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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(jìn)行創(chuàng )造、設計、修改、分析、及最佳化一個(gè)設計的技術(shù)。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(wèn)題的技術(shù)，可以讓設計者進(jìn)行仿真以研究產(chǎn)品的行為，進(jìn)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(shù)領(lǐng)域包括：結構應力分析、應變分析、振動(dòng)分析、流體流場(chǎng)分析、熱傳分析、電磁場(chǎng)分析、機構運動(dòng)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(lái)計算求解，而不是傳統的數學(xué)求解。數值方法可以解決許多在純數學(xué)所無(wú)法求解的問(wèn)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(jìn)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(guān)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(wù)是建立幾何模型、切割網(wǎng)格元素與節點(diǎn)、設定元素類(lèi)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(dòng)畫(huà)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(jìn)行挑面與網(wǎng)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(wèn)題，其應用重點(diǎn)在于有效率地針對問(wèn)題提出可行之解決方案，以爭取改善問(wèn)題的時(shí)效。 經(jīng)驗 ＝＞ 知識 ＝＞ 實(shí)驗比對 ＝＞ 品質(zhì)(Q)、成本(C)、交期(D) CAE工具 ＝＞應用CAE工具時(shí)，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(shí)際制程的差異，才不至于對分析結果過(guò)度判讀。據估計，全球應用CAE技術(shù)的比例僅15%左右，仍有廣大的發(fā)展空間。影響CAE技術(shù)推廣的主因有三：․分析的準確性。․相關(guān)技術(shù)人員的養成。․技術(shù)使用的簡(jiǎn)易性。而CAE模擬分析之主要誤差來(lái)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(zhì)、用途和成品外觀(guān)特征而開(kāi)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(jìn)入模穴，制作出所設計形狀之塑件的一個(gè)循環(huán)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(jìn)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(xué)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(wèn)世以來(lái)，經(jīng)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(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?，F今的射出機，除了控制系統與機器功能有顯著(zhù)改善以外，從柱塞式機構改變?yōu)榛剞D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(jiǎn)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式射出機則借著(zhù)螺桿旋轉運動(dòng)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(jìn)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(zhù)人類(lèi)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^(guò)去的二十幾年，許多新開(kāi)發(fā)的射出成形技術(shù)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(fā)的替代制程包括：Ÿ 共射成形（co-injection molding，又稱(chēng)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(dòng)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(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(lái)，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(jìn)到可以進(jìn)行后充填行為、反應動(dòng)力學(xué)、和不同材料或不同相態(tài)之仿真的復雜程序。市場(chǎng)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(dòng)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(jīng)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(jìn)一步探討成形之參數及注塑件模具設計參數等關(guān)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(shù)可以縮減試模時(shí)間、節省開(kāi)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(lǐng)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(zhuān)業(yè)知識包括：․材料特性—塑料之材料科學(xué)與物理性質(zhì)、注塑件模具材料和冷卻劑等相關(guān)知識。․設計規范—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場(chǎng)實(shí)務(wù)。