2016年ANSYS成為全球第一家年?duì)I業(yè)額超過10億美金的工程模擬軟體公司，營收規(guī)模已超越許多CAD/CAM軟體供應(yīng)商，正式宣告CAE主導(dǎo)設(shè)計(jì)的時(shí)代已經(jīng)來臨。2017年2月，精密量具的領(lǐng)導(dǎo)廠商海克斯康集團(tuán)更大手筆以8億3千4百萬美金收購了CAE的元老公司MSC Software，不僅象徵硬體公司進(jìn)入數(shù)字設(shè)計(jì)世界的一大步，更意味著真實(shí)製造環(huán)境的量測(cè)數(shù)據(jù)將與仿真分析緊密結(jié)合，協(xié)助企業(yè)突破產(chǎn)品設(shè)計(jì)優(yōu)化與傳統(tǒng)製造生產(chǎn)的極限，引領(lǐng)製造業(yè)邁向工業(yè)4.0的康莊大道。
這些變化與整合將持續(xù)帶動(dòng)全球機(jī)電相關(guān)產(chǎn)業(yè)的創(chuàng)造與革新，具體而微，相同的設(shè)計(jì)優(yōu)化與仿真技術(shù)的演進(jìn)也正在注塑成型與模具設(shè)計(jì)的世界被循環(huán)複製中。
模流分析師的角色轉(zhuǎn)移
模流分析最早僅被運(yùn)用於診斷塑膠產(chǎn)品設(shè)計(jì)，協(xié)助解決生產(chǎn)問題；如今已進(jìn)化至被工業(yè)界廣泛運(yùn)用於進(jìn)行產(chǎn)品與模具開發(fā)前期的設(shè)計(jì)、驗(yàn)證與優(yōu)化，在大多數(shù)企業(yè)的設(shè)計(jì)生產(chǎn)流程中扮演不可或缺的角色。
這段演變的過程中，全3D的產(chǎn)品與模具設(shè)計(jì)CAD軟體的普遍應(yīng)用當(dāng)居首功，而自動(dòng)化的網(wǎng)格產(chǎn)生工具更是功不可沒。早期分析人員往往需要花費(fèi)數(shù)小時(shí)甚至數(shù)日的時(shí)間處理模型、建立網(wǎng)格，才能開始展開分析工作。
現(xiàn)在有了全自動(dòng)的eDesign與BLM (Boundary Layer Mesh)網(wǎng)格產(chǎn)生技術(shù)，已可實(shí)現(xiàn)單鍵生成網(wǎng)格，甚至修改產(chǎn)品時(shí)同步更新網(wǎng)格的理想。因此標(biāo)準(zhǔn)的模流分析工作已逐漸從專業(yè)CAE分析師轉(zhuǎn)移到模具設(shè)計(jì)師，甚至更上游的產(chǎn)品設(shè)計(jì)師身上。產(chǎn)品設(shè)計(jì)與模具設(shè)計(jì)師也已習(xí)慣倚賴模流分析軟體來決定澆口位置、平衡流道設(shè)計(jì)、優(yōu)化水路配置、解決翹曲問題等。
許多公司甚至已著手將模流分析核心嵌入公司內(nèi)部的設(shè)計(jì)導(dǎo)引平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)每件產(chǎn)品均經(jīng)過模流分析自動(dòng)檢驗(yàn)射壓上限、收縮量與翹曲變形量的設(shè)計(jì)品管理想。同時(shí)配合內(nèi)部私有雲(yún)的電腦叢集平行運(yùn)算，大幅縮減計(jì)算時(shí)間，提升反應(yīng)速度。
為了協(xié)助使用者節(jié)省大量時(shí)間並且獲得最適合模流分析的3D流道網(wǎng)格，Moldex3D R15.0的版本發(fā)展了新一代的自動(dòng)化高品質(zhì)流道網(wǎng)格建構(gòu)技術(shù)。新的流道網(wǎng)格技術(shù)可自動(dòng)生成高解析的六面體網(wǎng)格，提供用戶多種節(jié)點(diǎn)類型來連結(jié)線性流道交界，真實(shí)反映流道的原始幾何形狀，有助於進(jìn)一步縮短計(jì)算時(shí)間並提升模擬精準(zhǔn)度。
| 圖一 : 六面體實(shí)體網(wǎng)格(Hexa-based solid mesh) |
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| 圖二 : 節(jié)點(diǎn)型式(Node types)、節(jié)點(diǎn)預(yù)覽(Node Preview)等多項(xiàng)特色 |
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| 圖三 : 針對(duì)澆口的部份特別加強(qiáng)，可選擇符合常用的澆口節(jié)點(diǎn)型式來產(chǎn)生網(wǎng)格 |
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「非匹配網(wǎng)格」技術(shù)的誕生使產(chǎn)品與嵌件間的網(wǎng)格界面無需連續(xù)與數(shù)量對(duì)應(yīng)，即可進(jìn)行模擬分析，並能取得正確的模擬結(jié)果分佈及連動(dòng)性組件變形預(yù)測(cè)。Moldex3D R15.0的非匹配網(wǎng)格技術(shù)由原先僅支援嵌件(part insert)擴(kuò)展至支援模座網(wǎng)格，克服產(chǎn)品與嵌件網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)不匹配的條件下無法預(yù)先自動(dòng)建構(gòu)3D實(shí)體模座網(wǎng)格的限制，讓使用者可加快模座網(wǎng)格的處理效率及分析準(zhǔn)確度，讓所有使用者都能體驗(yàn)高品質(zhì)網(wǎng)格技術(shù)帶來的模擬分析效率和精準(zhǔn)度。
| 圖四 : 非匹配模座網(wǎng)格與分析結(jié)果 |
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從模擬到完全仿真
工程師對(duì)於CAE的需求與期待永無止境。除了標(biāo)準(zhǔn)注塑成型製程的模擬分析之外，模流分析功能現(xiàn)已涵蓋射出壓縮成型、壓縮成型、金屬粉末注塑成型等特殊製程。短纖與長(zhǎng)纖的纖維強(qiáng)化複材在射出成型過程中的纖維排向與FEA整合分析。Moldex3D R15.0更進(jìn)一步將上述特色擴(kuò)展至纖維複材的壓縮成型製程分析，協(xié)助用戶設(shè)計(jì)、優(yōu)化大型纖維強(qiáng)化複材的製造工藝。
除了完整支援纖維強(qiáng)化複材製程之外，隨著汽車輕量化與低油耗的要求逐年提昇，Moldex3D早已將氣體輔助注塑、水輔助注塑、微細(xì)發(fā)泡（代表性技術(shù)：Trexel公司的MuCell）、熱塑性塑料化學(xué)發(fā)泡等先進(jìn)成型技術(shù)納入模擬預(yù)測(cè)的範(fàn)圍，並已取得很好的驗(yàn)證數(shù)據(jù)與使用經(jīng)驗(yàn)。
最新的 R15.0化學(xué)發(fā)泡成型模組更新增支援的聚氨酯(Polyurethane, PU)發(fā)泡製程，考慮熔膠在模腔中的交聯(lián)動(dòng)力學(xué) (Curing Kinetics)和發(fā)泡動(dòng)力學(xué)(Foaming Kinetics)計(jì)算。透過聚氨酯發(fā)泡模擬分析，使用者就能夠更了解製造過程並準(zhǔn)確地預(yù)測(cè)充填和發(fā)泡階段的動(dòng)態(tài)行為、確認(rèn)注塑條件與原料注入的最佳化控制，並藉此優(yōu)化產(chǎn)品設(shè)計(jì)，更容易評(píng)估和決定適合的生產(chǎn)條件。
| 圖五 : PU化學(xué)發(fā)泡成型製程的應(yīng)用案例 |
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近年來模內(nèi)裝飾的注塑成型生產(chǎn)雖已普及，但仍面臨許多油墨沖刷、皺摺變形等成型工藝的挑戰(zhàn)，造成產(chǎn)品開發(fā)的成本攀升與時(shí)程延宕。Moldex3D R15.0提供專用的分析功能，在模內(nèi)裝飾模擬前處理流程中支援薄膜邊界選項(xiàng)，協(xié)助用戶以最快速、簡(jiǎn)單且精準(zhǔn)的方式，處理飾件網(wǎng)格層。同時(shí)提供「沖刷指數(shù)」讓產(chǎn)品設(shè)計(jì)者預(yù)測(cè)沖刷狀況，確保高品質(zhì)模內(nèi)裝飾產(chǎn)品的產(chǎn)出。
| 圖六 : 不同成型條件的沖刷指數(shù)結(jié)果比較 |
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藉由分析除了可以預(yù)測(cè)出與實(shí)際結(jié)果相當(dāng)吻合的流動(dòng)波前，更因?yàn)榭紤]薄膜的熱傳效應(yīng)，可了解成型過程中的熱遲滯(heat hesitation)現(xiàn)象；此現(xiàn)象正因?yàn)槭茄b飾層的熱傳導(dǎo)能力較差所造成。
| 圖七 : 流動(dòng)波前與實(shí)驗(yàn)結(jié)果的比對(duì) |
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| 圖八 : 模內(nèi)裝飾分析產(chǎn)品表面溫度分佈 |
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3D打印則是另一個(gè)已經(jīng)開始更改模具設(shè)計(jì)面貌的新技術(shù)。隨著各國供應(yīng)商大舉切入該領(lǐng)域，3D金屬打印設(shè)備的價(jià)格節(jié)節(jié)滑落，金屬粉末的成本逐年降低，直接打印中小型模具已經(jīng)成為完全可以實(shí)現(xiàn)的理想了。中大型模具也可以結(jié)合傳統(tǒng)模具製造工藝與3D打印，消除加強(qiáng)肋與孔洞週邊的積熱問題。
除了大幅減少所需加工設(shè)備的種類與數(shù)量之外，最大的優(yōu)點(diǎn)就是冷卻水路設(shè)計(jì)的靈活度。3D隨型冷卻(conformal cooling)可以輕易冷卻模具各個(gè)角落，不僅可以大幅縮減冷卻時(shí)間，更能減少翹曲變形與產(chǎn)品表面的凹痕。設(shè)計(jì)過程中，通過Moldex3D提供的隨型水路生成功能(Cooling Channel Designer)可以縮減繪製水路的時(shí)間，並且利用3D CFD功能檢查每條水路是否達(dá)到足夠的紊流程度，以確保冷卻速率，並且估算所需的壓力與冷卻幫浦的規(guī)格。再以冷卻分析結(jié)合翹曲分析評(píng)估傳統(tǒng)水路與隨型冷卻二者在模具製造成本與量產(chǎn)時(shí)冷卻時(shí)間的縮減、品質(zhì)穩(wěn)定性的提升的生產(chǎn)成本與效益評(píng)估。
誠如上面所述，全面使用3D打印技術(shù)製造模具正在快速改變模具製造的風(fēng)貌，並且引領(lǐng)隨型冷卻水路的普遍化。
風(fēng)起「雲(yún)」湧 迎向4.0
雲(yún)計(jì)算的潮流風(fēng)起雲(yún)湧，不僅大幅帶動(dòng)電子商務(wù)與人工智能的發(fā)展，同時(shí)也逐漸成為CAE軟體供應(yīng)商與用戶思考下世代計(jì)算資源的投資與配置時(shí)的重要選項(xiàng)之一。
在公有雲(yún)的設(shè)計(jì)資訊保密考量未完全消弭之前，許多企業(yè)已紛紛在企業(yè)內(nèi)部採用叢集計(jì)算(cluster computing)架構(gòu)對(duì)應(yīng)CAE計(jì)算的巨量?jī)?nèi)存與計(jì)算時(shí)間的需求。舉例來說，ANSYS與ABAQUS等知名軟體早已支援叢集運(yùn)算，在數(shù)千顆核心上平行運(yùn)算LS-DYNA求解汽車碰撞問題，更是汽車行業(yè)例行的分析驗(yàn)證工作。同樣的，Moldex3D亦領(lǐng)先其他模流分析軟體，可以通過串接多臺(tái)標(biāo)準(zhǔn)PC取得十?dāng)?shù)倍以上的計(jì)算加速，輕鬆滿足千萬元素等級(jí)專案的計(jì)算需求。倘若將同樣的配置放在雲(yún)上，就立刻可以滿足廣大用戶的計(jì)算需求，平日用量少或用量突增的用戶可採隨需使用(pay-per-use)的彈性方式取得計(jì)算所需的軟體功能與硬件資源。
隨著智財(cái)保護(hù)、網(wǎng)路安全、傳輸帶寬等技術(shù)的日益成熟，企業(yè)也開始以更開放的光看待雲(yún)計(jì)算所帶來的優(yōu)點(diǎn)。當(dāng)設(shè)計(jì)生產(chǎn)製造流程中有更多的企業(yè)成員運(yùn)用模流分析提升企業(yè)競(jìng)爭(zhēng)力之際，意味著更豐富的計(jì)算數(shù)據(jù)將被產(chǎn)出，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際量測(cè)的各項(xiàng)數(shù)據(jù)匯入企業(yè)寶貴生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)的大數(shù)據(jù)庫，成為企業(yè)邁向工業(yè)4.0不可或缺的基石。
（本文作者楊文禮為科盛科技業(yè)務(wù)處總經(jīng)理；謝再新為科盛科技資深產(chǎn)品副理）
