■科盛科技
客戶簡介
- 客戶：University of Massachusetts Lowell (UMass Lowell)
- 國家：美國
- 產業：教育
- 解決方案：Moldex3D Studio、專家分析模組Expert、流動分析模組 Flow、保壓分析模組 Pack、冷卻分析模組 Cool、翹曲分析模組 Warp、纖維分析模組、FEA介面功能模組
由美國麻省大學厄洛爾分校(UMass Lowell)塑膠工程系所主持的塑膠工程專案(ESE)，因在相關領域教學及研究上的傑出成就，獲得許多外界的肯定和支持。
大綱
後變速器是自行車零組件中的結構組件（圖1）。此組件通常是由兩個金屬零件組成，中間夾住鏈條。UMass Lowell團隊提案使用製程及結構模擬以重新設計此組件，改用纖維強化樹脂進行製造。其採用的方法為重新設計零件並針對射出成型進行優化，並將CAE結果作為正交性材料性質的輸入，進行結構分析。製程模擬與結構FEA的組合能更進一步最佳化零件和模具設計。
面臨的挑戰與應對
本次案例面臨的主要挑戰分別為「須優化纖維強化結構組件的零件和模具設計」、「將因纖維排向而引發的零件變形降到最低」，以及「控制製程參數以將翹曲最佳化並減少變形（圖2）」。
對於上述提到的挑戰，UMass Lowell團隊運用Moldex3D研究零件設計、模具設計、纖維方向與結構性質之間的相關性。從加工處理和功能性的角度使用此軟體，驗證纖維含量與樹脂的搭配。此方法證明將製程模擬與結構模擬合併，可有效用於重新設計塑膠強化聚合物產品。帶來的效益如下：
- 根據原始設計（金屬）驗證結構特性，以有效重新設計產品；
- 透過FEA介面將製程相關材料的性質用於準確預測設計零件的機械性能；
- 藉由最佳模具設計將纖維含量及排向最佳化；
- 將加工處理與結構模擬搭配使用，便無須耗資製造模具和重建。
案例研究
本研究目標為設計出纖維強化塑膠的結構組件，以取代原先的金屬材質。UMass團隊用Moldex3D分析加工過程對正交材料特性的影響，希望透過纖維含量、產品設計和模具設計，來優化產品的可製造性；並結合Moldex3D及結構分析軟體以驗證設計。
為達到目標之結構特性，該團隊提出三種不同設計方向：(1)澆口位置、(2)纖維含量和(3)製程參數（圖3）。探討三種不同的澆口位置和其他參數設計；並藉由纖維取向和結構特性之分析結果來定義最佳設計。
UMass Lowell團隊透過Moldex3D進行纖維排向及彈性係數之優化，結果如下所示（圖4、圖5）。
此外並評估三種不同纖維含量的化合物，以調整產品的機械特性。首先開發出一結構模型，用以分析產品剛性。接著從Moldex3D輸出正交材料模型，並輸入至結構分析軟體，再以力重比(force-to-weight ratio)來評估產品性能。結果顯示設計變更後的產品，較原始設計有更高的力重比（表1）。
增加壁厚可提高產品剛性，而透過比較力重比，UMass團隊發現3mm為最佳的產品厚度。此外縱向及交叉肋條也可大幅提高反作用力，比較無肋條、縱向肋條和交叉肋條三種設計，發現縱向肋條可使肋條沿線的纖維排向達到最高。高含纖量可以使塑件達到與鐵件和鋁件相當的剛性（圖6~圖9）。
根據上述分析結果，UMass團隊最後決定採用3mm肉厚、搭配縱向肋條及30%的含纖量。詳細之優化設計與製程變更如圖10、11所示。
結果
UMass團隊利用Moldex3D和實驗設計(DOE)工具，以極低的成本進行迭代設計的開發和比較。藉纖維排向模擬結果，優化纖維強化熱塑性塑膠的機械特性。此外，藉Moldex3D翹曲分析，也可評估產品是否能夠順利組裝，以避免後續昂貴的模具設計變更。Moldex3D的FEA介面功能則可利用製程相關的塑料特性，準確預測出產品性能；同時可輸出正交材料模型，對於找出金屬材質的替代方案及掌握非等向性材料特性，都有相當大的助益。
