■科盛科技 / 王鎮杰 經理
前言
塑料種類繁多，因產品功能以及工藝要求的多樣性，以致於每個型號塑料的特性均是獨特且不同的。塑料在成型過程經歷加熱熔融、形變、壓縮、冷卻固化等複雜過程。模流分析中的材料模型與參數的正確性更直接影響模擬的準確性，因此瞭解塑料特性變化與模流分析的關聯性為模流分析成敗的關鍵，更為掌握成型技術與提昇產品品質的重要工具。
高分子材料的複雜行為的掌握程度乃決定產品品質好壞的重要關鍵之一。影響高分子材料加工特性的物性參數，主要包括流變特性、pvT 狀態特性、熱物性質與機械性質等，若是熱固性(Thermosetting) 高分子，則需多考慮其反應動力特性。
隨著高分子物理與CAE 產業的發展，大部份重要的高分子加工特性已有發展成熟儀器可以作對應的量測。如熔膠的流變特性有毛細管流變儀以及旋轉流變儀，分別可量測不同範圍的流變性質，以及PVT 量測儀、DSC、TMA、DMA、萬能拉力機、…等各式商業化儀器。
然而在產品品質與模流分析精度要求日益提升的狀態下，儀器的量測範圍與數據的準確度勢必隨之提升。例如隨著產品尺寸縮小，充填階段的最高剪切率也隨之上升，同時伴隨溫度不均勻的狀況加劇，因此對於材料黏度的高剪切率量測極限與溫度相依性的要求亦隨之增加。
隨著電腦軟硬體技術的快速進展與數值模擬方法的成熟化，透過CAE 軟體與技術輔助來解決產品之設計與製程問題幾乎已成為必備之環節，相同的CAE 技術亦可用於儀器設計上，甚至於材料量測上。我們均可將量測儀器、量測過程、材料的行為等建立數位模型，並稱之為材料數位分身。透過功能強大的CAE 工具將儀器本身結構、量測過程與材料行為可視化，除可作為材料量測精進之工具外，亦可作為儀器設計與材料開發之工具。
圖1：不同冷卻流道設計
圖2：毛細管流變儀物理與數位分身
儀器數位分身
我們可根據儀器的重要特徵建立數位模型（稱之為儀器數位分身），如圖1 所示。透過數值的分析，可以將量測時的儀器內部狀況可視化，並以此決定加熱器功率與位置設計、量測Sensor 的最佳擺放點、冷卻氣流道的設計……等。除此之外，未來各套件量測過程中的熱漲冷縮行為、變形量與量測補償量等均可透過儀器數位分身決定。透過此設計分析可以優化整個機臺設計參數，確保新儀器機臺的開發流程驗證，測試各種設計方案，避免未來開發與運作過程中所產生的問題，並進一步確保量測精度與效率。
材料數位分身建立
除用於儀器在設計開發階段的設計、補償校正外，數位分身亦可直接應用於量測過程。射出成型充填過程中最重要的性質為剪切黏度，而毛細管流變儀為目前最廣泛使用於量測高分子流體剪切黏度的儀器，我們以此為例，首先將儀器實體模型的重要特徵結構定義出，再利用Moldex3D 建立對應的數位幾何模型（如圖2 所示），選擇適當的流變、熱性質、pvT 等材料模型，經由Moldex3D solver 分析將儀器內部各位置的物理狀態可視化（如溫度、壓力、剪切率、剪應力……等），並給予適當的修正。
例如量測黏度時，我們設定量測溫度，並假設整個系統為恆溫狀態。然而除本身儀器加熱設計不完美，造成腔內溫度可能不均勻外，流動時也會因剪切生熱，使管壁附近的剪切層溫度高於設定溫度（高分子熔體在一般加工溫度下，剪切率5000 s-1 表層可能上升超過20℃）。熔膠的黏度對溫度很敏感，即造成數據的偏差。也因此一般毛細管流變儀雖可以量測超高剪切率，但由於剪切熱的影響，使得剪切率高於5000 s-1的數據之可靠度大幅降低。
以理論分析一個簡單圓管的流場在流動下的溫度分佈如圖3 所示，可觀察到隨著剪切率上升，升溫量大幅增加，造成整個流場內之溫度非均溫的現象（溫差可能超過20℃）。
若想定量剪切熱效應，因毛細管的直徑太小（約0.5~2mm），難以透過安裝感測器直接量測溫度變化，且每個位置的溫度上升量並不相同，無法以單一溫度代替整個流場，因此在實際量測時並無法有所做為。
然而透過材料數位分身，我們便可得到實際內部的物理量變化，並藉此將修正偏差，增加數據精度。利用數位分身修正量測結果之流程，如圖4 所示，將數位分析的結果經演算法修正量測數據與模型參數後，再透過迭代至參數與結果自洽後，所以數位分身即可完全代表實體分身，使材料參數更為準確。
圖5 為材料經過數位分身修正之前後差異，實線為流變儀輸出的多段壓力數據，量測分為七段設定，由低速量測至高速，壓力反應由低至高，若直接將量測出的黏度曲線放入模擬，在低剪切率時，因剪切生熱不明顯，模擬出的預測曲線便與實驗中直接量測出的黏度曲線有極高的吻合度，但在高剪切率時（尤其是5~7段)，因剪切生熱，壓力會被明顯低估，而經材料數位分身的修正後，模擬與實驗將更為吻合。
結論
藉著材料數位分身的建立，除可評估材料加工特性（射壓、流動應力、熱應力、溫度分佈）與對材料量測過程之間的差異外，甚至能結合分子模擬進行材料設計。
除材料本質特性模型外，材料數位分身亦可將量測機臺的結構特性與量測過程（加工過程）考慮進來，形成完整的數位模型，不但可用來校正量測結果，提高量測數據精確度，還可成為未來材料開發與量測，甚至是開發新儀器設備的有力工具。■
本文智財權屬於科盛科技股份有限公司
圖3：圓管流剪切溫度場變化
圖4：數位分身修正材料參數流程
圖5：數位分身修正與預測結果，（左）HDPE；（右）PBT+fiber
