科普知识：模流软体的实务运用

2024-03-08

科普知识：模流软体(Casting simulation)的实务运用

在前面的单元内，我们有针对铸造和模流软体进行简单介绍，相信有阅读过的读者们，对于铸造和模流软体应该都有了简单和概略上的了解。
若有读者还没有阅读的话，可以按下面的文字连结前往确认。

科普知识：浅谈铸造与模流软体

那么在接下来的内容部分，我们会针对模流软体在实际现场上如何去运用进行相关介绍说明。

模流软体运用时机和要点

那让我们来复习一下，所谓的模流软体(Molding simulation)是使用电脑辅助工程CAE(Computer Aided Engineering)技术于电脑上，让使用者可以在模具、产品开发前后，对设计方案进行模拟‧验证。那么在开发上，实际上又是怎么样去被运用而其要点又为何？

模具、产品开发前

在模具、产品开发前来说，模流软体多半会运用在产品研发(PD, Product Development)上，对预计开发之设计方案进行生产模拟、瑕疵检测、条件验证…等，来辅助开发人员针对模具、产品设计进行修改，并可以对相关制造条件(材料、温度、压力、速度…等)做最佳化调整。
下面动画连结内容，是日本YAHAMA发动机活用模流软体的特性，在实际制作模具前对设计方案进行流动分析(Flow analysis)、模具温度分析(Mold thermal analysis)…等，来让生产出来的产品可以有更短的前置时间(Lead time)、更低廉的制造成本(Manufacturing cost)以及更优异的产品结构。

(*引用自ヤマハ発動機グループ採用頻道)
模具、产品开发后

那在模具、产品开发后来说，模流软体会运用在品质改善(QI, Quality Improvement)上，用来分析于产品上所发生之问题‧缺陷原因，以及验证相关改善措施是否有效。而在实际设计改善过程上，运用CAE技术的模流软体时会如下图说明一般，应用在资讯收集以及设计改善之间。若能届时运用模流软体，工程师们可以在产品发现缺陷时能更有效率查找缺陷问题原因之外，更可以有依据的对产品缺陷进行相关改善措施。
模流软体运用要项

模流软体在导入开发流程时，并非导入后就会有显著的改善，而是须要花时间去反覆进行尝试和验证才会有效用。承前一篇内容也有提到，从模流软体所分析之结果，仅可说是在完美条件下所得的实验室数据。若无法将分析条件贴近实际环境情况的话，所求出之分析结果就容易出现偏差，自然的也无法用来作为有效的改善依据。
也为此，在运用模流软体时，最重要的莫过于需针对相关的制造条件进行不断的尝试错误(Trial and Error)，并与实际制造情况做反覆验证(Repeat verification)，最后当分析结果与实际情况相符后才可以逐步地去改善设计方案和产品品质。而这验证过程与开发过程是相同原理，是需要时间也需要耐心去进行。

模流软体的实际运用

那在前面的说明中，我们了解到模流软体的运用时机和要点，那在实际运用上又会是如何？
目前，在市面上虽然有多家厂商销售的模流软体，但从运用概念上来说可说是大同小异。毕竟使用模流软体的目的，就是要解析过去在制造过程中于模具内无法被观察之金属熔汤的流动‧凝固成型情况。不过严格来说，其实各家厂商所生产的模流软体，仅有在其所使用的分析手法、分析精度、分析速度上有所不同。
在接下来的内容，将会实际使用模流软体来模拟铸造过程，来带大家了解实务上要怎么去运用模流软体。

模流分析工具与对象模型

在本次的模流分析上，我们将使用由瑞典Novacast所研发之模流软体「Novacast NovaOne HPD 模流软体」，来对开发中的金属盖体的设计方案进行铸造模流分析。而在这次模流分析的最大目的上，是要在「实际制作模具之前」了解其设计方案在设计上是否妥当，以及确认是否有可能发生相关缺陷。
- 使用之模流软体「Novacast NovaOne HPD 模流软体」
  
  (* 引用自NovaCast Systems頻道)
- 对象模型「金属盖体」
模流分析过程

首先，将欲分析之对象模型的以STL档案(STL, Standard Triangulated Language)或STEP档案(STEP, Standard for the Exchange of Product Data)汇入模流软体，并将对象模型调整为容易判读之方向后，将档案汇出备用。

将稍早处理好的档案进行网格裁切后，针对模拟之制造条件(模具&铸件材料种类、温度、压力、射出速度、排气阀…等)进行设定后，将档案汇出备用。
在这边补充说明一下，在模流分析中模拟之制造条件的设定若与实际现场制造条件有差异的话，分析出来的结果自然无法做参数调整的参考依据。也为此，在设定模拟之制造条件时，务必取得‧确认实际现场制造条件后再行设定，其分析结果才会与现实情况相近。
[* 下图为32倍速。实际设定时间约3分]

接着，将设定好各项条件的档案放入分析模拟器中，并确认汇出条件符合需求后，就可以开始进行模流分析。待模流分析处理完毕后，就可以确认到若以该设计方案和制造条件进行生产时，是否会发生相关缺陷问题，又或是相关制造条件是否恰当。
此外，实际分析所需时间，会依设定之模流分析条件(总网格数、分析内容…等)以及使用之硬体规格(所使用之PC设备规格)而会有所变动。
[* 下图为64倍速。实际分析时间约15分半]
模流分析结果

在分析结果上，虽然会因不同开发商的关系软体上的称呼名称会有所不同，但基本上都会有像是流动(Flow)、凝固(Solid)、温度(Temperature)、速度(Velocity)、空气卷入(Air enterment)、收缩(Shrinkage)…等分析结果可供操作人员确认和分析缺陷问题。而依购买之模组内容不同，有些甚至会提供像是气体计算(Gas calculation)、模具侵蚀分析(Mold Erosion)、热应力分析(Thermal stress)…等进阶功能，让操作人员可以更进一步对设计方案进行分析确认。
- 流动分析(Flow)
- 凝固分析(Solid)
- 温度分析(Temperature)
- 速度分析(Velocity)
- 空气卷入(Air enterment)
- 收缩(Shrinkage)
制造条件、设计方案改善

在完成模流分析并确认分析结果后，接着就可以对制造条件、设计方案进行相关的评估。概要上来说，可分成三个阶段。
- 分析结果检讨
  在这个阶段上，设计人员须以模流分析所得之分析结果为依据，对制造条件、设计方案改善后，其结果仍需再进行检讨。而这个检讨动作，是为了确认相关改善措施是否有效，以及能否改善相关缺陷问题。若发现相关改善措施没有效用，那么就需重新针对制造条件、设计方案进行检讨。
- 产品试作评估
  在这个阶段上，经过分析结果检讨后，可以假定设计方案和制造条件在模拟上应是没有问题且结果贴近现实。接着，就可以开始制作模具并进行产品试作后，确认试作品上是否缺陷发生。若发现有缺陷问题，可以收集相关资讯后回馈至模流软体上进行分析，并以其分析结果再做模具、产品的改善。
- 产品进行量产
  待确认产品检讨、试做品评估阶段上的问题被排除后，接着就可以开始进行产品量产。若产品于量产时发生缺陷问题，亦可再重复上述程序进行相关改善措施。而制作模具前和产品发生缺陷后，运用模流软体对设计方案进行改善流程相似。