電腦輔助與塑料射出成型技術
1-1 計算機輔助工程分析計算機輔助設計(Computer-Aided Design, CAD)是應用計算機協助進行創造、設計、修改、分析、及最佳化一個設計的技術。計算機輔助工程分析(Computer-Aided Engineering, CAE)是應用計算機分析CAD幾何模型之物理問題的技術，可以讓設計者進行仿真以研究產品的行為，進一步改良或最佳化設計。目前在工程運用上，比較成熟的CAE技術領域包括：結構應力分析、應變分析、振動分析、流體流場分析、熱傳分析、電磁場分析、機構運動分析、塑料射出成形模流分析等等。有效地應用CAE，能夠在建立原型之前或之后發揮功能： ․協助設計變更(design revision) ․協助排除困難(trouble-shooting) ․累積知識經驗，系統化整理Know-how，建立設計準則(design criteria)CAE使用近似的數值方法(numerical methods)來計算求解，而不是傳統的數學求解。數值方法可以解決許多在純數學所無法求解的問題，應用層面相當廣泛。因為數值方法應用許多矩陣的技巧，適合使用計算機進行計算，而計算機的運算速度、內存的數量和算法的好壞就關系到數值方法的效率與成敗。 一般的CAE軟件之架構可以區分為三大部分：前處理器(pre-processor)、求解器(solver)和后處理器(post-processor)。前處理器的任務是建立幾何模型、切割網格元素與節點、設定元素類型與材料系數、設定邊界條件等。求解器讀取前處理器的結果檔，根據輸入條件，運用數值方法求解答案。后處理器將求解后大量的數據有規則地處理***機接口圖形，制作動畫以方便使用者分析判讀答案。為了便利建構2D或3D模型，許多CAE軟件提供了CAD功能，方便建構模型。或者提供CAD接口，以便將2D或3D的CAD圖文件直接匯入CAE軟件，再進行挑面與網格切割，以便執行分析模擬。應用CAE軟件必須注意到其分析結果未必能夠百分百重現所有的問題，其應用重點在于有效率地針對問題提出可行之解決方案，以爭取改善問題的時效。 經驗 ＝＞ 知識 ＝＞ 實驗比對 ＝＞ 品質(Q)、成本(C)、交期(D) CAE工具 ＝＞應用CAE工具時，必須充分了解其理論內涵與模型限制，以區分仿真分析和實際制程的差異，才不至于對分析結果過度判讀。據估計，全球應用CAE技術的比例僅15%左右，仍有廣大的發展空間。影響CAE技術推廣的主因有三：․分析的準確性。․相關技術人員的養成。․技術使用的簡易性。而CAE模擬分析之主要誤差來源包括： ․理論模式—物理現象、材料物性。 ․數值解法(numerical Solver) ․幾何模型(geometry model) ․錯誤的輸入數據1-2 塑料射出成形塑料制品依照其材料性質、用途和成品外觀特征而開發了各種加工的方法，例如押出成形(extrusion)、共押出成形(co-extrusion)、射出成形(injection molding)、吹袋成形(blown film)、吹瓶成形(blow molding)、熱壓成形(thermoforming)、輪壓成形(calendering molding)、發泡成形(Foam molding)、旋轉成形(rotational molding)、氣體輔助射出成形(gas-assisted injection molding)等等。 塑料射出成形(injection molding)是將熔融塑料材料壓擠進入模穴，制作出所設計形狀之塑件的一個循環制程。射出成形制程根據所使用的塑料而有不同，熱塑性塑料必須將射進模穴的高溫塑料材料冷卻以定形，熱固性塑料則必須由化學反應固化定形。射出成形是量產設計復雜、尺寸精良的塑件之最普遍和最多元化的加工方法。按照重量計算，大約32%的塑料采用射出成形加工。射出成形所生產的塑件通常只須少量的二次加工／組合、甚至不需要二次加工／組合。除了應用于熱塑性塑料、熱固性塑料以外，射出成形也可以應用于添加強化纖維、陶瓷材料、粉末金屬的聚合物之成形。 射出機自從1870年代初期問世以來，經歷了多次重大的改良，主要的里程碑包括回轉式螺桿(reciprocating screw)射出機的發明、各種替代加工制程的發明，以及塑件計算機輔助設計與制造的應用。尤其是回轉式螺桿射出機的發明，更對于熱塑性塑料射出成形的多樣性及生產力造成革命性的沖擊。現今的射出機，除了控制系統與機器功能有顯著改善以外，從柱塞式機構改變為回轉式螺桿是射出成形機最主要的發展。柱塞式射出機本質上具有簡單的特色，但是純粹以熱傳導緩慢地加熱塑料，使其普及率大大地受到限制。回轉式射出機則借著螺桿旋轉運動所造成的摩擦熱可以迅速均勻地將塑料材料塑化，并且，也可以像柱塞式射出機一般向前推進螺桿，射出熔膠。圖1-1是回轉式螺桿射出機的示意圖。射出成形制程最初僅僅應用于熱塑性塑料，隨著人類對于材料性質的了解、成形設備的改良、和工業上特殊需求等因素，使射出成形制程大大地擴張了應用范圍。 在過去的二十幾年，許多新開發的射出成形技術應用于具有特殊特征的設計與特別材料的塑件，使射出成形塑件的設計比傳統上更具有結構特征的多樣性和自由度。這些研發的替代制程包括：Ÿ 共射成形（co-injection molding，又稱為三明治成形）Ÿ 核心熔化成形（fusible core injection molding）Ÿ 氣輔射出成形（gas-assisted injection molding）Ÿ 射出壓縮成形（injection-compression molding）Ÿ 層狀射出成形（lamellar, or microlayer, injection molding）Ÿ 活動供料射出成形（live-feed injection molding）Ÿ 低壓射出成形（low-pressure injection molding）Ÿ 推拉射出成形（push-pull injection molding）Ÿ 反應性射出成形（reactive molding）Ÿ 結構發泡射出成形（structure foam injection molding）Ÿ 薄膜成形（thin-wall molding） 因為射出成形的廣泛應用及其具有前景的未來，制程的計算機仿真也從早期的均一配置、模穴充填的經驗估算演進到可以進行后充填行為、反應動力學、和不同材料或不同相態之仿真的復雜程序。市場上的模流分析軟件提供了改變塑件設計、注塑件模具設計、及制程條件最佳化等CAE功能。1-3 模流分析及薄殼理論塑料射出成形之模流分析系應用質量守恒、動量守恒、能量守恒方程式，配合高分子材料的流變理論和數值求解法所建立的一套描述塑料射出成形之熱力歷程與充填／保壓行為模式，經由人性化接口的顯示，以獲知塑料在模穴內的速度、應力、壓力、溫度等參數之分布，塑件冷卻凝固以及翹曲變形的行為，并且可能進一步探討成形之參數及注塑件模具設計參數等關系。理論上，模流分析可以協助工程師一窺塑料成品設計、注塑件模具設計、及成形條件的奧秘，其能夠幫助生手迅速累積經驗，協助老手找出可能被忽略的因素。應用模流分析技術可以縮減試模時間、節省開模成本和資源、改善產品品質、縮短產品上市的準備周期、降低不良率。在CAE領域，塑料射出模流分析已經存在具體的成效，協助射出成形業者獲得相當完整的解決方案。塑料射出模流分析所需的專業知識包括：․材料特性—塑料之材料科學與物理性質、注塑件模具材料和冷卻劑等相關知識。․設計規范—產品設計和注塑件模具設計，可參考材料供貨商提供的設計準則。․成形條件—塑料或高分子加工知識以及現場實務。
