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1、第一章 计算机辅助工程与塑料射出成形1-1 计算机辅助工程分析计算机辅助设计(Computer-Aided Design, CAD)是应用计算机协助进行创造、设计、修改、分析、及最佳化一个设计的技术。计算机辅助工程分析(Computer-Aided Engineering, CAE)是应用计算机分析CAD几何模型之物理问题的技术，可以让设计者进行仿真以研究产品的行为，进一步改良或最佳化设计。目前在工程运用上，比较成熟的CAE技术领域包括：结构应力分析、应变分析、振动分析、流体流场分析、热传分析、电磁场分析、机构运动分析、塑料射出成形模流分析等等。有效地应用CAE，能够在建立原型之前或之后发挥功
2、能：协助设计变更(design revision)协助排除困难(trouble-shooting)累积知识经验，系统化整理Know-how，建立设计准则(design criteria)CAE使用近似的数值方法(numerical methods)来计算求解，而不是传统的数学求解。数值方法可以解决许多在纯数学所无法求解的问题，应用层面相当广泛。因为数值方法应用许多矩阵的技巧，适合使用计算机进行计算，而计算机的运算速度、内存的数量和算法的好坏就关系到数值方法的效率与成败。一般的CAE软件之架构可以区分为三大部分：前处理器(pre-processor)、求解器(solver)和后处理器(post-
3、processor)。前处理器的任务是建立几何模型、切割网格元素与节点、设定元素类型与材料系数、设定边界条件等。求解器读取前处理器的结果档，根据输入条件，运用数值方法求解答案。后处理器将求解后大量的数据有规则地处理成人机接口图形，制作动画以方便使用者分析判读答案。为了便利建构2D或3D模型，许多CAE软件提供了CAD功能，方便建构模型。或者提供CAD接口，以便将2D或3D的CAD图文件直接汇入CAE软件，再进行挑面与网格切割，以便执行分析模拟。应用CAE软件必须注意到其分析结果未必能够百分百重现所有的问题，其应用重点在于有效率地针对问题提出可行之解决方案，以争取改善问题的时效。应用CAE工具时
4、，必须充分了解其理论内涵与模型限制，以区分仿真分析和实际制程的差异，才不至于对分析结果过度判读。据估计，全球应用CAE技术的比例仅15%左右，仍有广大的发展空间。影响CAE技术推广的主因有三：分析的准确性。相关技术人员的养成。技术使用的简易性。而CAE模拟分析之主要误差来源包括：理论模式物理现象、材料物性。数值解法(numerical Solver)几何模型(geometry model)错误的输入数据1-2 塑料射出成形塑料制品依照其材料性质、用途和成品外观特征而开发了各种加工的方法，例如押出成形(extrusion)、共押出成形(co-extrusion)、射出成形(injection m
5、olding)、吹袋成形(blown film)、吹瓶成形(blow molding)、热压成形(thermoforming)、轮压成形(calendering molding)、发泡成形(Foam molding)、旋转成形(rotational molding)、气体辅助射出成形(gas-assisted injection molding)等等。塑料射出成形(injection molding)是将熔融塑料材料压挤进入模穴，制作出所设计形状之塑件的一个循环制程。射出成形制程根据所使用的塑料而有不同，热塑性塑料必须将射进模穴的高温塑料材料冷却以定形，热固性塑料则必须由化学反应固化定形。射出
6、成形是量产设计复杂、尺寸精良的塑件之最普遍和最多元化的加工方法。按照重量计算，大约32%的塑料采用射出成形加工。射出成形所生产的塑件通常只须少量的二次加工组合、甚至不需要二次加工组合。除了应用于热塑性塑料、热固性塑料以外，射出成形也可以应用于添加强化纤维、陶瓷材料、粉末金属的聚合物之成形。射出机自从1870年代初期问世以来，经历了多次重大的改良，主要的里程碑包括回转式螺杆(reciprocating screw)射出机的发明、各种替代加工制程的发明，以及塑件计算机辅助设计与制造的应用。尤其是回转式螺杆射出机的发明，更对于热塑性塑料射出成形的多样性及生产力造成革命性的冲击。现今的射出机，除了控制
7、系统与机器功能有显著改善以外，从柱塞式机构改变为回转式螺杆是射出成形机最主要的发展。柱塞式射出机本质上具有简单的特色，但是纯粹以热传导缓慢地加热塑料，使其普及率大大地受到限制。回转式射出机则借着螺杆旋转运动所造成的摩擦热可以迅速均匀地将塑料材料塑化，并且，也可以像柱塞式射出机一般向前推进螺杆，射出熔胶。图1-1是回转式螺杆射出机的示意图。图1-1 回转式螺杆射出机射出成形制程最初仅仅应用于热塑性塑料，随着人类对于材料性质的了解、成形设备的改良、和工业上特殊需求等因素，使射出成形制程大大地扩张了应用范围。在过去的二十几年，许多新开发的射出成形技术应用于具有特殊特征的设计与特别材料的塑件，使射出成
8、形塑件的设计比传统上更具有结构特征的多样性和自由度。因为射出成形的广泛应用及其具有前景的未来，制程的计算机仿真也从早期的均一配置、模穴充填的经验估算演进到可以进行后充填行为、反应动力学、和不同材料或不同相态之仿真的复杂程序。市场上的模流分析软件提供了改变塑件设计、模具设计、及制程条件最佳化等CAE功能。1-3 模流分析及薄壳理论塑料射出成形之模流分析系应用质量守恒、动量守恒、能量守恒方程式，配合高分子材料的流变理论和数值求解法所建立的一套描述塑料射出成形之热力历程与充填保压行为模式，经由人性化接口的显示，以获知塑料在模穴内的速度、应力、压力、温度等参数之分布，塑件冷却凝固以及翘曲变形的行为，并
9、且可能进一步探讨成形之参数及模具设计参数等关系。理论上，模流分析可以协助工程师一窥塑料成品设计、模具设计、及成形条件的奥秘，其能够帮助生手迅速累积经验，协助老手找出可能被忽略的因素。应用模流分析技术可以缩减试模时间、节省开模成本和资源、改善产品品质、缩短产品上市的准备周期、降低不良率。在CAE领域，塑料射出模流分析已经存在具体的成效，协助射出成形业者获得相当完整的解决方案。塑料射出模流分析所需的专业知识包括：材料特性塑料之材料科学与物理性质、模具材料和冷却剂等相关知识。设计规范产品设计和模具设计，可参考材料供货商提供的设计准则。成形条件塑料或高分子加工知识以及现场实务。市场上模流分析软件大多数
10、是根据GHS(Generalized Hele-Shaw)流动模型所发展的中间面(mid-plane)模型或薄壳(shell)模型之2.5D模流分析，以缩减求解过程的变量数目，并且应用成熟稳定的数值方法，发展出高效率的CAE软件。加以90%的塑料成品都是所谓的薄件，2.5D模流分析的结果具有相当高的准确性，佐以应用的实务经验，再结合专家系统，2.5D模流分析仍将主导模流分析的技术市场。薄壳模型要求塑件的尺寸肉厚比在10以上，因此着重在塑料的平面流动，而忽略塑料在塑件肉厚方向的流动和质传，因此可以简化计算模型。就典型的模流分析案例而言，一般大约需要500010000个三角形元素来建构几何模型，目
11、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)分开处理，因此比较不会影响计算效率。通常，2.5D模流分析软件可以读取的档案格式包括.STL、. .IGES、 MESH、STEP等档案格式。1-4 模流分析软件的未来发展传统2.5D模流分析的最大困扰在于建立中间面或薄壳模型。为了迁就CAE分析，工程师往往在进行分析之前先利用转档或重建的方式建构模型，相当浪费时间，甚至可能花费分析时间的80%以上在建模和修模。新一代的模流分析软件舍弃GHS流动模型，直接配合塑件实体模型，求解3D的流动、热传、物理性质之模型方程式，以获得更真实的解答。3D模流
12、分析技术的主要问题在于计算量非常大、计算的稳定性问题和网格品质造成数值收敛性的问题。目前，3D模流分析技术应用的模型技术有下列：双域有限元素法(dual-domain finite element method)：将塑件相对应面挑出，以两薄壳面及半厚度近似实体模型，配合连接器(connector)的应用以调节流动趋势。此技术对于肉厚变化较大的产品，有应力计算的误差和适用性的问题。应用上可能遭遇缝合线预测错误、流动长度估算错误等问题。使用此法的软件如MPI。中间面产生技术(mid-plane generator)： 中间面产生技术可以分为中间轴转换(Medial Axis Transform, MAT)和法则归纳法(heuristic method)，对于复杂结构的塑件，因为肉厚变化、公母模面不对称、肋(rib)与毂(boss)等强化原件的设计，使得MAT技术有实用上的困难，因此此项技术的发展以法则归纳法为主。HPFVM(High-Performance Finite Volume Method)：应用有限体积法配合配合快速数值算法(Fast Numerical Algorithm, FNA)、非线性去偶合计算法(Decoupled solution procedure for non-linearity)及高效率的迭代求解。使用此法的软件如Moldex-3D。