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1、什麼是模流分析? 以下簡單介紹模流CAE的起源與歷史冀能幫助工程人員有不同角度的省思與瞭解。各領域的CAE應用功能不盡相同,早期主要是用在結構體強度計算與航太工業上。但應用於塑膠射出與塑膠模具工業的CAE在台灣我們稱為模流分析,這最早是由原文MOLDFLOW直譯而來。MOLDFLOW是由此領域的先驅 Mr. Colin Austin在澳洲墨爾本創立早期(1970)只有簡單的2D流動分析功能,並僅能提供數據透過越洋電話對客戶服務但這對當時的技術層次來說仍有相當的助益之後開發各階段分析模組, 逐步建立今日完整的分析功能。 同一年代美國Cornell大學也成立了CIMP研究專案,由華裔教授Dr.K.
2、K.Wang所領導針對塑膠射出加工做系統理論研討,產品名為C-MOLD。 自1980年代起,隨著理論基礎日趨完備,數值計算與電腦設備的發展迅速,眾多同類型的CAE軟體漸漸在各國出現功能也不再侷限於流動現象探討。約1985年工研院也曾有過相似研發,1990年起清華大學化工系張榮語老師也完成CAE-MOLD軟體提供會員使用,目前則由科盛公司代理銷售。 MOLDFLOW公司創辦人Colin Austin是個機械工程師1970年前後在英國塑膠橡膠研究協會工作。1971年移民澳洲擔任一家射出機製造廠的研發部門主管在當時塑膠材料在應用上仍被視做一種相當新穎的物料具備了一些奇異的特性。但在塑膠加工領域工作了
3、幾年後他開始對一般塑膠產品的不良物性感到疑慮一般的塑膠製品並沒有達到物品的適用標準相反的塑膠已逐漸成為便宜、低品質的同義字但他卻發現多數主要不良品質的成因卻是因為不當成品設計與不良加工條件所造成的所以他開始省思產品設計本身需同時考慮成型階段才是成功最重要的關鍵。 他開始花費大量時間在研究塑膠流動的文獻上但發現這些理論並不能合理解釋他在工廠現場所看到的許多問題因此他開始換角度去思考這些問題將射出機台視為一整組加工程序螺桿正是能量的傳遞機構而模具內部的流動形態才是決定成品品質的最主要因素。具體的關鍵問題是澆口位置?在何處進澆? 幾個澆口? 尺寸為何? 這是一個革命性觀念的啟示模具內部的成形型態才真
4、正決定了產品品質而不僅是機臺參數設定或產品外觀設計最佳產品是需要完整考量、系統化的設計觀念才有辦法得到！ 但即使瞭解了這個觀念問題仍未解決因為在當時模具內部成型時的流動形態仍無法在試模前判斷而要去預測流動形態必須依據非常複雜的流體力學與熱傳問題的聯立方程式求解以人力來做幾乎是不可能。 隨著學術理論發展電腦計算功能的進步正式為模流CAE開啟了一扇門1978年MOLDFLOW公司成立提供初步的電腦輔助分析技術給世界上不同國家的塑膠製造公司包括汽車業家電業電子業以及精密模具業等。 現今模流技術已普遍為世界各國所肯定功能也加強到成型各不同階段而台灣也已開始起步坊間自三重五股以至於台南高雄鄉間的模具廠總
5、數可能超過五千家九成以上仍傳承著師徒相授與摸索得來的經驗不知其所以然但仍努力接單持續著台灣經濟的奇蹟只是訂單愈來愈少利潤愈來愈薄競爭愈來愈激烈. 現在正是一個轉型的時機可以預見當電腦技術幫助縮短成本與時間的同時沒有跟上腳步的會愈落後愈遠可能終將被淘汰！ 容許的誤差CAE是一項電腦工具其效益大小決定於操作者如何發揮但錯誤的輸入可能得致反效果,遭受更大的損失。要能發揮CAE的功能關於準確性的一些基本的觀念需要事先瞭解: *理論未完全發展完成前,仍有簡化與假設,可能導致誤差。 *電腦運算與數值方法求解時,為求達到收斂得解會有部份計算誤差發生。 *物性數據的真實性(測試誤差與製程穩定性)。 *人為操作
6、誤差。(模型建立尺寸精度等)一般說來,CAE得解的誤差值不見得都能小於模具容許公差但這不要認為CAE不夠準確或失去實用性現實上理論與實務雖仍有差距,但相對的CAE提供了詳盡的數據輔助判斷較之傳統經驗試誤法仍是大幅提升了效益。模流CAE的操作 模流CAE軟體的操作可分成三方面: (1) 模型建立(Modeling): 模型代表著成品幾何形狀與尺寸規格,通常軟體會附有前後處理程式前處理為model建立後處理為分析結果圖形顯示。另外透過轉換介面也可以接受CAID工業設計軟體如Alias-WaveFront,CAD軟體如IDEAS, Pro-E,CATIA或其他CAE軟體如ANSYS,NASTRAN等
7、建好的模型。(2) 物性數據(Data Bank): 所有的物理解析均根據於材料的物性出發做計算不同物料則有不同的物性產生不同的成型情況。CAE軟體內一般均有內建資料庫提供操作者呼叫使用。 (3) 成型條件(分析模組): 完整的射出成型分為幾個階段各階段均有不同物理現象在進行因此也需要分段使用不同模組來做計算。 概略來說充填是一種流動現象保壓是後續的二次高壓以補償固化收縮的體積冷卻則計算管路與模具、熱塑料間的熱傳現象。固化後成品會收縮收縮不均成品會產生翹曲受外力時會產生應力變形添加玻纖的複合材料則有配向性問題影響結構強度熱固性材料則需考慮固化反應動力學氣體輔助射出成型則有塑膠與空氣兩相流動的問
8、題另有一些不同於傳統射出成型的的新程序與觀念也正在持續發展中例如計算模具收縮尺寸、最佳化條件尋找的功能,以及智慧型控制系統等。 解析程序 CAE 解析程序則可以分為六個步驟: CAE之數值解法大都使用有限元素分析,首先需架構成品如圖A,為一乾衣機殼蓋板model是由surface面所組成如圖B進行數值計算則先切割成元素如圖C元素之數目則影響了分析正確性與計算時間,如圖D. 圖A 圖B 圖C 圖D 元素切割密度與計算精度的關係可解釋如下。下圖為一簡單平板,但平均肉厚2mm中夾有一區為1mm,由左方入料,預期孔區肉厚薄阻力大流速會較慢因此右側會有一縫合線產生。但當切割元素密度參數不同時, 所顯示結
9、果詳細程度會有所不同太粗的網格可能就失去這條縫合線的資料。 前後處理程式 前處理 是指Model建立，包括成品幾何尺寸、澆口位置、流道配置等, 如下圖 後處理 則是分析結果顯示，包括計算所得的各種物理量如時間、溫度、壓力等MODEL建立 Model建立包括成品幾何尺寸、澆口位置、流道配置等。後處理則是分析結果顯示包括計算所得的各種物理量如時間、溫度、壓力等。另外當CAD已完成 Model繪製後可以轉換介面直接讀取省略二次繪圖時間。目前可接受IGES、Patran、Ansys、C-Mold(已購併)、STL及實體元素(Solid element)如Pro-E等。 前後處理程序: 分析前要先建立一
10、個模型使電腦能瞭解成品所有幾何性。Model是由點(point)與面(surface)所組成。每一點在空間上都有惟一座標值面由點所聯結而成但需注意同一個面上所有點需為共平面不可以歪斜否則元素切割(mesh)會有錯誤。面則包含一些屬性例如幾何厚度、顏色等用以輔助建立程序與計算進行。 建立完成的模型稱為surface model是由surface所組成而要進行有限元素計算則需要將之切割成元素(element)與節點(node)。現今CAE軟體大都提供自動切割功能(automesh)只要指定參數(切割密度)就可以自動進行元素切割。切割完成的元素模型如下圖。 元素密度會影響正確性與計算時間若有重要區域
11、則可以再局部加細密度(refine)。 物性資料庫 成型使用的塑料物性可由CAE軟體內建資料庫提供或是建立個人資料庫功能。 在模流分析計算中的標準資料庫中收錄了4000種以上不同等級塑料之物性數據並提供個人資料庫編輯及檢索搜尋功能。數據項目包含 熱物性 Thermal data: 密度/比熱/熱傳導系數/非流動溫度/頂出溫度流變性(rheological)Flow data:黏度:為溫度與剪率(shear rate)的函數且為非線性。溫度-壓力-體積 P-V-T data:溫度-體積-壓力收縮性(shrinkage) Shrinkage data:收縮性數據機械物性(mechanical)等。
12、 黏度數據圖 PVT數據圖 流動與保壓 流動過程(射出充填)是成型最基本的階段。塑膠在高溫高壓下受推擠以高速度沿噴嘴注入模具內;流動的過程是塑料質量的流動伴隨力量(動量)與熱量的傳遞而可以物理科學來做計算。 流動分析是最基本模組包含下列程式:程式名稱功 能 前後處理 建圖圖形顯示結果 程式管理員 檔案管理 2D流動分析 簡易尋找最佳成型範圍 3D流動/保壓分析 計算流動充填/保壓型態可設定多段射出/保壓行程及自動流道平衡。 物性資料庫 提供物性數據 流動計算結果可以得到成型過程發生在模具內的相關物理量例如知道時間:什麼時間流到什麼位置。 溫度:塑料流動時的溫度變化情形。 壓力:充填滿整組模具需
13、要多少壓力。 剪力:流動過程所產生的磨擦力是否超過材料容許值。 冷卻時間:肉厚多少需要多少時間才能冷卻。.等等各種數據用以判斷成型性與產品品質。當能充份瞭解模穴內部各種相關物理量後，掌握並控制成品設計與品質，便不再是那麼困難了。 保壓保壓過程是以二次高壓來補償塑料的可壓縮性以及固化收縮所減少的體積以避免成品產生凹陷及變型最適當的結果是整體成品各處都有均勻的收縮值。我們可以下邊的圖形來解釋塑料的可壓縮性:當以活塞推動密閉容器內的塑料流動充填前方空模穴時a. 活塞開始前進但塑料尚未填入模穴。 b. 活塞前進一半行程塑料開始流入模穴。 c. 活塞到達底部塑料尚未填滿。 d. 活塞無法前進但塑料自行膨
14、脹填滿全部模穴空間。 實驗證明不同的保壓行程會造成不同的體積收縮率所以保壓並不是愈大愈好保壓不足體積收縮率會很大容易產生凹陷及縮減尺寸但過大保壓卻也易造成毛邊以及形成產品翹曲。一般來說保壓壓力高收縮會較小但收縮率範圍會較大(2.342.91%)-路徑最末端收縮最大而澆口處為最小若能調整行程呈逐漸衰減確保由外圍至澆口處為均勻收縮(2.973.07%)反而有助於減少翹曲。有效調整保壓行程控制產品收縮性的關係可以簡單以下圖表示:a. 調整產品末端:在固定壓力時縮短保壓持續時間收縮會較大但延長則可以減少收縮。 b. 調整澆口區:改變壓力衰減速率速率慢則可以降低收縮量速率快則收縮大。 c. 調整中央區:控制保壓衰減速率與位置如圖當速率增加時可以降低收縮率反之減少則增大收縮值。 保壓結果最重要的數據是保壓壓力分佈、持續的有效時間以及根據P-V-T數據所算出的體積收縮率。舉前述馬達外殼為例當設定一保壓壓力與保壓持續時間後計算得到成品內保壓壓力分佈如下圖澆口處為最高達29MPa為紅色外圍最遠壓力最小為藍色16MPa。保壓壓力不同會影響到體積收縮率。在此例中澆口上方位置保壓壓力大因此收縮率較小為
