第一章計(jì)算機(jī)輔助工程與塑料射出成形

1、第一章 計(jì)算機(jī)輔助工程與塑料射出成形1-1 計(jì)算機(jī)輔助工程分析計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)(Computer-Aided Design, CAD)是應(yīng)用計(jì)算機(jī)協(xié)助進(jìn)行創(chuàng)造、設(shè)計(jì)、修改、分析、及最佳化一個(gè)設(shè)計(jì)的技術(shù)。計(jì)算機(jī)輔助工程分析(Computer-Aided Engineering, CAE)是應(yīng)用計(jì)算機(jī)分析CAD幾何模型之物理問題的技術(shù)，可以讓設(shè)計(jì)者進(jìn)行仿真以研究產(chǎn)品的行為，進(jìn)一步改良或最佳化設(shè)計(jì)。目前在工程運(yùn)用上，比較成熟的CAE技術(shù)領(lǐng)域包括：結(jié)構(gòu)應(yīng)力分析、應(yīng)變分析、振動(dòng)分析、流體流場(chǎng)分析、熱傳分析、電磁場(chǎng)分析、機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)分析、塑料射出成形模流分析等等。有效地應(yīng)用CAE，能夠在建立原型之前或之后發(fā)揮功

2、能：協(xié)助設(shè)計(jì)變更(design revision)協(xié)助排除困難(trouble-shooting)累積知識(shí)經(jīng)驗(yàn)，系統(tǒng)化整理Know-how，建立設(shè)計(jì)準(zhǔn)則(design criteria)CAE使用近似的數(shù)值方法(numerical methods)來計(jì)算求解，而不是傳統(tǒng)的數(shù)學(xué)求解。數(shù)值方法可以解決許多在純數(shù)學(xué)所無法求解的問題，應(yīng)用層面相當(dāng)廣泛。因?yàn)閿?shù)值方法應(yīng)用許多矩陣的技巧，適合使用計(jì)算機(jī)進(jìn)行計(jì)算，而計(jì)算機(jī)的運(yùn)算速度、內(nèi)存的數(shù)量和算法的好壞就關(guān)系到數(shù)值方法的效率與成敗。一般的CAE軟件之架構(gòu)可以區(qū)分為三大部分：前處理器(pre-processor)、求解器(solver)和后處理器(post-

3、processor)。前處理器的任務(wù)是建立幾何模型、切割網(wǎng)格元素與節(jié)點(diǎn)、設(shè)定元素類型與材料系數(shù)、設(shè)定邊界條件等。求解器讀取前處理器的結(jié)果檔，根據(jù)輸入條件，運(yùn)用數(shù)值方法求解答案。后處理器將求解后大量的數(shù)據(jù)有規(guī)則地處理成人機(jī)接口圖形，制作動(dòng)畫以方便使用者分析判讀答案。為了便利建構(gòu)2D或3D模型，許多CAE軟件提供了CAD功能，方便建構(gòu)模型?；蛘咛峁〤AD接口，以便將2D或3D的CAD圖文件直接匯入CAE軟件，再進(jìn)行挑面與網(wǎng)格切割，以便執(zhí)行分析模擬。應(yīng)用CAE軟件必須注意到其分析結(jié)果未必能夠百分百重現(xiàn)所有的問題，其應(yīng)用重點(diǎn)在于有效率地針對(duì)問題提出可行之解決方案，以爭(zhēng)取改善問題的時(shí)效。應(yīng)用CAE工具時(shí)

4、，必須充分了解其理論內(nèi)涵與模型限制，以區(qū)分仿真分析和實(shí)際制程的差異，才不至于對(duì)分析結(jié)果過度判讀。據(jù)估計(jì)，全球應(yīng)用CAE技術(shù)的比例僅15%左右，仍有廣大的發(fā)展空間。影響CAE技術(shù)推廣的主因有三：分析的準(zhǔn)確性。相關(guān)技術(shù)人員的養(yǎng)成。技術(shù)使用的簡(jiǎn)易性。而CAE模擬分析之主要誤差來源包括：理論模式物理現(xiàn)象、材料物性。數(shù)值解法(numerical Solver)幾何模型(geometry model)錯(cuò)誤的輸入數(shù)據(jù)1-2 塑料射出成形塑料制品依照其材料性質(zhì)、用途和成品外觀特征而開發(fā)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 m

5、olding)、吹袋成形(blown film)、吹瓶成形(blow molding)、熱壓成形(thermoforming)、輪壓成形(calendering molding)、發(fā)泡成形(Foam molding)、旋轉(zhuǎn)成形(rotational molding)、氣體輔助射出成形(gas-assisted injection molding)等等。塑料射出成形(injection molding)是將熔融塑料材料壓擠進(jìn)入模穴，制作出所設(shè)計(jì)形狀之塑件的一個(gè)循環(huán)制程。射出成形制程根據(jù)所使用的塑料而有不同，熱塑性塑料必須將射進(jìn)模穴的高溫塑料材料冷卻以定形，熱固性塑料則必須由化學(xué)反應(yīng)固化定形。射出

6、成形是量產(chǎn)設(shè)計(jì)復(fù)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(jì)算，大約32%的塑料采用射出成形加工。射出成形所生產(chǎn)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(yīng)用于熱塑性塑料、熱固性塑料以外，射出成形也可以應(yīng)用于添加強(qiáng)化纖維、陶瓷材料、粉末金屬的聚合物之成形。射出機(jī)自從1870年代初期問世以來，經(jīng)歷了多次重大的改良，主要的里程碑包括回轉(zhuǎn)式螺桿(reciprocating screw)射出機(jī)的發(fā)明、各種替代加工制程的發(fā)明，以及塑件計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)與制造的應(yīng)用。尤其是回轉(zhuǎn)式螺桿射出機(jī)的發(fā)明，更對(duì)于熱塑性塑料射出成形的多樣性及生產(chǎn)力造成革命性的沖擊。現(xiàn)今的射出機(jī)，除了控制

7、系統(tǒng)與機(jī)器功能有顯著改善以外，從柱塞式機(jī)構(gòu)改變?yōu)榛剞D(zhuǎn)式螺桿是射出成形機(jī)最主要的發(fā)展。柱塞式射出機(jī)本質(zhì)上具有簡(jiǎn)單的特色，但是純粹以熱傳導(dǎo)緩慢地加熱塑料，使其普及率大大地受到限制?；剞D(zhuǎn)式射出機(jī)則借著螺桿旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)所造成的摩擦熱可以迅速均勻地將塑料材料塑化，并且，也可以像柱塞式射出機(jī)一般向前推進(jìn)螺桿，射出熔膠。圖1-1是回轉(zhuǎn)式螺桿射出機(jī)的示意圖。圖1-1 回轉(zhuǎn)式螺桿射出機(jī)射出成形制程最初僅僅應(yīng)用于熱塑性塑料，隨著人類對(duì)于材料性質(zhì)的了解、成形設(shè)備的改良、和工業(yè)上特殊需求等因素，使射出成形制程大大地?cái)U(kuò)張了應(yīng)用范圍。在過去的二十幾年，許多新開發(fā)的射出成形技術(shù)應(yīng)用于具有特殊特征的設(shè)計(jì)與特別材料的塑件，使射出成

8、形塑件的設(shè)計(jì)比傳統(tǒng)上更具有結(jié)構(gòu)特征的多樣性和自由度。因?yàn)樯涑龀尚蔚膹V泛應(yīng)用及其具有前景的未來，制程的計(jì)算機(jī)仿真也從早期的均一配置、模穴充填的經(jīng)驗(yàn)估算演進(jìn)到可以進(jìn)行后充填行為、反應(yīng)動(dòng)力學(xué)、和不同材料或不同相態(tài)之仿真的復(fù)雜程序。市場(chǎng)上的模流分析軟件提供了改變塑件設(shè)計(jì)、模具設(shè)計(jì)、及制程條件最佳化等CAE功能。1-3 模流分析及薄殼理論塑料射出成形之模流分析系應(yīng)用質(zhì)量守恒、動(dòng)量守恒、能量守恒方程式，配合高分子材料的流變理論和數(shù)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(jīng)由人性化接口的顯示，以獲知塑料在模穴內(nèi)的速度、應(yīng)力、壓力、溫度等參數(shù)之分布，塑件冷卻凝固以及翹曲變形的行為，并

9、且可能進(jìn)一步探討成形之參數(shù)及模具設(shè)計(jì)參數(shù)等關(guān)系。理論上，模流分析可以協(xié)助工程師一窺塑料成品設(shè)計(jì)、模具設(shè)計(jì)、及成形條件的奧秘，其能夠幫助生手迅速累積經(jīng)驗(yàn)，協(xié)助老手找出可能被忽略的因素。應(yīng)用模流分析技術(shù)可以縮減試模時(shí)間、節(jié)省開模成本和資源、改善產(chǎn)品品質(zhì)、縮短產(chǎn)品上市的準(zhǔn)備周期、降低不良率。在CAE領(lǐng)域，塑料射出模流分析已經(jīng)存在具體的成效，協(xié)助射出成形業(yè)者獲得相當(dāng)完整的解決方案。塑料射出模流分析所需的專業(yè)知識(shí)包括：材料特性塑料之材料科學(xué)與物理性質(zhì)、模具材料和冷卻劑等相關(guān)知識(shí)。設(shè)計(jì)規(guī)范產(chǎn)品設(shè)計(jì)和模具設(shè)計(jì)，可參考材料供貨商提供的設(shè)計(jì)準(zhǔn)則。成形條件塑料或高分子加工知識(shí)以及現(xiàn)場(chǎng)實(shí)務(wù)。市場(chǎng)上模流分析軟件大多數(shù)

10、是根據(jù)GHS(Generalized Hele-Shaw)流動(dòng)模型所發(fā)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量數(shù)目，并且應(yīng)用成熟穩(wěn)定的數(shù)值方法，發(fā)展出高效率的CAE軟件。加以90%的塑料成品都是所謂的薄件，2.5D模流分析的結(jié)果具有相當(dāng)高的準(zhǔn)確性，佐以應(yīng)用的實(shí)務(wù)經(jīng)驗(yàn)，再結(jié)合專家系統(tǒng)，2.5D模流分析仍將主導(dǎo)模流分析的技術(shù)市場(chǎng)。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(dòng)，而忽略塑料在塑件肉厚方向的流動(dòng)和質(zhì)傳，因此可以簡(jiǎn)化計(jì)算模型。就典型的模流分析案例而言，一般大約需要500010000個(gè)三角形元素來建構(gòu)幾何模型，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)分開處理，因此比較不會(huì)影響計(jì)算效率。通常，2.5D模流分析軟件可以讀取的檔案格式包括.STL、. .IGES、 MESH、STEP等檔案格式。1-4 模流分析軟件的未來發(fā)展傳統(tǒng)2.5D模流分析的最大困擾在于建立中間面或薄殼模型。為了遷就CAE分析，工程師往往在進(jìn)行分析之前先利用轉(zhuǎn)檔或重建的方式建構(gòu)模型，相當(dāng)浪費(fèi)時(shí)間，甚至可能花費(fèi)分析時(shí)間的80%以上在建模和修模。新一代的模流分析軟件舍棄GHS流動(dòng)模型，直接配合塑件實(shí)體模型，求解3D的流動(dòng)、熱傳、物理性質(zhì)之模型方程式，以獲得更真實(shí)的解答。3D模流

12、分析技術(shù)的主要問題在于計(jì)算量非常大、計(jì)算的穩(wěn)定性問題和網(wǎng)格品質(zhì)造成數(shù)值收斂性的問題。目前，3D模流分析技術(shù)應(yīng)用的模型技術(shù)有下列：雙域有限元素法(dual-domain finite element method)：將塑件相對(duì)應(yīng)面挑出，以兩薄殼面及半厚度近似實(shí)體模型，配合連接器(connector)的應(yīng)用以調(diào)節(jié)流動(dòng)趨勢(shì)。此技術(shù)對(duì)于肉厚變化較大的產(chǎn)品，有應(yīng)力計(jì)算的誤差和適用性的問題。應(yīng)用上可能遭遇縫合線預(yù)測(cè)錯(cuò)誤、流動(dòng)長(zhǎng)度估算錯(cuò)誤等問題。使用此法的軟件如MPI。中間面產(chǎn)生技術(shù)(mid-plane generator)： 中間面產(chǎn)生技術(shù)可以分為中間軸轉(zhuǎn)換(Medial Axis Transform, MAT)和法則歸納法(heuristic method)，對(duì)于復(fù)雜結(jié)構(gòu)的塑件，因?yàn)槿夂褡兓?、公母模面不?duì)稱、肋(rib)與轂(boss)等強(qiáng)化原件的設(shè)計(jì)，使得MAT技術(shù)有實(shí)用上的困難，因此此