A08 全方位CAE模流分析技术于射出成型产品开发之应用

一、前言

塑料产品已广泛地应用于日常生活用品及许多高科技产业，例如：汽车之前后保险杆、灯罩、仪表板、连接器、手机外壳、电视机外壳、精密零组件，及许多制品，如图1所示。塑料产品依照其制程方式之不同，主要可分成射出成型制程、押出成型制程、热塑及吹塑制程、以及其他制程。其中射出成型制程几乎占有30%之塑料制品，故对此等制程之了解及掌握非常地重要。基本上，塑料射出成型制程主要塑料原料经螺杆运作后熔化形成熔胶。之后，让熔胶流入预先设计好之模具之模穴内，经充填、保压、冷却、开模，完成产品制作。当然利用射出成型制程，主要因为它于成型过程提供良好之机构，不论是简单塑件或是复杂之机构件，于量产中仍保有良好之精度，且针对设计复杂之产品，往往能于单一步骤完成，或须少量二次加工组合；再则，因为加工容易，弹性佳，可搭配不同组合，提升产品质量，例如：多材质射出成型、气体辅助射出成型、液体辅助射出成型等等。

传统上，塑料射出成型之产品开发因为无法看到螺杆至模具内变化之情况，加上成型机制与材料特性常为非线性变化，因此开发过程如同制作艺术品一般。许可常见之问题，例如：短射(short shot)、烧焦(burning)、缝合线(weld line)、凹痕(sink mark)、翘曲变形(warpage)、毛边(flash)等等，与材料、成品与模具设计、机台与成型条件，习习相关，因此为有效开发此等产品及制程，那就必须对塑料成型机制有深刻之了解。

塑料射出成型基本上为批式(非连续式)制程，虽然至今经过数十年经验之累积，人们大抵上都能认可塑料射出成型制程与产品之开发必须有效整合产品设计、模具设计、模具制作、材料选定与其特性之掌握、合适机台选定与操作条件之设定与执行、以及其他相关因素等等。传统上于完成产品及模具后，径行模具制作，之后利用实体进行试模修模及相关操作验证，此种作法能帮助我们了解整体程序，但因塑料材料于内部机件及模穴内之运作无法明视，加上相关之特性及参数往往无法直接具体量测与比对，因此大部份能进行的作法只能利用具体雏型产出，运用尝试错误方式进行。另外，塑料射出成型制程与产品之开发还须面对许多挑战，例如：如何缩短设计及开发周期时程、如何有效掌握各种不同设计之效应、如何提升产品质量、如何掌握新式制程或材料等等。倘若只应用传统之试误法(trial-and-error)方式基本上事半功倍。故为能有效提升开发效能，因此科学化之方式，如计算机辅助工程软件与技术(Computer Aided Engineering, 后续简称CAE 技术)便因应而生。

二、CAE模流分析技术于塑料射出成型角色

过去针对塑料射出成型产品之设计与模具开发，传统上主要根据试误法(trial-and- error)之经验累积。其产品开发之流程为完成产品设计及模具设计后，直接送交模具制作，等模具制作完成后，进行实体试模工作，此时因无法事先将相关材料特性及其他相关条件于设计时间有效整合，故只能利用试误法于实际试模中不断地修正，此种作法最大之问题为无法于模具生产制作前将问题先行厘清处理，常造成后续开发上投入大量之资金及人力，却又事倍功半。有鉴于此，近年来相关之开发已逐步导入计算机辅助工程设计(Computer-Aid Engineering，简称CAE)之软件及技术，其开发流程如图2所示。与过去传统开发最大不同的是，当产品设计及模具设计完成后，并不直接送交模具制作，而是先利用CAE工具整合设计、材料、制程等相关参数，进行计算机试模工作，此时可因应各项参数之影响做广度及深度之试模，并将所遭遇之各项问题迅速回传至产品设计或模具设计进行修正，再不断地进行计算机试模，等到相关计算机试模达到水平后，才进行实体模具制作，等模具制作完成后，进行实体试模工作，此项作法最大之特点为事先将相关材料特性及其他相关条件于设计时间有效整合，故可大量减轻实体试模工作之负荷，并提升其开发之速度。

当然CAE技术之核心为软件与如何妥善正确应用，好的软件加上正确地使用，可引导使用者快速解决问题。目前CAE 商用软件应用于射出成型模流分析成功案例非常多，若以应用之产业探究，如图3所示，已广泛地应用于各式各样之塑料射出产业，譬如：汽机车、计算机外设、家电产品、航天工业、通讯器材、半导体工业、民生用品、关键零组件、光电产品、其他等等。不过，应用CAE技术于射出成型模流分析，必须了解分析结果之可信度取决于许多良好及适切的物理模式、数值方法、材料参数、几何模式及用户之工程背景知识及相关技巧。倘若不当地输入不正确之参数，或不经心之执行，都可能导致不合理之结果。另外由于近年来随着计算机硬件及软件功能不断地提升，加上CAE模流分析技术突飞猛进，过去许多令人畏惧之复杂性产品开发，或是系统机制不易理解之现象，都逐渐地被了解，针对此等相关难题，本文后续将逐一说明。