CAE小百科系列连载

1、小百科系列連載一、如何成功應用CAE在塑膠射出成型CAE是真實物理現象的模擬(Simulation)，也就是在電腦中對物理系統所作的理想化(Idealization)，因此再準確的模擬也僅是真實世界(Real World)的近似(Approximation)。因為在理想化過程中所作的種種假設(Assumption)與簡化(Simplification)，使此物理現象的理論模型(Theoretical Model)可以有效率地求解，並且提供程序動態的有用資訊。可以將CAE系統想成是一份描述真實世界的地圖: 它不一定提供很詳細的地貌跟細節，也不會對某一建築的顏色材質作仔細的描述，但你可以憑藉地圖去

2、辨別方向，了解地物分布並找到你所想要的目標。地圖就是真實世界的抽象化(Abrastration)或理想化:某一建築在地圖中被簡化為一個方塊;有寬度的道路被簡化成一條條黑線。在應用CAE時也應有這樣的觀念:限於現有模型的不完整性以及計算效率的考量，CAE不見得可以完全將程序的每一個細節都模擬出來，但它可以將系統最重要的動態表達出來。透過這些關鍵變量的分布與時間歷程變化，有經驗的工程師或設計者可以根據他或她的知識與經驗來解決問題。要成功應用CAE，除本身要具備相關的設計成型經驗和知識外，對於CAE系統本身的限制與假設，以及可能的誤差來源也要加以了解，方能辨別分析結果是否偏離物理現象與成型經驗，分析

3、有疑問之處是數值計算誤差(Numerical Error)或是可能發生的真實現象。甚至利用CAE整理彙整經驗，避免經驗盲點，建立設計成型準則。二、CAE分析誤差的可能來源一般CAE分析誤差的可能來源大約可概分如下： · 理論模型(Theoretical Model) · 數值解法(Numerical Solver) ·  幾何模型(Geometry Model) · 錯誤輸入資料(Wrong Input Data) CAE分析的準確性有相當程度依賴於使用理論模型的準確性(Accuracy)及可靠性(Reliability)。由於真實物理現象過於

4、複雜，因此往往需要作某種程度的簡化及模型建立(Modeling)。此一模型的正確性會影響到預測的準確性。尤其是目前的材料物性模型多為經驗式(Empirical Equation)或巨觀惟象(Macroscopic phenomenological )的半經驗式，模型本身未能考慮材料微觀結構(Microstructure)的根本誤差，實驗數據取得不易和數據求適(Data Fitting)時導致的誤差，以及在應用時對於實驗範圍外數值的外差(Extrapolation)等，都有可能導致分析上的誤差。其他如模流分析的基本假設是流動滿足GHS流動(Generalized Hale-Shaw Flow)模

5、型，此一模型對於厚度遠小於長度及寬度的薄塑件較為適用，因此對於粗厚件(厚度約等於平面方向最小尺寸)以及厚度方向流動明顯(厚度差異極大且突然變化)的塑件，此一模型在預測上無可避免必會導致較大的誤差。此外，在求解理論模型時所應用的數值解法也是另一個誤差來源。數值計算時由於方法使用不當，幾何模型建立不良造成的奇異性(Singularity)，以及數值迭代(Numerical Iteration)過程未能收斂(Converge)等，都是可能的計算誤差來源。CAE工程師應具備足夠的物理觀念與經驗去區分特殊的分析結果是數值誤差所導致的人為產物(Artifact)或是真實可能會出現的物理現象。幾何模型的正確

6、性是CAE系統終端使用者所能夠自己掌握並控制的誤差來源。在了解CAE系統理論模型後，使用者應該以模型假設作為檢查幾何模型的重點。例如，對於厚度變化激烈區域中心面的取法，對於靠破孔區域及肋區域的建圖方式等，均會在某種程度上影響分析的正確性。這方面的需依賴實際建圖經驗，比較分析結果與實際試模或實驗結果，逐漸使所建模型逼近真實物件的加工特性。輸入資料不正確一個很不該卻常犯的錯誤。如厚度設定不當，加工條件錯誤，選用材料錯誤等等。CAE系統是一個典型的GIGO(Garbage In;Garbage Out)系統:你餵它吃垃圾，它就吐垃圾出來。不正確的輸入一定不可能得到正確的結果。當分析結果與實際狀況出現

7、差異時，先別急著採取其他動作，先仔細檢查你的輸入吧!  小百科系列連載二 一、如何避免或減少CAE分析誤差要避免或減少CAE分析誤差，首先你要先了解誤差可能來源，然後採取對策。CAE工具的應用得當與否，有相當程度依賴於你的專業知識與經驗。因此利用閱讀與現場實務驗證，以及參加相關研討會與講習會，提昇判讀CAE結果能力與專業知識，應是減少分析誤差的不二法門。利用一些簡單案例去探索CAE系統的正確性，甚至找出可能的補償(Offset)，也是提昇分析精準度的方法。在建構幾何模型上，對於已開發模具，你需先確保所建立的幾何模型可以重現(Reproduce)原來系統發生問題(如短射、縫合

8、線位置、流動趨勢、流動末端位置、變形的趨勢及收縮率範圍等)，在與實際結果比較後，你可以對建構幾何模型的可靠性有所了解並作必要修正。建圖時厚度定義的正確性相當重要，通常試模成品的厚度與產品設計圖上的厚度有時會有差異，因此厚度最後的校正為相當重要的課題。有些產品有擋料的設計，建圖時亦須詳細的將厚度定義清楚，以及流道的實際流動長度及尺寸。此外，建圖時厚度與肋(Rib)之關係也要特別考慮。面元素要符合薄殼(Thin Shell)理論，對於長肋勿將肋的高度變成投影面的厚度。即保持厚度與長度、寬度是一個較懸殊的比值(1:5以上)。但若是該區域長、寬、厚的比值相當接近，則或許可用桿元素(Rod Elemen

9、t)來定義，而非使用具厚度的面元素(Surface Element)定義，以提高流動阻力與熱傳導計算的準確性。建圖時為節省時間所忽略的細節(如孤立銷、小孔等)是否會造成重大誤差，如何以適當元素建構模型以準確描述塑料流動的阻力與熱傳現象，以及冷卻收縮現象，網格切割是否足以捕捉流動的細節與反映動態等，都是需要依賴實務經驗與理論知識相互配合驗證。你需要不斷練習-比較不同建模方式對分析結果的影響，並參加試模驗證比較。一位有經驗的老師跟一本好書都可以加快你在案例分析的經驗與知識累積。最後的忠告就是小心、小心、再小心。要確認所建幾何模型的尺寸與厚度都正確給定。材料也是正確的材料。確認現場的熔膠溫度、模具溫

10、度、射出速度、射出壓力等，與模擬分析的加工條件等是否符合。小百科系列連載三 一、分析前的前置作業（上）進行分析前首先應確認委託客戶問題點與需求，並憑藉經驗與知識判斷此問題是否可以CAE解決？有無其他替代方案?以CAE分析的代價為何？. CAE技術只能解決可以建立理論模型(Theoretical Modeling)的問題。因此分析的準確性有相當程度依賴於理論模型的完備性。. 以射出成型而言，目前對於塑料流動的預測(流動波前、包封、縫合線、壓力與溫度變化曲線)具備較高的預測準確性。對於冷卻分析也具有相當的可信度(但實驗數據較為缺乏)。翹曲與應力分析因為牽涉到流動應力(Flow Stres

11、s)與熱應力(Thermal Stress)較未成熟的理論模型，加上流動與冷卻分析結果作為輸入數據所帶來的可能誤差，因此預測的不可靠性較高。3. 對於微觀(Microscopic)特性如縫合線結構、針孔(Pin Hole)現象、玻纖配向(Fiber Orientation)、分子鏈配向(Molecular Chain Orientation)、塑料微觀結構的變化(如再結晶等)，依目前的巨觀連續體(Macroscopic Continuum)理論架構仍無法準確預測。4. 需知道使用CAE工具的理論內涵與模型限制，區分實際現象與理論誤差的差異，才不會對分析結果做出不正確的判讀。並能將理論限制與可能

12、誤差事先告知委託客戶，避免不必要的過度樂觀及爭議。背景資料蒐集整理：問題確認後，應著手蒐集相關背景資料，以利問題分析與可行方案提出。可以透過與委託客戶討論與文獻搜尋蒐集相關資訊。大體而言，應該包括以下資訊：. 該產品/模具的用途、相關規格、客戶需求(品質重點)、產量與良率(Yield)、成本分析等。可由訪談委託人、產品型錄、以及廠商網頁上取得這些資訊。但在應用上需注意不得侵犯機密與智財權。. 先前類似產品/設計的分析報告以及文獻資料(期刊雜誌等)。. 所使用材料(塑料模材)的相關資料。其他技術資料足以協助問題分析與解決者。小百科系列連載四 一、分析前的前置作業（下）進行問題分析通常需

13、依賴相當程度的實務經驗與背景知識，亦可藉由與各部門的討論提出初步的問題點分析，在分析問題時應以CAE分析所能預測(Predictable)跟應用為觀點，嘗試將問題簡化，因為有時許多問題是由同一個病根所致，因此抽絲剝繭條理分析的能力是成功解決問題的重要關鍵。可行分析方案的提出：可行方案能否提出與問題分析是否清楚有關，問題分析越清楚，對於解決方案的提出越有利，除經驗與知識外，與委託客戶的訪談溝通是提出可行方案的不二法門。方案需具備可能性(Possibility)與可行性(Workability)，可能性是針對問題而提出，可行性則是以經驗與知識刪除不可行方案後，基於成本(Cost)與效率(Effic

14、iency)的觀點所提出的可能對策。協助你找出可行的CAE解決方案，但最終的取捨應用仍依賴於你的委託客戶的需求與選擇。例如，若遭遇問題為包封(Air Trap)問題，需判斷問題癥結是否為產品設計或是模具設計，需跑幾組CAE分析來驗證並提出可行設變方案。有時在解決方案未知時，可以先試行以CAE分析重現(Reproduce)問題，再由分析結果分析可能原因，提出可行方案。分析可靠度的確認：CAE分析的可靠度(Reliability)往往是委託客戶最關切的問題之一，因此在進行分析時，需先對分析的可靠度進行驗證，在確認輸入數據無誤後，此一步驟目的在檢查幾何模型的正確性。 對於尚未生產的產品，由於流動分析

15、是所有射出成型CAE分析的根本，因此往往先以流動分析結果來檢驗幾何模型正確性。可以經驗及知識判斷流動的合理性。並以網格敏感度分析來檢查分析網格是否夠細。 對於已生產產品，則根據該產品短射實驗(Short Shot Experiment)圖或其他可觀察或量測數據來驗證CAE分析結果。此一步驟的重點在於希望幾何模型能具體反映真實產品的加工特性，重現(Reproduce)所發生的問題，其後設計變更即可根據此一較可靠的幾何模型為之。其他技術資料足以協助問題分析與解決者。小百科系列連載五 一、CAE分析資料的蒐集待可行分析方案提出後，即針對要進行的分析進行輸入資料數據的蒐集。CAE分析軟體是個

16、典型的GIGO產品，你餵它吃垃圾它就吐出垃圾給你(Garbage In，Garbage Out)，因此確認輸入數據的正確性是進行CAE分析的首要工作。通常包含三類基本資料： 1.      產品/模具的幾何模型(Geometry Modeling)幾何建圖(Geometry Modeling)的圖形是否能具體反映出該產品/模具特徵以及問題所在。為減少分析時間與記憶體需求，可以在建圖時忽略許多不影響分析結果的細節，但要確認不會對分析結果造成明顯影響。成品肉厚(Thickness)是影響流動及冷卻的重要參數，因此要確認與設計圖或成品一致。對於新產品

17、模具可依據產品/模具設計圖面資料給定肉厚;但對於現成品(需進行修模者)，因以成品實際厚度尺寸為準(通常可能與圖紙值有所差異)，應先檢查設計圖與實際成品尺寸厚度是否相符，若否，則以實際產品為主。應以成型品縱向切開後，量測厚度（誤差值±0.1mm以下）給定肉厚。進行分析的有限元素網格(Finite Element Mesh)需夠細以能充分反映程序動態特性並解析問題所在。但過細小的元素會造成分析時間過長及記憶體需求過高。你可以利用網格敏感度分析來決定適切的元素尺寸。注意使用單位為mm，cm還是inch。 2.      材料物性資料(Mat

18、erial Property)檢查要進行分析所用的塑料、模材、冷卻液等材料的資料是否足夠。若資料庫有此材料(需核對生產商(Manufacture)與型號等級(Grade)。若資料庫欠缺此材料，或此材料為摻配料(Blend)或混有玻纖的非標準料，則需委託進行物性量測(Material Characterization)取得相關數據，並配合數據求適(Data Fitting)取得CAE材料模式參數值。應用預設值或相近材料值也是可行辦法，但對分析結果通常有所影響。進行流動分析(Flow Analysis)：需要塑料的黏度資料(黏度與溫度及剪切率的關係)、熱物性質(熱傳導係數、比熱等)，以及密度(或比

19、容)。熱物性質與密度通常可由供應商或產品型錄取得，但多以固態材料為主(以熔融態之值較佳)。黏度資料通常較不足，即使同一供應商供應的塑料(如奇美PA*系列)，不同等級塑料的黏度與流動特性可能差異極大。一些較大的物性資料庫如CAMPUS近來已開始提供可做CAE分析的黏度曲線資料。若能取得材料的流動指數(Melt Index，MI)，Moldex自5.0版後也提供可以自動內插取得黏度參數的功能。若僅是進行流動分析，塑料密度可取定值，但對於壓力曲線預測的正確性會有所影響。保壓分析(Packing Analysis)：要求塑料的pvT特性資料(壓力-比容-溫度的變化關係)。若選取固定密度，塑料通常被視為

20、不可壓縮(Incompressibility)而無法進行保壓計算及後續的收縮率預測。冷卻分析(Cooling Analysis)：要求塑料的熱性質以及模材和冷卻液的熱性質。通常可自模具場取得基本數據。通常熱性質以固態為主。翹曲分析(Warpage Analysis)：要求固態塑料的彈性模數(Elastic Modulus)(也叫做楊氏模數(Youngs Modulus)或拉伸模數(Tensile Modulus)、泊松比(Poisson Ratio)以及線性熱膨脹係數(Coefficient of Linear Thermal Expansion，CLTE)。對於添加玻纖的複合材料(Compo

21、site)可能有垂直跟平行流動方向兩個值，可採取平均值或套用考慮材料方向性的翹曲分析模式。通常可由型錄或其他資料庫取得這些數據。若能取得收縮率(Shrinkage)值則可作為將來驗證翹曲分析結果之用。 注意單位換算，尤其由其他非系統提供的物性資料來源，應注意使用單位是否與CAE內設單位相同。Moldex採用CGS制，各材料參數使用單位可參考內設的資料庫曲線縱軸。 3.      成型參數或加工條件(Process Condition)注意CAE分析輸入條件參數與現場實際成型參數的差異性。小百科系列連載六 一、利用CAE結果解決問題利用

22、不同組別(改變幾何模型Msh檔案，材料Mat檔案，以及成型條件Pro檔案)來模擬不同的設計方案或參數變更。也可利用專家系統抓出影響問題(品質因素)的主要變量或參數，利用不同參數組合設計不同組別。進行分析後根據各組別定義的目的(如肉厚的影響，料溫的影響等)分析結果。例如改變肉厚後對流動的影響，是否會造成問題?原來問題是否已經克服等。將分析結果採重點以圖表方式寫在報告中。對於圖表的說明文字應清楚明瞭，說明分析結果與相關的分析，應注意內容需對該組別的分析重點與結果詳細說明，內容應具資訊性(Informative)而非只是看圖說故事。 設計變更或參數變更分析：根據分析結果進行研判或設計變更。對於較為複

23、雜難解的現象及問題，可先於可靠度驗證階段重現問題，再根據分析結果研判可行的設計變更或參數修改。設定不同設變或參變的組別，重新進行分析。  結果與討論：根據設計變更結果進行研判，評估各設變/參變方案的優劣點，提出比較及說明。若無明顯改善問題，需與委託客戶加強聯繫再次構思其他可行方案重新以CAE分析驗證。建議方案與結論：        根據結果與討論比較各方案優劣點後，提出具體可行的建議方案與結論，提供委託客戶做參考。後續追蹤與驗證：       

24、交出報告後應進行案例追蹤，若能參與產品測試或試模，可利用機會驗證分析結果是否正確可行。若發生不相符情形，應檢討原因所在並將追蹤結果紀錄存檔，以增強CAE能力並作為將來精進的參考。下圖為CAE分析的基本流程圖小百科系列連載七 一：設計/參數變更的技巧以最少成本，最短時間，最實際可行的方案為優先。 最優先者為加工條件變更。流動的問題以調整料溫跟射速(充填時間)最為有效，其次為模溫與壓力。冷卻的問題以調整冷卻時間最有效，其次為冷卻液溫度及流量。對於短射問題常可藉調整加工條件而予以解決。若委託廠商允許更換塑料，可變更使用塑料。對於流動困難(短射包封問題)以及翹曲問題這不失為一有效解法。但加工

25、條件應隨之調整，同時應該考慮成本及產品效能等問題。再不行只好更改模具，通常為變更進澆位置及澆口數目、流道與澆口尺寸等。對於許多流動問題如縫合線或包封，以及流道/流動平衡，單藉變更加工條件並無法改善，變更澆口數目與尺寸為一個好方法。對於翹曲問題有時重新設計流道系統可以獲得改善。最後一招就是修改產品肉厚。對於包封、縫合線問題這往往是最有效(且唯一)的解答。透過CAE結果的分析可以協助你有效地提出可能解答。但在提出設計變更或參數變更，甚至換料時應取得委託廠商同意，以確保方案的可行性。CAE工程師自我成長的方法充實基本專業知識，如產品/模具設計、塑膠物性、塑膠加工原理、有關的數值方法概論以及CAE知識

26、。閱讀相關期刊雜誌及相關網站。閱讀本書是一個好的選擇。多參加相關講習會與研討會。增加與同行交流經驗機會。多參予實際試模及實驗，驗證模擬與實際的差異，以逐漸累積分析經驗與設計法則。時常整理相關心得，以知識整合經驗，由Know-How走向Know-Why，增強解決問題的能力。小百科系列連載八 一：模流分析的應用(充填) Moldex-FLOW是Moldex的流動分析模組，主要可用來模擬分析熱塑性塑料射出成型中的充填或填模(Filling)過程。 在理論模型方面，假設塑料熔膠是非彈性非牛頓流體(Inelastic Non-Newtonian Fluid)，其黏度可用冪次率(Pow

27、er-Law)流體及其修正式來描述，黏度考慮為溫度及剪切率的函數，如下圖所示。塑料比容為溫度與壓力函數;熱物性質僅為溫度函數;假設塑件為薄件(厚度與長/寬度比超過1:10)，因此可用GHS(Generalized Hele-Shaw)流動模式來描述塑料流動。 數值解法採用混合有限元素法(Finite Element Method)與差分法(Finite Difference Method)分別求解流動平面方向與厚度方向變量。 Moldex-FLOW的應用可列舉部分如下：。可於設計階段評估不同設計方案的可行性(Feasibility)與成型性(Moldability)，作為修改設計與產品肉厚分布

28、的參考，避免潛在成型問題如短射(Short Shot)及包封(Air Trap)等。可協助設計人員評估不同設計參數變更對產品成型性的影響，以進行必要的設計變更(Design Revision)甚至優化(Optimize)設計。可協助模具設計人員評估所需鎖模力大小，以修改模具設計，決定模穴數目或是成型機台。可協助模具設計人員進行流道設計，決定流道與澆口尺寸以避免壓力損耗過大及噴流(Jetting)發生，同時平衡流動使鎖模力得以降低，塑件品質得以控制。可協助模具設計人員決定澆口數目、種類與進澆位置，以避免包封、縫合線(Welding Line)與流痕(Flow Mark)，避免燒焦劣化(Burni

29、ng and Degradation)，以確保產品表面性質。 可協助成型人員對製程進行故障排除(Trouble-Shooting)，找出造成成型問題的可能原因與可能的解決之道，避免成型困難。可協助找尋充填過程之加工視窗(Processing Window)，找出穩定之充填成型參數範圍，避免短射、毛邊(Flash)、燒焦劣化等問題，甚至可協助進行加工條件優化。可協助設計人員或成型者迅速累積相關設計與成型經驗，避免經驗盲點，建立設計與成型準則，有利於人力資源培養訓練小百科系列連載九 一：模流分析的應用(保壓) Moldex-PACK是Moldex的保壓分析模組，主要可用來模擬分

30、析熱塑性塑料射出成型中的保壓(Packing)過程。 圖1:Moldex物性資料庫中Sumitomo Ax668-GRAY PP的pvT曲線 在理論模型方面，假設塑料熔膠是非彈性非牛頓流體(Inelastic Non-Newtonian Fluid)，其黏度可用冪次率(Power-Law)流體及其修正式來描述，黏度考慮為溫度及剪切率的函數。在保壓過程中依賴塑料在高壓下的壓縮性(Compressibility)，因此在這個階段最重要的物性是塑料pvT性質。在Moldex中塑料比容(Specific Volume)設為溫度與壓力函數，如圖1所示。熱物性質僅為溫度函數;假設塑件為薄件(厚度與長/寬度

31、比超過1:10)，因此可用可壓縮的GHS(Compressible Generalized Hele-Shaw)流動模式來描述塑料保壓過程。 數值解法採用混合有限元素法(Finite Element Method)與差分法(Finite Difference Method)分別求解流動平面方向與厚度方向變量。Moldex-PACK的應用可列舉部分如下：(1)可協助設計人員評估不同設計參數變更(如肉厚)對產品保壓效果與收縮翹曲行為的影響，以進行必要的設計變更(Design Revision)甚至優化(Optimize)設計。(2)可協助模具設計人員評估所需鎖模力大小，以修改模具設計，決定模穴數目

32、或是成型機台，並優化保壓壓力以縮小所需鎖模力。(3)可協助模具設計人員進行流道設計，決定流道與澆口尺寸以有效進行保壓，減少成型塑件收縮翹曲現象。(4)可協助模具設計人員決定澆口數目、種類與進澆位置，以確保產品表面性質與光潔度，並增加產品密實度。(5)可協助成型人員對製程進行故障排除(Trouble-Shooting)，找出造成翹曲或撐模問題的可能原因與可能的解決之道，避免成型困難。(6)可協助找尋適當之保壓壓力設定、保壓時間及保壓切換點，避免過度保壓(Over-packing)所造成的毛邊(Flash)及黏模(Stick Mold)問題，減小塑件翹曲變形。甚至可協助進行加工條件優化。(7)可協

33、助設計人員或成型者迅速累積相關設計與成型經驗，避免經驗盲點，建立設計與成型準則，有利於人力資源培養訓練。小百科系列連載十 一：模流分析的應用(冷卻) Moldex-COOL是Moldex的冷卻分析模組，用來模擬塑件在射出成型中的冷卻(Cooling)過程。利用冷卻分析可以確定冷卻水管(冷卻迴路)分布與冷卻液的設計與成型參數，以期能在最短的冷卻時間內達到均勻冷卻(Balance Cooling)的效果。在理論模型方面，假設塑料成型週期(Cycle Time)由充填時間(Filling Time)、保壓時間(Packing Time)、冷卻時間(Cooling Time)以及開

34、模時間(Mold Opening Time)組成。在成型週期過程中塑料、冷卻液(Coolant)以及模座(Mold Base)的熱物性質僅為溫度函數。下圖顯示一個典型塑料PS的熱容量(Heat Capacity)曲線。Moldex-COOL假設冷卻過程中塑料已經停止流動，同時忽略塑件收縮後與模具間隙所產生的接觸熱阻(Contact Resistance)。塑件-模座-水管間的三維熱傳現象可用Poisson熱傳導方程式(Heat Conduction Equation)描述之。 Moldex物性資料庫中奇美PG-33 PS的熱容量曲線 數值解法採用快速有限元素法(Fast Finite Elem

35、ent Method，FFEM)。相較於目前其他CAE系統冷卻分析慣用的混合有限差分-邊界元素法(Hybrid Finite Element-Boundary Element Method)，Moldex-COOL具有理論架構統一，變量直接求解無須迭代，塑件-水管-模座熱傳直接耦合(Coupling)，求解準確快速且無收斂性(Convergence)問題等優點。Moldex-COOL的應用可列舉部分如下：1.可協助設計人員評估不同設計參數變更(如肉厚)對產品冷卻與收縮翹曲行為的影響，以進行必要的設計變更(Design Revision)甚至優化(Optimize)設計。2.可協助模具設計人員評

36、估所需冷凍噸數(Refrigeration Tons)及冷卻液幫浦大小，以有效進行散熱。3.可協助模具設計人員進行冷卻系統設計，決定水管數目、尺寸、距離以及配置(Layout)以有效進行冷卻，縮短成型週期並減少成型塑件收縮翹曲現象。4.可協助成型人員對製程進行故障排除(Trouble-Shooting)，找出熱點(Hot Spot)以縮短成型時間並避免冷卻不均造成翹曲問題。5.可協助找尋適當之冷卻參數設定，包括冷卻時間、冷卻液溫度與流量，甚至可協助進行加工條件優化。6.可協助成型人員縮短冷卻週期，提高生產率(Productivity)。7.可協助設計人員或成型者迅速累積相關設計與成型經驗，避免

37、經驗盲點，建立設計與成型準則，有利於人力資源培養訓練。小百科系列連載十一 一：模流分析的應用(翹曲) Moldex-WARP是Moldex的翹曲變形分析模組，用來模擬分析塑件脫模後的收縮翹曲(Shrinkage and Warpage)行為。在理論模型方面(指Moldex R5.X版)，假設塑件是各向同性完全彈性介質(Isotropic Complete Elastic Medium)，翹曲變形主要由塑料pvT變化以及冷卻不均所造成的熱應力(Thermal Stress)所引起。在目前模式中，忽略塑料在流動過程所造成的流動殘餘應力(Flow Residual Stress)

38、。同時翹曲計算自塑件脫模後起算，因此忽略模座及其他機構對塑件收縮的限制與干涉。塑件機械物性如彈性模數(Elastic Module)、線性熱膨脹係數(Coefficient of Linear Thermal Expansion，CLTE)為溫度的函數或是常數。 翹曲分析結果摘要資訊 數值解法採用三維有限元素法(Finite Element Method，FEM)求解塑件由於pvT與模溫差異所造成的位移(Displacement)。Moldex-WARP的應用可列舉部分如下：。可協助設計人員評估不同設計參數變更(如肉厚、補強肋、輪轂等)對產品收縮與翹曲變形行為的影響，以進行必要的設計變更(De

39、sign Revision)甚至優化(Optimize)設計。可協助模具設計人員進行流道設計，決定流道與澆口尺寸以有效進行保壓，減少成型塑件收縮翹曲現象。可協助模具設計人員優化冷卻水管設計，避免冷卻不均所造成的翹曲問題。可協助模具設計人員估算塑件縮水量，預留模具公差以補償收縮。可協助設計與成型人員對製程進行故障排除(Trouble-Shooting)，找出造成翹曲問題的可能原因與可能的解決之道，提高成品品質。可協助找尋適當之料溫、模溫、保壓壓力設定、保壓時間及保壓切換點，以減小塑件翹曲變形。可協助設計人員或成型者迅速累積相關設計與成型經驗，避免經驗盲點，建立設計與成型準則，有利於人力資源培養訓

40、練。小百科系列連載十二 一：模流分析的應用(專家系統)Moldex-Expert是Moldex的專家系統(Expert System)分析模組，是應用電腦輔助實驗設計（Computer-Aided Experiment Design，CAED）觀念，將實驗設計的概念與CAE系統相結合的分析工具。早期CAE技術的使用是以減少實際試模次數為主要目的，基本上亦為一種試誤（Trial-and-Error）過程，只是以電腦模擬替代實際試模。但為因應市場競爭日益激烈及產品開發週期縮短的趨勢，使業界能取得更多競爭優勢，即便在電腦上分析試模的時間亦應以科學化的方法加以縮短。為因應此一要求，乃有Mol

41、dex-Expert專家系統的開發。 Moldex-Expert成型條件預測師的操作畫面 Moldex-Expert(指Moldex R5.X版)提供五大分析功能，分別為最佳化成型參數建議、自動流道平衡系統、自動澆口平衡系統、自動螺桿多段設定系統以及成型條件預測功能。在最佳化成型參數建議模組中，採用田口實驗計劃法(Taguchi Experiment Design Method)，利用統計學原理尋求影響成型品質的主要變因，進而縮短實驗次數，減少分析時程及成本浪費。在最佳化自動流道平衡設計模組中，採用流量-充填時間平衡原理，配合自動疊代計算功能，以達到全自動平衡流道系統的目的。在成型條件預測功能

42、中，則採用簡化理論模型與經驗公式，以最少輸入資料在最短時間內提供加工條件參數，以作為初步設定及設計參考。Moldex-Expert的應用可列舉部分如下：。可協助設計人員評估不同模具設計參數(如產品形狀、厚度分佈、進澆位置、澆口尺寸、補強肋、流道設計、冷卻系統等)對成型過程與產品品質的影響，以決定較佳設計變更甚或優化設計。可協助設計人員評估不同塑膠材料選擇，如不同塑料(如ABS、PP)，或相同材料但不同批號產品(如ABS Chi-Mei 717C、ABS Chi-Mei 765A)對成型過程以及產品品質的影響，以決定較為適當的塑料，進而降低成本，提高加工特性與產品良率。可協助設計人員評估不同加工

43、成型參數設定(如充填時間、充填速率、射出壓力、塑料溫度、模具溫度、保壓時間、保壓壓力、保壓切換點、冷卻時間、開模時間等)對成型過程與產品品質的影響，以決定成型視窗甚至優化加工條件。提供影響產品品質因素的顯著因子與設變/參變方向，進而快速對症下藥，以最少的成本與時間進行改善及設計變更。並能協助成型人員有效進行故障排除(Trouble-Shooting)。 對多模穴模具或單模穴多點進澆模具，可提供流動自動平衡設計分析，以確保各模穴品質與重量均勻，產品不因流動失衡而造成撐模毛邊的問題。同時可有效降低設計人員在平衡流道時所需的流道尺寸試誤次數。提供射出成型加工參數快速預測功能，以協助使用者成型參數設定

44、的參考。可協助設計人員或成型者迅速累積相關設計與成型經驗，避免經驗盲點，建立設計與成型準則，有利於人力資源培養訓練。小百科系列連載十三 一：模流分析的應用(氣體輔助射出)Moldex-GasIn是Moldex的氣體輔助射出成型(Gas-Assisted Injection Molding，GAIM)分析模組，用來模擬分析熱塑性塑料氣體輔助射出成型中的塑料充填(Filling)、氣體射出(Gas Injection)、保壓(Packing)、冷卻(Cooling)過程，以及成型品脫模後的收縮翹曲(Shrinkage and Warpage)行為。在理論模型方面，假設塑料熔膠是非彈性非牛

45、頓流體(Inelastic Non-Newtonian Fluid)，其黏度可用冪次率(Power-Law)流體及其修正式來描述，黏度考慮為溫度及剪切率的函數。塑料比容為溫度與壓力函數;熱物性質僅為溫度函數;假設塑件為薄件(厚度與長/寬度比超過1:10)，因此可用GHS(Generalized Hele-Shaw)流動模式來描述塑料流動。氣體部分因為氣體密度很低，熱擴散係數(Thermal Diffusivity)很高，因此溫度與壓力可考慮為均勻，此假設可避免求解兩相流動(Two-Phase Flow)的複雜模型。數值解法採用混合控制體積有限元素法(Control Volume Finite

46、Element Method，CVFEM)與差分法(Finite Difference Method，FDM)分別求解流動平面方向與厚度方向變量。冷卻分析則採用快速有限元素法(Fast Finite Element Method，FFEM)。翹曲分析則以有限元素法分析。 上圖顯示以Moldex-GasIn模擬一縫紉機零組件的充填動態以及氣體滲透(Gas Penetration)情形，與短射實驗及切片對照相比，可驗證Moldex-GasIn應用的適切性。 Moldex-GasIn的應用可列舉部分如下：1.可於設計階段評估不同設計方案的可行性(Feasibility)與成型性(Moldabilit

47、y)，作為修改設計與產品肉厚分布的參考，協助進行氣道設計，避免潛在成型問題如短射(Short Shot)及包封(Air Trap)等。2.可協助設計人員評估不同設計參數變更對產品成型性的影響，以進行必要的設計變更(Design Revision)甚至優化(Optimize)設計。3.可協助模具設計人員評估所需鎖模力大小，以修改模具設計，決定模穴數目或是成型機台，以及選擇適當的射出壓力及氣體壓力。4.可協助模具設計人員進行流道設計，決定流道與澆口尺寸以避免壓力損耗過大及噴流(Jetting)發生，減少流道廢料產生，同時平衡流動使鎖模力得以降低，塑件品質得以控制。5.可協助模具設計人員決定澆口數目

48、、種類與進澆位置，氣針數目與進氣點，以避免包封、縫合線(Welding Line)、流痕(Flow Mark)、燒焦劣化(Burning and Degradation)以及氣體穿透不足(Poor Penetration)或吹穿(Blow-Through)等問題，確保產品品質。6.可協助成型人員對製程進行故障排除(Trouble-Shooting)，找出造成成型問題的可能原因與可能的解決之道，避免成型困難。7.可協助找尋充填過程之加工視窗(Processing Window)，決定較佳之塑料起射量、進氣時間與氣壓等，找出穩定之充填成型參數範圍，避免短射、毛邊(Flash)、燒焦劣化氣體穿透不足

49、、吹穿等問題，甚至可協助進行加工條件優化。8.可協助設計人員或成型者迅速累積相關設計與成型經驗，避免經驗盲點，建立設計與成型準則，有利於人力資源培養訓練。小百科系列連載十四 一：模流分析的應用(IC封裝模組)Moldex-RIM是Moldex的IC封裝(IC Package)封膠過程的分析模組，用來模擬分析熱固性模封材(Molding Compound)在IC封裝封膠(Encapsulation)製程的填模(Filling)及硬化(Curing)過程。熱塑性塑料射出成型最大的差異是封膠為反應性(Reactive)材料，在填模過程中硬化反應的轉化率(Conversion)低，因此封膠黏

50、度低，所需轉移壓力(約在10MPa以下，射出成型約為100MPa)亦較低，可避免過高壓力與流速對脆弱的晶片與金線造成破壞。封膠在填模過程中會隨加溫(模溫約為170左右)而逐漸反應，使黏度逐漸升高，至硬化反應轉化率超過材料膠化點(Gelation Point)，封膠黏度急遽上升而停止流動。填模之後的硬化過程在使反應繼續進行至封裝體硬化固定，可安然頂出為止。在理論模型方面，假設模封材或封膠是反應性的非彈性非牛頓流體(Reactive Inelastic Non-Newtonian Fluid)，黏度考慮為溫度、轉化率(Conversion)以及剪切率的函數，並以Castro-Macosko方程式及

51、其修正式來關聯黏度變化與硬化轉化率的關係。假設封裝體(Molded Body)為薄件(厚度與長/寬度比超過1:10)，因此可用不可壓縮GHS(Incompressible Generalized Hele-Shaw)流動模式來描述塑料流動。由於封膠黏度與硬化反應有關，同時硬化反應過程也會釋放熱量，所以需求解封膠的硬化反應動力方程式。數值解法採用混合控制體積有限元素法(Control Volume Finite Element Method，CVFEM)與差分法(Finite Difference Method，FDM)分別求解流動平面方向與厚度方向變量。Moldex-RIM的應用可列舉部分如下

52、：。可於設計階段評估不同設計方案的可行性(Feasibility)與成型性(Moldability)，作為修改導線架設計(如down-set量)、散熱片(Fin)或熱匯(Heat Sink)設計與產品肉厚分布的參考，避免潛在成型問題如短射(Short Shot)及包封(Air Trap)等。可協助設計人員評估不同設計參數變更對產品成型性的影響，以進行必要的設計變更(Design Revision)甚至優化(Optimize)設計。可協助設計人員評估封膠的加工特性以及應用於設計的可行性。可協助模具設計人員評估所需合模力大小，避免毛邊(Flashing)或樹脂滲出(Resin Bleeding)問題，以修改模具設計，決定模穴數目或是成型機台，以及選擇適當的射出壓力。可協助模具設計人員進行流道設計，決定流道與澆口尺寸以避免壓力損耗