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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(xié)助進行創(chuàng)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(chǎn)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(jié)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(fā)揮功能： ․協(xié)助設計變更(design revision) ․協(xié)助排除困難(trouble-shooting) ․累積知識經(jīng)驗，系統(tǒng)化整理Know-how，建立設計準則(design criteria)CAE使用近似的數(shù)值方法(numerical methods)來計算求解，而不是傳統(tǒng)的數(shù)學求解。數(shù)值方法可以解決許多在純數(shù)學所無法求解的問題，應用層面相當廣泛。因為數(shù)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(nèi)存的數(shù)量和算法的好壞就關系到數(shù)值方法的效率與成敗。 一般的CAE軟件之架構可以區(qū)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(wǎng)格元素與節(jié)點、設定元素類型與材料系數(shù)、設定邊界條件等。求解器讀取前處理器的結(jié)果檔，根據(jù)輸入條件，運用數(shù)值方法求解答案。后處理器將求解后大量的數(shù)據(jù)有規(guī)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?；蛘咛峁〤AD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(wǎng)格切割，以便執(zhí)行分析模擬。應用CAE軟件必須注意到其分析結(jié)果未必能夠百分百重現(xiàn)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(jīng)驗 ＝＞ 知識 ＝＞ 實驗比對 ＝＞ 品質(zhì)(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(nèi)涵與模型限制，以區(qū)分仿真分析和實際制程的差異，才不至于對分析結(jié)果過度判讀。據(jù)估計，全球應用CAE技術的比例僅15%左右，仍有廣大的發(fā)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(yǎng)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(xiàn)象、材料物性。 ․數(shù)值解法(numerical Solver) ․幾何模型(geometry model) ․錯誤的輸入數(shù)據(jù)1-2 塑料射出成形塑料制品依照其材料性質(zhì)、用途和成品外觀特征而開發(fā)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(fā)泡成形(Foam molding)、旋轉(zhuǎn)成形(rotational molding)、氣體輔助射出成形(gas-assisted injection molding)等等?！ ∷芰仙涑龀尚?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(huán)制程。射出成形制程根據(jù)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(chǎn)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(chǎn)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?！ ∩涑鰴C自從1870年代初期問世以來，經(jīng)歷了多次重大的改良，主要的里程碑包括回轉(zhuǎn)式螺桿(reciprocating screw)射出機的發(fā)明、各種替代加工制程的發(fā)明，以及塑件計算機輔助設計與制造的應用。尤其是回轉(zhuǎn)式螺桿射出機的發(fā)明，更對于熱塑性塑料射出成形的多樣性及生產(chǎn)力造成革命性的沖擊。現(xiàn)今的射出機，除了控制系統(tǒng)與機器功能有顯著改善以外，從柱塞式機構改變?yōu)榛剞D(zhuǎn)式螺桿是射出成形機最主要的發(fā)展。柱塞式射出機本質(zhì)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?；剞D(zhuǎn)式射出機則借著螺桿旋轉(zhuǎn)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(zhuǎn)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(zhì)的了解、成形設備的改良、和工業(yè)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?！ ≡谶^去的二十幾年，許多新開發(fā)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(tǒng)上更具有結(jié)構特征的多樣性和自由度。這些研發(fā)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(jié)構發(fā)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(jīng)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(tài)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(zhì)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(shù)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(jīng)由人性化接口的顯示，以獲知塑料在模穴內(nèi)的速度、應力、壓力、溫度等參數(shù)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(shù)及注塑件模具設計參數(shù)等關系。理論上，模流分析可以協(xié)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(jīng)驗，協(xié)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(jié)省開模成本和資源、改善產(chǎn)品品質(zhì)、縮短產(chǎn)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(jīng)存在具體的成效，協(xié)助射出成形業(yè)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(yè)知識包括：․材料特性—塑料之材料科學與物理性質(zhì)、注塑件模具材料和冷卻劑等相關知識。․設計規(guī)范—產(chǎn)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(xiàn)場實務。
