什麼是模流分析

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﹐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。

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~%)-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~%)﹐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﹐因此收縮率較小為藍色﹐約為%﹔外圍肋部則收縮較高﹐為黃色約10%。