數機器都會自動抬起並釋放測試檢體。 

旋轉滾筒落摔測試器

小型電子元件和手機等裝置均使用旋轉滾筒落摔測試機器進行測試。將測試物體放入旋轉的滾筒中，然後重複提起並放下測試物體。公司會使用這類設備來確認所有可能的落摔方向都已經過測試。 

加速度計

加速度是工程師需要的關鍵資訊，可協助其瞭解產品在衝擊事件期間承受的負載。測試人員使用加速度計測量包裝和產品關鍵位置的加速度。 

光學檢查器

工程師也需要瞭解測試物件在撞擊後的外觀損壞和物理變形。技術人員可使用各種校準測量裝置，透過高品質攝影機或光學光掃描取得變形表面，來以目視檢查的方式瞭解這些資訊。 

產品測試夾具

如果產品功能是其中一個測試需求，則會使用測試夾具來自動化功能測試。 

落摔測試的一般步驟

1. 規劃：測試工程師會使用目標、產品規格以及產業或公司標準，來規劃最有效率且符合所有要求的一組測試。
2. 設備校正和設定：落摔測試設備應針對測試進行校正與設定。這包括解決安全問題，並視需要實作自動化和資料擷取。 
3. 樣本準備：技術人員必須準備測試物體。這可能是包裝與產品的原型，或是從生產中提取以進行測試的樣本。安裝加速度計，並視需要進行標記。在此階段也應確認重量。 
4. 執行：使用落摔測試計畫中所述的測試設備執行測試。執行中的每個步驟都必須一致，並遵循測試計畫。 
5. 檢查與分析：每次落摔測試後，技術人員和工程師都會檢查測試物體，並記錄任何幾何、外觀或功能的變化。測試結果也會被分析，以取得測試或工程團隊要求的資料。 
6. 說明文件與報告：任何測試計畫的輸出均為完整且詳細的報告，說明已完成的測試、取得的資料，以及測試計畫的任何例外狀況。 

開發新產品時，工程團隊將著重於其在正常操作期間的運作效能。正常操作包括考慮到在整個產品生命週期中，以多個點落摔裝置。落摔測試已成為產品品質的關鍵部分，原因有很多，包括：

1.安全性

落摔測試最重要的優點是產品安全性。如果產品的結構完整性在掉落後失效，可能會洩漏化學物質、過熱、著火或以可能造成傷害的方式運作。設計團隊使用落摔測試或掉落測試模擬，來最佳化產品及其包裝的材料與結構，以滿足安全性規格。

2.產品耐用性與功能性

在滿足安全性要求後，落摔測試的下一個目標是確認產品的耐用性足以在落摔後正常運作。這代表的意義取決於正在進行測試的產品。IoT 感測器可能出現凹痕和刮痕，但只要它持續收集準確的資料，就會被視為功能正常。 

功能性在醫療和國防產業中變得至關重要，在這些產業中，功能缺失會對病患和士兵產生重大影響。落摔測試有助於設計團隊在合理的落摔次數下，驗證其設計的耐用性。 

3.客戶滿意度

產品掉落後的狀態可能會對客戶對產品和品牌的感受產生重大影響，尤其是功能性降低的情況下。此外，包裝在交付時的外觀狀態或產品本身在落摔後的外觀狀態對客戶滿意度有重大影響。凹痕、刮痕與裂痕可能不會影響功能性，但會對客戶對產品的印象造成負面影響。 

落摔測試不僅可以避免此類損壞，也可以協助設計團隊與行銷和客戶支援部門合作，讓最終使用者對承受掉落的物體有更高的期待。 

4.減少尺寸、材料、運輸和儲存成本

使產品從各種高度自由墜落的最簡單方法是在包裝和產品本身添加材料。但是，這會增加材料、運輸與儲存的成本，進而增加產品的整體成本。落摔測試可協助工程師確認其包裝設計與產品是否能在滿足掉落要求的同時將成本降至最低。 

5.更換、維修和保固成本降低

更換在運輸或使用過程中損壞的產品可能會快速增加成本。落摔測試有助於確定保固範圍涵蓋哪些類型的掉落，以及對承運機構的需求。此外，落摔測試也能改善產品的耐用性和包裝，以降低與破壞性掉落相關的潛在成本。 

實體落摔測試是品質保證中廣為人知且有效的部分，但實體測試只能在包裝設計與產品的可測試版本存在後進行。此外，該測試也很昂貴且耗時，更別提在開發程序後期變更設計的成本了。這就是為何許多公司會使用模擬來執行虛擬落摔測試，作為產品設計程序的一部分，而不是作為程序完成後的步驟。 

Ansys LS-DYNA® 軟體是適用於大多數產業的落摔測試模擬的標準模擬工具。它是有限元素分析 (FEA) 平台，可在時域中求解，並將質量、動量、複雜的材料和複雜的接觸條件納入考量，這正是工程師模擬落摔測試所需的內容。模擬不僅可以協助工程師瞭解產品及其包裝的落摔行為，也可以快速進行參數化「假設」研究，以推動這些設計。

模擬的另一個優點在於可讓工程師查看包裝內部或產品，並檢視衝擊事件期間內部行為隨時間的變化，提供比實體測試更深入的見解。部署落摔測試模擬的工程師可存取組件中任何位置的加速度、應力、變形、接觸力、塑膠變形以及位移。

使用模擬以虛擬方式進行落摔測試時，工程師應考慮以下最佳實作範例：

• 盡可能使用六面體 (六面) 元素建立高品質且準確的網格，在厚度上使用足夠的元素，並在需要時使用高階元素。使用相對一致的元素尺寸也很關鍵。Ansys 套件中有多種網格工具，可協助完成此程序。 
• 使用黏合接點連接產品中彼此連接的元件，並使用摩擦接觸來表示在撞擊事件期間可能彼此滑動的表面。您可以使用 LS-DYNA 軟體中的多種工具來建立和管理接觸行為。 
• 在每個新發行版本中運用 LS-DYNA 軟體的新增功能。多重案例建模、紙板材料和新網格工具等功能可改善落摔測試的功能與使用者體驗。 
• 在您自己的硬體或雲端上運用高效能運算 (HPC)。LS-DYNA 軟體支援多核心平行處理，可用於較大型的模型並縮短求解時間。

客戶與分銷合作夥伴的期望不斷變化，推動落摔測試的技術與期望。永續也會對產品使用的材料以及包裝方式造成重大影響。 

以下是工程師在規劃未來的落摔測試工作時應考量的五個趨勢。

永續性

永續是推動產品包裝系統的最大變化。在某些情況下，消費者和零售合作夥伴的期望是能夠在沒有任何保護性運輸包裝的情況下，以自己的包裝運輸產品。環境問題也促使產品及其包裝使用更多永續材料，並整體使用更少的材料。

降低成本

製造、包裝和運輸的成本可能相當大，而公司也在不斷尋找盡可能降低成本的方法。落摔測試將扮演更重要的角色，尤其是模擬落摔測試，可協助工程師進行設計變更以降低產品及其包裝的成本，同時確保其衝擊耐用性符合規格。 

使用者預期提高

使用者對於包裝外觀，以及產品承受從不斷增加的高度掉落能力的期望不斷提高。工程師需要在設計程序早期進行模擬落摔測試，以滿足這些期望，並讓其產品具有競爭優勢。 

貨架展示和開箱體驗

使用者期望不斷提升的另一個領域是產品在實體和虛擬貨架上的外觀，以及開箱體驗。這些美學問題將對衝擊耐用性所需的設計特色產生越來越大的影響。這也是模擬落摔測試可以為工程師提供所需工具的方面，以便在開發週期早期嘗試更美觀的包裝設計。 

多重物理量模擬

在模擬領域中，大力推動利用 LS-DYNA 軟體等工具中的多重物理量功能，並將其與 Ansys Mechanical™ 軟體、Ansys Sherlock™ 工具、Ansys Icepak® 軟體與 Ansys Fluent® 應用程式相結合。這可評估落摔的負載及變形對產品效能及可靠度的影響。 

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