模具专家Moldex3D
2010-07-02
一、前言
Moldex是Mold Expert(模具专家)的缩写，它是国人自行开发成功并商业化的塑料射出成型计算机辅助工程分析(CAE)软件。利用此软件，用户可仿真出成型过程中的充填(Filling)、保压(Packing)、冷却(Cooling)以及脱模塑件的翘曲(Warping)过程，并且可在实际开模前准确预测塑料熔胶流动状况、温度、压力、剪切应力、体积收缩量等变量在各程序结束瞬间的分布情形，以及模穴压力变化及锁模力等变量随时间的历程曲线和可能发生缝合线(Welding line)及包封(Air Trap)的位置。同时Moldex也可用来评估冷却系统的好坏并预估成型件的收缩翘曲行为。
二、传统2.5D分析技术
一般传统2.5D模流分析技术为“Mid-Plane Mesh”，其原理为将3D几何模型简化成2.5D中间面几何模型，如图1所示，利用所建立的中间面进行模流分析，即以平面流动来仿真三维实体流动。此分析技术发展至今已相当成熟稳定，其优点为分析速度快有效率，且对于大部份塑料件流动分析皆可得出准确的结果，特别是塑料薄件(市面上约九成塑料件皆为薄件)。因此广为人们所使用，目前为整个模流分析市场的主流。
虽然此分析方法相当受到肯定，但由于分析理论限制，仍存在许多缺点，影响分析精确度与效能，如:
1. 几何模型中间面不容易被定义，造成建模的困难度。
2. 约80%工作时间花费在建立2.5D几何模型。
3. 无法完全仿真三维实体流动效应，如黏滞拖曳效应(Viscous drag)、惯性效应(inertial effect)、非恒温流体(Non-isothermal flow)、非牛顿流体(Non-Newtonian flow)、侧壁效应(Side wall effect)和喷泉效应(Fountain effect)等，尤其是塑料厚件三维流动效应特别明显，所以传统分析技术无法得到精准的结果。
在真实世界中，塑料件的流动成形属于三维实体流动，如图2所示。虽然传统2.5D模流分析技术已相当成熟稳定，但亦不能满足目前所有塑料件的流动分析，毕竟以平面流动来仿真三维实体流动仍有他的限制。因此，为了能完全模拟真实流动情况，发展三维模流分析技术是必要的，它也将成为未来模流分析的新趋势。
近年来发展出另一模流分析技术为“Skin-Surface Mesh”，其分析方式采用表面网格(surface mesh)为分析模型，并利用“连结器(Connector)”将上下两侧元素相连结，同时于两侧进行流动分析。
乍看之下，此方法似乎可模拟三维流动分析，但事实上不尽然，它所采用的分析模型并非真正三维实体模型，并且先天分析理论存在许多的缺点，会导致错误的分析结果，如:
1.缝合线(Welding line)预测错误
2.可能因流动长度推估错误，导致不准确的分析结果，如错误的压力分布、锁模力等。
3.由于理论限制，无法完全模拟真实三维流动情形。
因此对于Skin-Surface分析技术，其分析结果并不可靠，只能说是过渡时期的产品，并非真正的三维模流分析技术。
何为真正的三维模流分析技术?三维模流分析技术必需拥有正确的真三维流动分析理论，能有效模拟各种三维流动效应，并且为了完整呈现真实塑料件外观，分析模型需以真实对象为基准，将所有特征形状列入考量，建立三维分析模型。但是发展一套既稳定精确又快速的三维模流分析技术并非如此容易，仍有许多瓶颈需待解决。首先，欲完整正确地将三维流动效应列入分析理论考量并不容易，需经过严谨的理论推导与反复的验证，丝毫马虎不得，若有些微差错即会造成数值分析的不稳定与不正确的分析结果。其次，分析模型乃依三维真实对象所建立，虽可真实呈现所有外型特征，但也造成分析网格元素变得较多较复杂，大量增加分析时间与内存(Memory)需求量，并且分析网格品质好坏不易控制，严重影响数值分析的稳定度。
三、何谓Moldex3D
Moldex3D为科盛科技最新研发的Moldex三维模流分析软件，它不但含有传统的Moldex各项功能，并且具有真三维模流分析技术，不但能将Skin-Surface分析法与Mid-plane分析法无法考量的实际状况列入分析考量，更拥有计算快速准确的能力，并且搭配超人性化的操作界面与最新引入的三维立体绘图技术，真实呈现所有分析结果，让用户学习更容易，操作更方便。在分析模型方面，Moldex3D采用三维实体元素网格，依塑料件实体来建造，完全符合真实情况，并且网格产生可完全自动化，轻松建模完全不费力。目前，Moldex3D暂时只开放充填(Filling)与冷却(Cooling)分析模块。
四、Moldex3D的特点
1.先进数值分析技术
采用新开发真三维实体模流分析技术(HPFVM)，经过严谨的理论推导与反复的验证，将惯性效应、非恒温流体等许多现实状况列入分析考量，并且拥有计算准确稳定快速的优点，可进行真正三维实体模流分析，使分析结果更能接近现实状况并且大大节省工作时间。HPFVM (High Performance Finite Volume Method)为Moldex特别针对三维模流分析所开发出的新数值分析法，不但保有传统分析方式的优点，并且可有效提高精确度、稳定度与分析效能，为目前Moldex3D三维模流分析的核心.
2.人性化操作界面
Moldex3D提供高亲和力更人性化的直觉式窗口界面，如图6所示。采用图示工具列操作，使用非常简单，让用户轻松选择模具、塑料材料及射出机台的设定，清楚完整地把整个加工过程透明化，并且很容易观看各项分析结果与制作报告。
3.项目管理
Moldex3D提供项目管理的功能，使用者可依不同塑件网格档案(.mfen)、不同材料档案(.matn)及不同加工档案(.pro文件)组合成不同的组别(Run)，选择分析模块后进行直接单组分析或批次分析(Batch Run)。通过分析结果来比较不同组别条件对分析结果的影响，如此即可进行计算机试模或虚拟试模，以评估不同设计方案/材料选择/加工条件对成型过程以及产品品质的影响。
4.网格档案接受度高
为了完整呈现真实塑料件外观，分析模型需以真实对象为基准，将所有特征形状列入考量，建立三维分析模型。Moldex3D是读取各种商业软件所产生的三维实体元素网格(包括四面体元素、五面体、六面体元素及Moldex合成元素)，这些软件可以是常用的Ansys或其他的软件，如Cosmos、Femap、HyperMesh、I-Deas、Pro/ENGINEER、Nastran、VisiSage等。
5.材料与加工选择方便
Moldex3D内建近5500笔材料数据库可供使用，数据非常完整，可任意由材料库中选择适当的材料进行分析，或是利用所提供的接口输入参数，建立使用者数据库,如图8所示。对于加工条件方面，可使用针对不同材料所建议的条件或是利用软件所提供输入接口输入各程序的成型条件，设定非常方便。
6.高分辨率3D立体图形显示
Moldex3D采用最新的3D立体显示技术，快速清楚地将模型内外部的温度场、应力场、流动场和速度场等十余种结果展示在您的眼前。对于上述分析结果的展现也可利用等位线或等位面方式显示，或者直接切剖面观看模型内部变化情形，让实体模型内外部各变量变化情形更清楚呈现，此外可利用曲线(XY-Plot)功能检视加工过程进胶点(Spure)变量随着时间的变化历程曲线。Moldex3D还提供动画的功能，透过3D动画的方式展现塑料在模穴中的流动变化，让你以较直观的方式认清设计与制造的过程可能遭遇问题，并利用计算机试模方式测试各种方案，可迅速累积设计以及故障排除的能力。另外亦提供多样化的显示工具，可任意将图形放大、缩小、旋转、改变视角、透明化、变化光源及颜色等，并将图形输出成图形文件(.BMP)或直接转贴至其他软件使用。
五、Moldex3D操作流程
对于Moldex3D操作流程的简介。
1.建立产品的几何模型与产生分析网格，Moldex-Mesh使用者可用Moldex-Mesh绘制CAD几何模型与产生Moldex3D分析网格，或者使用者需以自己的CAD软件建图与产生分析网格，然后输出成Moldex3D所能接受的网格文件格式，如.ANS等。
2.对于前处理部分，选定要进行分析的网格档案、材料，并设定加工条件与分析项目，即可进入分析模块。分析模块可单独进行各模块分析，亦可进行整合分析。通常利用批次执行技巧依序执行不同组别设定，如此可比较结果提出设变/参数调整参考。目前Moldex3D暂时只开放充填(Filling) 与冷却(Cooling)分析模块。
3.后处理部分主要以结果为主，显示加工程序结束瞬间各种变量的分布情形，并利用曲线、图形及动画等方式，将各种变量的结果整理，进行分析报告撰写。
