分析模流分析软件的未来发展

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第一章  電腦輔助工程與塑膠射出成形

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- @8 i* K/ Y" S! j" g( Z2 l+ X7 T: |電腦輔助工程分析

' z5 x2 W  ^9 f% `% G" |6 t7 m' E電腦輔助設計(Computer-Aided Design, CAD)是應用電腦協助進行創造、設計、修改、分析、及最佳化一個設計的技術。電腦輔助工程分析(Computer-Aided Engineering, CAE)是應用電腦分析CAD幾何模型之物理問題的技術，可以讓設計者進行模擬以研究產品的行為，進一步改良或最佳化設計。目前在工程運用上，比較成熟的CAE技術領域包括：結構應力分析、應變分析、振動分析、流體流場分析、熱傳分析、電磁場分析、機構運動分析、塑膠射出成形模流分析等等。有效地應用CAE，能夠在建立原型之前或之後發揮功能：
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' b; P' j; V: N& s7 r- o$ a       吠助設計變更(design revision)
+ ?3 ^- I* M( n7 i8 Y$ W       吠助排除困難(trouble-shooting)
+ b4 Z  V# [; S$ r3 U  y2 P3 E+ b       累積知識經驗，系統化整理Know-how，建立設計準則(design criteria)
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CAE使用近似的數值方法(numerical methods)來計算求解，而不是傳統的數學求解。數值方法可以解決許多在純數學所無法求解的問題，應用層面相當廣泛。因為數值方法應用許多矩陣的技巧，適合使用電腦進行計算，而電腦的運算速度、記憶體的數量和演算法的好壞就關係到數值方法的效率與成敗。
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- \; O# g5 P  S$ y) q$ v. T       一般的CAE軟體之架構可以區分為三大部分：前處理器(pre-processor)、求解器(solver)和後處理器(post-processor)。前處理器的任務是建立幾何模型、切割網格元素與節點、設定元素類型與材料係數、設定邊界條件等。求解器讀取前處理器的結果檔，根據輸入條件，運用數值方法求解答案。後處理器將求解後大量的數據有規則地處理成人機介面圖形，製作動畫以方便使用者分析判讀答案。為了便利建構2D或3D模型，許多CAE軟體提供了CAD功能，方便建構模型。或者提供CAD介面，以便將2D或3D的CAD圖檔直接匯入CAE軟體，再進行挑面與網格切割，以便執行分析模擬。
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應用CAE軟體必須注意到其分析結果未必能夠百分百重現所有的問題，其應用重點在於有效率地針對問題提出可行之解決方案，以爭取改善問題的時效。
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              經驗      ＝＞
              知識      ＝＞      實驗比對     ＝＞      品質(Q)、成本(C)、交期(D)
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+ v$ m1 @# v1 b0 \CAE工具    ＝＞

應用CAE工具時，必須充分瞭解其理論內涵與模型限制，以區分模擬分析和實際製程的差異，才不至於對分析結果過度判讀。據估計，全球應用CAE技術的比例僅15%左右，仍有廣大的發展空間。影響CAE技術推廣的主因有三：

: z9 ], |$ C% J) H$ H: k  s8 |分析的準確性。
' r) K; B' C/ W, D0 R* t+ x相關技術人員的養成。
耠卢羈用的簡易性。
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( U4 D( W* g& p" l. Y. m而CAE模擬分析之主要誤差來源包括：
% W) c  I9 b% q) h. K9 R) q5 A
              理論模式—物理現象、材料物性。
5 I* C7 h8 d% H: T1 J              砠值解法(numerical Solver)
              縠啞模型(geometry model)
              錯誤的輸入資料
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1-2
塑膠射出成形

塑膠製品依照其材料性質、用途和成品外觀特徵而開發了各種加工的方法，例如押出成形(extrusion)、共押出成形(co-extrusion)、射出成形(injection molding)、吹袋成形(blown film)、吹瓶成形(blow molding)、熱壓成形(thermoforming)、輪壓成形(calendering molding)、發泡成形(Foam molding)、旋轉成形(rotational molding)、氣體輔助射出成形(gas-assisted injection molding)等等。

1 t9 y# _+ t8 B. H　　塑膠射出成形(injection molding)是將熔融塑膠材料壓擠進入模穴，製作出所設計形狀之塑件的一個循環製程。射出成形製程根據所使用的塑料而有不同，熱塑性塑膠必須將射進模穴的高溫塑膠材料冷卻以定形，熱固性塑膠則必須由化學反應固化定形。
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射出成形是量產設計複雜、尺寸精良的塑件之最普遍和最多元化的加工方法。按照重量計算，大約32%的塑膠採用射出成形加工。射出成形所生產的塑件通常只須少量的二次加工／組合、甚至不需要二次加工／組合。除了應用於熱塑性塑膠、熱固性塑膠以外，射出成形也可以應用於添加強化纖維、陶瓷材料、粉末金屬的聚合物之成形。

! w  {" L# E7 i　　射出機自從1870年代初期問世以來，經歷了多次重大的改良，主要的里程碑包括迴轉式螺桿(reciprocating screw)射出機的發明、各種替代加工製程的發明，以及塑件電腦輔助設計與製造的應用。尤其是迴轉式螺桿射出機的發明，更對於熱塑性塑膠射出成形的多樣性及生產力造成革命性的衝擊。
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現今的射出機，除了控制系統與機器功能有顯著改善以外，從柱塞式機構改變為迴轉式螺桿是射出成形機最主要的發展。柱塞式射出機本質上具有簡單的特色，但是純粹以熱傳導緩慢地加熱塑料，使其普及率大大地受到限制。迴轉式射出機則藉著螺桿旋轉運動所造成的摩擦熱可以迅速均勻地將塑膠材料塑化，並且，也可以像柱塞式射出機一般向前推進螺桿，射出熔膠。圖1-1是迴轉式螺桿射出機
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　　射出成形製程最初僅僅應用於熱塑性塑膠，隨著人類對於材料性質的瞭解、成形設備的改良、和工業上特殊需求等因素，使射出成形製程大大地擴張了應用範圍。　　在過去的二十幾年，許多新開發的射出成形技術應用於具有特殊特徵的設計與特別材料的塑件，使射出成形塑件的設計比傳統上更具有結構特徵的多樣性和自由度。這些研發的替代製程包括：
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3 z9 Y0 U% e4 B- }+ O 共射成形（co-injection molding，又稱為三明治成形）
- @+ x: k  y1 I8 D 核心熔化成形（fusible core injection molding）
. t3 Y7 z2 X+ Q! z6 p% B 氣輔射出成形（gas-assisted injection molding）
9 M4 {! ^$ I5 B; |; {$ v! i 射出壓縮成形（injection-compression molding）
  m& T- i& e( W$ b0 [2 n4 P1 r* |3 F 層狀射出成形（lamellar, or microlayer, injection molding）
活動供料射出成形（live-feed injection molding）
低壓射出成形（low-pressure injection molding）
/ Q2 ?; E) B% { 推拉射出成形（push-pull injection molding）
# z3 X4 B2 X! q* y$ H2 [% m- V 反應性射出成形（reactive molding）
結構發泡射出成形（structure foam injection molding）
薄膜成形（thin-wall molding）

, `" ?- w! }  G# }- W! q: H　　因為射出成形的廣泛應用及其具有前景的未來，製程的電腦模擬也從早期的均一配置、模穴充填的經驗估算演進到可以進行後充填行為、反應動力學、和不同材料或不同相態之模擬的複雜程式。市場上的模流分析軟體提供了改變塑件設計、模具設計、及製程條件最佳化等CAE功能。
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模流分析及薄殼理論
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0 n! t- ]( v$ K5 Z1 J- d塑膠射出成形之模流分析係應用質量守恆、動量守恆、能量守恆方程式，配合高分子材料的流變理論和數值求解法所建立的一套描述塑料射出成形之熱力歷程與充填／保壓行為模式，經由人性化介面的顯示，以獲知塑料在模穴內的速度、應力、壓力、溫度等參數之分佈，塑件冷卻凝固以及翹曲變形的行為，並且可能進一步探討成形之參數及模具設計參數等關係。理論上，模流分析可以協助工程師一窺塑膠成品設計、模具設計、及成形條件的奧秘，其能夠幫助生手迅速累積經驗，協助老手找出可能被忽略的因素。應用模流分析技術可以縮減試模時間、節省開模成本和資源、改善產品品質、縮短產品上市的準備週期、降低不良率。在CAE領域，塑膠射出模流分析已經存在具體的成效，協助射出成形業者獲得相當完整的解決方案。
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6 l. O! d  |; c! f塑膠射出模流分析所需的專業知識包括：
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- W2 r+ G) i9 M! z1 ]( a, _2 S+ X% U              倠饧祥性—塑料之材料科學與物理性質、模具材料和冷卻劑等相關知識。
! j: o" V8 N! {( I/ P設計規範—產品設計和模具設計，可參考材料供應商提供的設計準則。
成形條件—塑料或高分子加工知識以及現場實務。
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. p8 [# c/ O& U) |% p4 A市場上模流分析軟體大多數是根據GHS(Generalized Hele-Shaw)流動模型所發展的中間面(mid-plane)模型或薄殼(shell)模型之2.5D模流分析，以縮減求解過程的變數數目，並且應用成熟穩定的數值方法，發展出高效率的CAE軟體。加以90%的塑膠成品都是所謂的薄件，2.5D模流分析的結果具有相當高的準確性，佐以應用的實務經驗，再結合專家系統，2.5D模流分析仍將主導模流分析的技術市場。薄殼模型要求塑件的尺寸／肉厚比在10以上，因此著重在塑料的平面流動，而忽略塑料在塑件肉厚方向的流動和質傳，因此可以簡化計算模型。就典型的模流分析案例而言，一般大約需要5000~10000個三角形元素來建構幾何模型，目前2.5D模流分析方法在厚度方向使用有限元素差分法(finite difference method)分開處理，因此比較不會影響計算效率。通常，2.5D模流分析軟體可以讀取的檔案格式包括.STL、. .IGES、 MESH、STEP等檔案格式。
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目前，市面上可以看到的塑膠射出成形模擬軟體如下表：

軟體名稱
) w+ }  x" W7 Z3 b" Q開發單位
. A& H, e' @' G: ^C-MOLD
6 b  ]- v7 y9 z6 rA.C.Tech. (美國)
" w9 O0 X/ a2 _8 rMOLDFLOW
Moldflow PTY (澳洲)
" ?! ?4 {: _, G, j; G, M2 SSIMUFLOW
Gratfek Inc. (美國)
5 R# E2 D8 H% b3 r  N4 _& oTM Concept
Plastics & Compute Inc. (義大利)
CADMOULD
I. K. V. (德國)
IMAP-F
7 M! f# F* Z- o0 |(株)豐田中央研究所(日本)
# i1 j$ R8 w7 F  u( {2 Y/ |0 uPIAS
2 H7 o; I) N" WSharp 公司(日本)
  A9 Y: c; Y+ y- o7 B/ z5 m/ \; CTIMON-FLOW
TORAY公司(日本)
1 r; U0 Q& X- w! ~1 TPOLYFLOW
SDRC (美國)
CAPLAS
佳能(日本)
, i. Y& o7 m# a/ R7 PMELT FLOW
宇部興產(日本)
SIMPOE
8 E; I$ e! \  z$ x欣波科技(台灣)
- F- n# k- G  Z# r* m' n7 A+ b4 iMOLDEX
5 g2 T" n9 C6 H) v科盛科技(台灣)
1 b0 q& r6 O" IINJECT-3
2 M$ p+ L; E( D1 x% cPhillips(荷蘭)
, L) O1 F) z2 H( V3 a
. R/ i+ w$ R3 ?# ?  R  v: aDassault(法國)
3 N' R  x7 F. oPro/E Plastics
PTC (美國)
9 s' s4 P' }) U* e! d) ]
' u: ]* G0 k3 R
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$ {: o2 ]& J6 t% a模流分析軟體的未來發展

傳統2.5D模流分析的最大困擾在於建立中間面或薄殼模型。為了遷就CAE分析，工程師往往在進行分析之前先利用轉檔或重建的方式建構模型，相當浪費時間，甚至可能花費分析時間的80%以上在建模和修模。新一代的模流分析軟體捨棄GHS流動模型，直接配合塑件實體模型，求解3D的流動、熱傳、物理性質之模型方程式，以獲得更真實的解答。3D模流分析技術的主要問題在於計算量非常大、計算的穩定性問題和網格品質造成數值收斂性的問題。目前，3D模流分析技術應用的模型技術有下列：

双域有限元素法(dual-domain finite element method)：
將塑件相對應面挑出，以兩薄殼面及半厚度近似實體模型，配合連接器(connector)的應用以調節流動趨勢。此技術對於肉厚變化較大的產品，有應力計算的誤差和適用性的問題。應用上可能遭遇縫合線預測錯誤、流動長度估算錯誤等問題。使用此法的軟體如MPI。
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中間面產生技術(mid-plane generator)：
  中間面產生技術可以分為中間軸轉換(Medial Axis Transform, MAT)和法則歸納法(heuristic method)，對於複雜結構的塑件，因為肉厚變化、公母模面不對稱、肋(rib)與轂(boss)等強化原件的設計，使得MAT技術有實用上的困難，因此此項技術的發展以法則歸納法為主。

HPFVM(High-Performance Finite Volume Method)：
應用有限體積法配合配合快速數值演算法(Fast Numerical Algorithm, FNA)、非線性去偶合計算法(Decoupled solution procedure for non-linearity)及高效率的迭代求解。使用此法的軟體如Moldex-3D。