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科普知識:模流軟體的實務運用

2024-03-08

科普知識:模流軟體(Casting simulation)的實務運用

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在前面的單元內,我們有針對鑄造和模流軟體進行簡單介紹,相信有閱讀過的讀者們,對於鑄造和模流軟體應該都有了簡單和概略上的了解。
若有讀者還沒有閱讀的話,可以按下面的文字連結前往確認。

那麼在接下來的內容部分,我們會針對模流軟體在實際現場上如何去運用進行相關介紹說明。

模流軟體運用時機和要點

那讓我們來複習一下,所謂的模流軟體(Molding simulation)是使用電腦輔助工程CAE(Computer Aided Engineering)技術於電腦上,讓使用者可以在模具、產品開發前後,對設計方案進行模擬‧驗證。那麼在開發上,實際上又是怎麼樣去被運用而其要點又為何?

  • 模具、產品開發前

    在模具、產品開發前來說,模流軟體多半會運用在產品研發(PD, Product Development)上,對預計開發之設計方案進行生產模擬、瑕疵檢測、條件驗證…等,來輔助開發人員針對模具、產品設計進行修改,並可以對相關製造條件(材料、溫度、壓力、速度…等)做最佳化調整。
    下面動畫連結內容,是日本YAHAMA發動機活用模流軟體的特性,在實際製作模具前對設計方案進行流動分析(Flow analysis)、模具溫度分析(Mold thermal analysis)…等,來讓生產出來的產品可以有更短的前置時間(Lead time)、更低廉的製造成本(Manufacturing cost)以及更優異的產品結構。

    (*引用自ヤマハ発動機グループ採用頻道)

  • 模具、產品開發後

    那在模具、產品開發後來說,模流軟體會運用在品質改善(QI, Quality Improvement)上,用來分析於產品上所發生之問題‧缺陷原因,以及驗證相關改善措施是否有效。而在實際設計改善過程上,運用CAE技術的模流軟體時會如下圖說明一般,應用在資訊收集以及設計改善之間。若能屆時運用模流軟體,工程師們可以在產品發現缺陷時能更有效率查找缺陷問題原因之外,更可以有依據的對產品缺陷進行相關改善措施。

  • 模流軟體運用要項

    模流軟體在導入開發流程時,並非導入後就會有顯著的改善,而是須要花時間去反覆進行嘗試和驗證才會有效用。承前一篇內容也有提到,從模流軟體所分析之結果,僅可說是在完美條件下所得的實驗室數據。若無法將分析條件貼近實際環境情況的話,所求出之分析結果就容易出現偏差,自然的也無法用來作為有效的改善依據。
    也為此,在運用模流軟體時,最重要的莫過於需針對相關的製造條件進行不斷的嘗試錯誤(Trial and Error),並與實際製造情況做反覆驗證(Repeat verification),最後當分析結果與實際情況相符後才可以逐步地去改善設計方案和產品品質。而這驗證過程與開發過程是相同原理,是需要時間也需要耐心去進行。

模流軟體的實際運用

那在前面的說明中,我們瞭解到模流軟體的運用時機和要點,那在實際運用上又會是如何?
目前,在市面上雖然有多家廠商銷售的模流軟體,但從運用概念上來說可說是大同小異。畢竟使用模流軟體的目的,就是要解析過去在製造過程中於模具內無法被觀察之金屬熔湯的流動‧凝固成型情況。不過嚴格來說,其實各家廠商所生產的模流軟體,僅有在其所使用的分析手法、分析精度、分析速度上有所不同。
在接下來的內容,將會實際使用模流軟體來模擬鑄造過程,來帶大家瞭解實務上要怎麼去運用模流軟體。

  • 模流分析工具與對象模型

    在本次的模流分析上,我們將使用由瑞典Novacast所研發之模流軟體「Novacast NovaOne HPD 模流軟體」,來對開發中的金屬蓋體的設計方案進行鑄造模流分析。而在這次模流分析的最大目的上,是要在「實際製作模具之前」瞭解其設計方案在設計上是否妥當,以及確認是否有可能發生相關缺陷。

  • 模流分析過程

    首先,將欲分析之對象模型的以STL檔案(STL, Standard Triangulated Language)或STEP檔案(STEP, Standard for the Exchange of Product Data)匯入模流軟體,並將對象模型調整為容易判讀之方向後,將檔案匯出備用。

    將稍早處理好的檔案進行網格裁切後,針對模擬之製造條件(模具&鑄件材料種類、溫度、壓力、射出速度、排氣閥…等)進行設定後,將檔案匯出備用。
    在這邊補充說明一下,在模流分析中模擬之製造條件的設定若與實際現場製造條件有差異的話,分析出來的結果自然無法做參數調整的參考依據。也為此,在設定模擬之製造條件時,務必取得‧確認實際現場製造條件後再行設定,其分析結果才會與現實情況相近。
    [* 下圖為32倍速。實際設定時間約3分]
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    接著,將設定好各項條件的檔案放入分析模擬器中,並確認匯出條件符合需求後,就可以開始進行模流分析。待模流分析處理完畢後,就可以確認到若以該設計方案和製造條件進行生產時,是否會發生相關缺陷問題,又或是相關製造條件是否恰當。
    此外,實際分析所需時間,會依設定之模流分析條件(總網格數、分析內容…等)以及使用之硬體規格(所使用之PC設備規格)而會有所變動。
    [* 下圖為64倍速。實際分析時間約15分半]
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  • 模流分析結果

    在分析結果上,雖然會因不同開發商的關係軟體上的稱呼名稱會有所不同,但基本上都會有像是流動(Flow)、凝固(Solid)、溫度(Temperature)、速度(Velocity)、空氣捲入(Air enterment)、收縮(Shrinkage)…等分析結果可供操作人員確認和分析缺陷問題。而依購買之模組內容不同,有些甚至會提供像是氣體計算(Gas calculation)、模具侵蝕分析(Mold Erosion)、熱應力分析(Thermal stress)…等進階功能,讓操作人員可以更進一步對設計方案進行分析確認。

    • 流動分析(Flow)
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    • 凝固分析(Solid)
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    • 溫度分析(Temperature)
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    • 速度分析(Velocity)
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    • 空氣捲入(Air enterment)
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    • 收縮(Shrinkage)
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  • 製造條件、設計方案改善

    在完成模流分析並確認分析結果後,接著就可以對製造條件、設計方案進行相關的評估。概要上來說,可分成三個階段。

    • 分析結果檢討
      在這個階段上,設計人員須以模流分析所得之分析結果為依據,對製造條件、設計方案改善後,其結果仍需再進行檢討。而這個檢討動作,是為了確認相關改善措施是否有效,以及能否改善相關缺陷問題。若發現相關改善措施沒有效用,那麼就需重新針對製造條件、設計方案進行檢討。
    • 產品試作評估
      在這個階段上,經過分析結果檢討後,可以假定設計方案和製造條件在模擬上應是沒有問題且結果貼近現實。接著,就可以開始製作模具並進行產品試作後,確認試作品上是否缺陷發生。若發現有缺陷問題,可以收集相關資訊後回饋至模流軟體上進行分析,並以其分析結果再做模具、產品的改善。
    • 產品進行量產
      待確認產品檢討、試做品評估階段上的問題被排除後,接著就可以開始進行產品量產。若產品於量產時發生缺陷問題,亦可再重複上述程序進行相關改善措施。而製作模具前產品發生缺陷後,運用模流軟體對設計方案進行改善流程相似。

到這邊我們已經達到在「實際製作模具之前」,對設計方案進行模擬。除此之外,甚至可以在製作模具之前,就能對各種缺陷問題進行檢討和改善措施。若模流軟體能運用在開發現場上,應該可以以低成本且更有效率的方式,來輔助產品設計、模具開發人員進行模具的缺陷檢測、模具方案優化、提升品質…等。

最後,說明到這邊,相信大家都已經瞭解實務上要如何去運用模流軟體。在下個單元,我們會針對常見的鑄造缺陷以及相關成因做進一步說明。

那麼,期待我們在下個單元相見。

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