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科普知識:淺談鑄造與模流軟體

2024-01-03

科普知識:淺談鑄造(Casting)與模流軟體(Molding simulation)

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在科技發達的現代社會中,不管是人手一機的智慧型手機、辨公事務上必須的筆記型電腦、還是在道路上奔馳的汽機車…等,這些常見的電子消費性產品和工業產品內使用著大量的金屬零件。但您是否知道,這些金屬零件是運用什麼樣的技術來製造出來?

在這邊我們會分幾個章節,來淺談與人類文明發展息息相關的金屬加工技術之一的「鑄造(Casting)」,以及用來模擬在產品製造過程中熔融材料在模具內變化的「模流軟體(Molding simulation)」。希望能有助於大家,能對鑄造以及模流軟體能更進一步理解。

 

什麼是鑄造(Casting)

自從人類發現金屬的可塑性後,就開始研究其相關加工技術並隨著人類社會演進發展至今。而在製造過程中所運用到加工技術,除了像是切削加工(NC, Numerical Control machining;CNC, Computerized Numerical Control )沖壓加工(Stamping)鍛造加工(Forging)…等之外,還有一種加工技術叫做鑄造(Casting)

鑄造(Casting)是長久以來伴隨人類發展的金屬加工技術之一,最早可追朔到紀元前(BC3200)的美索不達米亞(Mesopotamia)的青銅器。而該技術是利用金屬在被加熱至熔點(Melting point)時會融化成液體的特性,將熔融金屬倒入模具內,待其冷卻後取得需求之造型成品。

而在現代壓鑄技術上,概略上可以用壓鑄上所使用的模具材質,來區分成「消耗模鑄造(Expendable mold casting)」和「非消耗模鑄造(Non-expendable mold casting)」。

  • 消耗模鑄造(Expendable mold casting)

    使用像是沙、樹脂、石膏、蠟…等材質塑形成模具,可供做臨時、短暫性的需求使用。但因材質不具耐用性的關係,模具無法做重複性使用。而通常消耗模鑄造上,會依使用之材質做命名。

    • 砂模鑄造(Sand casting)
      為利用砂的可塑性‧凝聚性‧耐火性,將砂覆蓋至模型上並進行壓縮取得產品形狀後,將熔融金屬倒入砂模內進行鑄造的技術。在生產完後,所使用的鑄造砂可回收再利用。
    • 石膏模鑄造(Plaster mold casting)
      將特殊成分調和的石膏覆蓋至模型上待其凝固取得產品形狀後,將熔融金屬倒入石膏模內進行鑄造的技術。在生產完後,所使用的石膏模雖會受熔融金屬影響而有燒損無法繼續使用,但石膏於回收後進行粉碎處理可再作利用。
    • 殼模鑄造(Shell mold casting)
      與砂模鑄造為相同概念,但於鑄造砂內會混入黏著劑並加熱成型,並於成形後會搭配其他模具一起使用。在生產完後,黏著劑會因高溫崩解而使鑄造砂恢復砂狀,但因有雜質的關係需要處理後才可再作利用。
    • 脫蠟鑄造(Lost-wax casting)
      與前述鑄造技術不同的在於,該種材質無法重新利用。使用蠟(Wax)製作模型原型後,於其表面覆蓋石膏、矽膠等材質,待其硬化‧乾燥後放入烤爐內進行燒結成形。而在燒結過程中,模內的蠟會因高溫熔解消失而空出空間。接著再將熔融金屬到入模具內成型。
  • 非消耗模鑄造(Non-expendable mold casting)

    與前面提及的消耗模鑄造不同在於,使用可以承受高溫、高壓的特殊比例合金材質製作成模具,可供長期、半永久性需求使用。此外,因模具耐用之外,生產出來的產品具重複性且接近原始模具造型,非常適合用於大量生產產品或零件。而通常非消耗模鑄造上,會依使用之技術而命名。

    • 永久模鑄造(Permanent mold casting)
      為使用可承受高溫且具極佳的金屬疲勞耐性的材質製作成模具,進行鑄造之技術。相關的鑄造技術有重力鑄造(Gravity casting)低壓鑄造(Low-pressure casting)…等。
    • 壓力鑄造(Die casting)
      壓力鑄造又稱為壓鑄。為將熔融金屬以高速‧高壓的方式注入至精密模具後,在極短的時間內讓產品得以成型的技術。在相關技術上,可區分為熱室壓鑄(Hot-chamber die casting)冷室壓鑄(Cold-chamber die casting)
    • 半固態鑄造(Semi-solid metal casting)
      為利用金屬介於固態和液態狀態下,固液共存時呈類似雪泥狀(Sherbet)進行壓鑄的技術。在相關技術上,可區分成觸變鑄造(Thixocasting)流變鑄造(Rheocasting)…等。
    • 離心鑄造(Centrifugal casting)
      將熔融金屬灌注入可旋轉的模具內,利用熔融金屬液體於離心力作用下會逐漸填充模具的特性進行鑄造的技術。除應用在金屬鑄造外,亦可使用於其他可融化成液體的建築或工業材質(混凝土、玻璃…等)上。


什麼是模流軟體(Molding simulation)?

過往在進行鑄造生產時,由於無法觀測到模具內部實際流動‧凝固情況,往往都得在量產前先生產試作品後,才能對模具方案進行檢討、設計是否妥當、強度是否足夠、以及確認是否滿足設計目的。但這種作法除了會消耗大量成本外,也會需要冗長的前置時間。

但隨著電腦科技以及技術上的進步,所衍生出的電腦輔助工程CAE(Computer Aided Engineering)相關技術可以用來模擬模具內熔融材料的流動‧凝固狀態,進而檢討‧驗證來改善模具設計。而這個相關技術,就是所謂的模流軟體(Molding simulation)。而在模流軟體上可以依熔融材料的不同,來區分成使用樹脂材料的射出成形(Injection molding simulation)和使用金屬材料的鑄造成形(Casting simulation)

 

  • 模流軟體會被應用於?

    雖模流軟體可模擬樹脂材料的射出成形和金屬材料的鑄造成形,但多半都會被運用來做模具(Mold)產品(Product)的模擬和驗證上。而在實際製程上,使用CAE技術的模流軟體會如下圖說明一般,應用在模具設計以及製作模具之間。若能確實運用模流軟體,工程師們可以在製作模具前排除設計上不確定要素之外,或在產品發生問題時亦用來分析原因並用來做改善的依據。
    電腦輔助工程, 电脑辅助工程, CAE, Computer Aided Engineering, コンピューター支援設計,

  • 模流軟體可分析之缺陷?

    關於模流軟體可分析之缺陷部分,普遍來說都能對流動、凝固、溫度…等起因的缺陷進行模擬和分析。不過,實際上還是會依製造商的開發技術、軟體設計目的…等,而會有模組功能或精度上的差異。
    以鑄造成形的模流軟體分析為例,模流軟體可以分析像是流動不順(Misrun)、熔湯流痕(Metal wave)、熱裂(Hot cracking)、燒付(Soldering)、捲入空氣(Air entrapment)、氣孔(Blowhole)、砂孔(Shrinkage cavity)…等缺陷。

  • 模流軟體預期帶來效果?

    由於模流軟體可以模擬‧驗證可能會發生之問題‧缺陷的關係,預期上應可帶來下列效果。

    • 降低成本
      導入模流軟體至製造流程內,除了可以在製作模具前以及產品發生問題後對問題‧缺陷進行模擬分析之外,還能對模擬分析結果進行改善方案的相關驗證。待改善方案確認沒問題後,再著手進行實際的模具方案的改善措施。
      也為此,相較於過往製造流程,導入模流軟體的製造流程可以大幅度降低成本。
    • 提升品質
      而模流軟體可以用來模擬分析問題‧缺陷的關係,這些分析結果想當然的也可以運用在模具方案上,來改善或提升模具和產品的品質。
    • 縮減開發時間
      在產品製程上來說,往往最耗費時間的製程,莫過於開發製程上。在開發過程中除了檢討產品設計外,最耗時的就是針對開發產品進行測試和驗證。而導入使用CAE的模流軟體,在實際製造前就能進行模擬和驗證的關係,可大幅縮減測試和驗證所需的時間。
    • 降低環境負擔
      開發過程中不管是製作模具還是生產試作品,除了會消耗大量資材和費用之外,在製造過程中也會產生大量的工業廢棄物。舉例來說,在生產時為方便產品可以順利脫離模具所使用離型劑,會因受熱而蒸發或劣化隨之產生廢氣和廢油。若能運用模流軟體進行模具方案的模擬分析和驗證,除了可以有效減少工業廢棄物之外,也能降低環境負擔。
    • 製造流程最佳化
      綜合以上的特點,在製造流程中運用模流軟體可以以最低成本進行產品設計的模擬分析,可持續的對分析結果進行測試和改善來提升品質,並以大量的測試數據為基礎來達成最短時間的產品開發,而這也就是製造流程的最佳化。

  • 模流軟體的侷限?

    雖然模流軟體可以分析模擬問題和缺陷,並帶來前述的各種效果。但嚴格來說,模流軟體所分析出來的結果,算是在完美條件下所得的實驗室數據。若模流軟體在進行模擬分析時,所設定之相關條件無法貼近實際製造環境條件的話,其分析出結果很容易出現偏差,並難以應用於模具方案的改善上。
    而在模流軟體上通常可以設定模具和熔融材料的溫度柱塞桿的射出速度‧位置射出‧增壓壓力…等基礎製造條件。但在製造現場上,可能會有許多因素會影響到實際製造條件。舉例來說,像是機台設備維護狀況、工廠內的環境情形、現場人員的經驗素質…等。

模流軟體廠商和產品

  • 射出成形(Injection molding simulation)

    美國Autodesk的Moldflow、法國Dassault Systèmes S.A.的SolidWorks、台灣科盛科技(CoreTech System Co.)的Moldex3D、日本東麗工程(Toray Engineering D Solutions Co., Ltd.)的Timon Mold Designer…等。

  • 鑄造成形(Casting simulation)

    日本日立產業控制(Hitachi Industry & Control Solutions, Ltd.)的Adstefan、法國ESI集團(ESI Group)的Procast、日本QUALICA(QUALICA Inc.)的Jscast、日本豐田系統(TOYOTA Systems corporation)的Topcast、美國Flow Science(Flow Science, Inc)的Flow-3D、韓國AnyCasting Software(AnyCasting Software co.,ltd.)Anycasting、瑞典Novacast的NovaFlow&Solid…等。

 

說明到這邊,相信大家都對壓鑄和模流軟體有大致上的認知了。那麼在下一個單元,我們將會針對模流軟體的應用上,介紹更詳細的例子讓大家更深入理解。
那麼,期待我們在下個單元相見。

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