■科盛科技 / 許嘉翔 副執行長
高分子加工中的數位分身
高分子加工製程牽涉到複雜的高分子材料流變特性變化、相變化、非牛頓流體力學行為、流動- 熱傳耦合甚至結構變形力學行為。傳統的高分子加工訓練，是輸送現象的延伸，面對此複雜耦合問題往往因為解析解(Analytical Solution) 不可得，僅能做概念上的估算指導或定性上的試誤方向指引，無法提供具體的解析與量化指引來解決工業級強度的實際問題。自90年代起，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，透過電腦輔助工程(Computer Aided Engineering, CAE) 軟體及技術輔助，已經可以透過數值模擬的手段來解析完整的系統方程式與材料特性方程式，並透過與電腦輔助設計(CAD) 軟體的整合，可以分析複雜的真實產品設計與製程，成為高分子加工領域的重要分析工具。
CAE 利用電腦模擬與分析來協助診斷與開發複雜之射出成型製程，可以快速整合材料複雜之流變性、熱性質、機械性質，讓設計及開發人員能針對模具設計進行定性及定量之分析與診斷，以及讓設計及開發人員能針對已有之模具及操作條件進行分析與診斷。透過CAE 的分析結果，開發者可以剖析問題發生的原因，測試多種設計變更找到最適合的解法，這樣的做法，是傳統試誤法無法達到的。若是設計變更牽涉到產品、模具修改，修模試模前前後後所耗費的時間、人力、機臺、材料與能源成本，更是難以估計。藉由CAE 工具的導入，可以讓生產製程變得更有效率，產品品質更好，浪費更少，也更環保。所以，在產品開發流程中導入CAE 驗證與優化設計，在生產階段優化成型參數已經是業界的普遍作法。
隨著工業4.0 浪潮的興起，如何重新以「智慧」重構整個產品開發與生產流程，已經是未來工業發展的重要趨勢以及現在進行式。要讓設計端與製造端有智慧，走向智慧製造(Smart Design) 與智慧設計(Smart Manufacturing)，就必須建構一套虛實整合系統(Cyber-Physical System)，也就是價值鏈上各單元的數位分身(Digital Twin)，如此可透過數位分身對設計與製程進行持續解析與優化，甚至結合大數據與人工智慧，達到無憂生產的目標。而數位分身其實是傳統CAE 的延伸，只是更強調解析的準確性以及與實地數據的結合。因此本文以射出成型為例，提出四個數位分身來說明此一架構，如文章首圖所示。
圖1：以材料數位分身設計新量測儀器
材料數位分身(Material Digital Twin)
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、熱物性質以及機械性質等，若
是熱固性(Thermosetting) 高分子，則需要更進一步考慮其反應動力特性。以流變特性而言，高分子的流動行為屬於流變學(Rheology) 的範疇，高分子流變學所涵蓋的範圍包含流體流動特性的量測，分子結構、壓力、溫度與流變性質之關聯，以及溶劑、可塑劑對流變性質的效應等。理論的發展最早從連續體力學出發的流體力學、非牛頓流體力學，以及近期從分子模型出發的分子流變學(Molecular rheology)。高分子流體的流變行為之所以不同於一般由簡單分子所構成的流體，乃因為其組成分子的分子量多半高達數萬到數百萬，為長鏈或具有支鍵結構分子所構成的流體。分子鏈在流動過程中會受剪切流場拉伸而產生形變，同時因溫度本身的熱作用而會有鬆弛行為，所以具有與一般簡單分子流變迥異的流動性質，甚至還會展現出類似固體的彈性行為，因此常被歸類為黏彈性流體(Viscoelastic fluid)，有別於一般的純黏性流體(Pure viscous fluid)。
不同高分子黏度對於溫度與剪切率的敏感度不同，因此隨著射出製程參數設定的差異、塑件設計與厚薄差異，會有極明顯的溫度與剪切率分佈、造成黏度差異，也就是反應到塑件各區域流動阻力的差異，因此就影響到塑件的充填行為與包封等缺陷以及射壓之分佈。在射出成型中，高分子的流變行為扮演了舉足輕重的角色。當熔膠射入模穴時，熔膠的流變性質決定了流動阻力與流動行為，例如，如何將模穴充填、需要多大的射壓、需要多高的模溫等，亦即要多大的射壓才能使熔膠通過澆道及澆口，並射入模穴之中；如何安排流道進澆位置，以避免不必要的包封與熔合線之產生。此外，由於高分子材料的高黏度特性與低熱傳導率，導致散熱不易，因此容易伴隨強烈的剪切生熱(Viscous Heating)，而此一額外溫昇又會影響到黏度，是一個耦合的過程。
隨著加工過程溫度與壓力的歷程差異，pvT 曲線決定由此差異造成的比體積（密度）差異，也就是塑料冷卻固化後體積變化的收縮翹曲行為。
因此藉著材料數位分身的建立，可評估材料特性對加工過程（射壓、流動應力、熱應力、溫度分佈）以及最終產品品質（如充填均勻性、包封、縫合線、收縮翹曲問題）的影響，從而決定適合選用之材料，甚至能結合分子模擬進行材料設計。此外，材料數位分身除材料本質特性模型外，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，甚至可用來開發機臺。
圖1 是利用材料數位分身建構一個可耐高溫的pvT 量測設備的部分模擬結果，透過數位分身的分析，可以決定量測Sensor 的最佳擺放點，以及未來各套件量測過程中的熱漲冷縮行為與量測補償量。透過此設計分析可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。利用模擬技術與量測技術、數據處理以及迭代形成的材料數位分身，已經成為未來材料開發與量測，甚至新儀器設備開發的有力工具。
圖2：設計數位分身中的澆口設計精靈
設計數位分身(Design Digital Twin)
以射出塑膠成品開發流程而言，以往的設計流程是各自分離的，也就是產品設計師、模具設計師、成型工程師各司其職，甚至在全球化分工下是隸屬不同地區與公司。只是這樣的專業分工往往會面臨到如資料斷鏈、開發效率、出問題時之責任歸屬等問題。在工業4.0 的架構下，利用IT 系統將設計流程與生產流程串接起來，設計資料會一路由產品設計、模具設計往下游的生產製造帶，確保整個產品的數位分身可在不同階段依照專業分工進行分析設計與優化，並使生產數據能回饋到設計階段，形成智慧設計(Smart Design)與智慧製造(Smart Manufacturing) 的閉環(Closeloop)整合。
因此在設計階段，如何由依賴經驗的傳統設計方式，走向依賴數據與模擬的智慧設計，是設計數位分身的重要目的。以設計資料庫而言，可在CAD 平臺上整合重要設計元件（如澆口、流道、水路、模座）的資料庫，使設計階段標準化，並能以參數修改方式快速進行設計與分析網格建構。
Moldex3D 目前在業界最主流的設計軟體─ NX、Creo、SolidWorks 上均有提供此設計精靈(Wizard)功能， 圖2 即是一個典型的澆口設計精靈(Gate Wizard)，可協助客戶快速設計與分析。此類參數化的設計元件未來結合自動分析與最佳化演算法，即可對設計進行智慧優化。此外，在設計階段前期透過分析評估設計的可製造性，也就是可製造性設計(Design for Manufacturing, DFM) 分析的重要功能，也可透過模擬技術與CAD 平臺的整合，預作DFM 分析，以確保設計方案的可行性。
圖3 中所呈現的是一個熱流道(Hot Runner System)的設計數位身分。在此模型中，除傳統的幾何物件模型外，並將加熱線圈與感測點等資料建入模型，透過熱流模擬可以得知線圈加熱效果與均勻性，以及整體溫度分佈，從而分析是否有熱點或加熱不均的問題，同時結合控制回饋的計算，可事先得知控制參數對加熱效率與均勻性的影響。透過此數位分身的事先模擬，確保熱流道設計的缺陷之避免與設計之優化。此模擬結果與事後建構完成的溫度感測數據一致，也說明設計的數位分身的確在設計階段可提供DFM 甚至是設計參數優化的有效工具。
圖3：以設計數位分身進行熱流道設計與設計/ 控制參數優化
圖4：射出機臺響應行為檢定與動態特性建立流程
機臺數位分身(Machine Digital Twin)
射出成型是透過射出機將高分子塑料加以熔融後射出到模具中，因此射出機的動態特性與響應性能會影響成型過程與產品品質。其他如噴嘴(Nozzle) 的設計、螺桿的設計、加熱線圈的設計等均會影響射出機的供料均勻性與成型動態特性。
傳統的模流分析把重點放在模子內發生的事，即把射出機當作理想機器，只要設定入口端的溫度與速度，便能進行模擬分析。但隨機臺響應特性的差異甚至機臺穩定性，往往不是如此「理想」，導致根據理想假設做出的模擬計算太過理想而與現場有所差異，此即是過去現場成型工程師往往會抱怨模流分析結果與現場成型結果差異甚大，甚至需重新調機試模的主因。
以射出機的射出速度與壓力動態響應特性而言，一般是全電式射出機的速度響應較快，油壓式射出機的速度響應較慢。在實際上，由於機臺控制器的控制模式設計、控制參數，以及感測器與控制元件效能等差異，表現出來的響應結果與設定值往往有所差異。這樣的機臺速度響應模式是每臺射出機特有的「心電圖」，隨射出機廠牌甚至使用年限而有所差異。而在傳統模流分析時，往往採用設定值作為輸入條件，忽略了射出機臺的動態響應特性，因此自然會產生跟實際結果差異甚大的模擬結果。
因此射出機臺的數位分身，其重點之一即是在模擬中考慮機臺的成型動態特性。因響應特性隨機而異，所以我們發展一套動態特性鑑定的流程，以程序控制(Process Control) 的觀點發展機臺的響應動態模式，並以參數鑑定方式取得模式參數值，如此便能在模擬過程把機臺的響應特性考慮在內，提升模擬準確性。
為了掌握機臺動態響應的影響，Moldex3D 採用實驗方式收集機臺響應數據，實驗流程如圖4，選擇廠內使用的射出機型號、模具與材料，收集不同的速度與壓力設定之實驗結果，再藉由控制理論，鑑定此射出機之動態響應參數，進而應用於高分子加工模擬。透過將鑑定完成的機臺參數檔案匯入分析軟體，即能自動依據實際機臺響應，作為高分子加工模擬時的設定條件，讓分析結果更貼近實際狀況，提高模擬和實務的一致性，達到虛實整合的目標。此外，我們已與目前主要射出機供應商討論資料交換協定，未來將可透過射出機直接輸出資料，並自動鑑定為機臺動態特性參數，以作為模擬分析之用。
透過機臺參數鑑定技術，可以掌握機臺的響應特性，相當於在模擬分析時考慮各家機臺差異；此外，我們也建構與真實機臺一致的仿真機臺界面，如此在模擬分析時便可藉由高仿真的方式如同在電腦中操作射出機與試模；而經過模擬驗證後的成型參數因考慮了機臺動態特性，更可直接接口到後端機臺或生產執行系統(MES)，如此便能完成工業4.0 中由智慧設計串接到智慧成型的目標。
此外，射出機本身的機構如噴嘴(Nozzle) 設計、螺桿(Screw) 設計也會影響到高分子材料進入模具前的熱力歷程狀態，也可透過Moldex3D 與機臺數位模型的建構及分析，形成完整的機臺數位分身。
圖5：以機臺數位分身構成智慧製造之虛實整合系統(CPS)
傳統的高分子加工模擬通常僅考慮模內發生的事情，設定熔膠入口條件進行計算，忽略了機臺動態特性的影響，也造成分析結果難以回饋到機臺設定；而藉由建構機臺的數位分身，可將機臺響應動態特性、機臺零組件如噴嘴、螺桿等設計與動態特性考慮在內，除可提升模擬準確性外，還可使模擬數據能夠直接設定回機臺，應用到現場加工，甚至對現場機臺進行控制設定，完成智慧製造的目的，如此形成以機臺數位分身構成智慧製造之虛實整合系統(CPS)，如圖5 所示。
製程數位分身 (Process Digital Twin)
製程數位分身是結合了前述材料、設計、與機臺數位分身所形成的資料庫，因應不同製程設定條件與物理模型，求解守恆方程式與材料本質方程式。其中牽涉到的物理性質需透過材料數據量測，並進行數據求適（即透過材料數位分身），以取得其材料模型參數。
不同的製程則需引入不同的邊界條件與初始條件，以描述製程特性差異。如一般射出成型需考慮不同階段之速度- 壓力設定、控制對高分子流體充填與保壓行為的描述，以及材料逐漸固化後的溫度壓力分佈與應力鬆弛現象。
圖6：射出製程纖維配向之數位分身
射出成型纖維配向的製程數位分身
以添加玻纖 / 碳纖補強的複材射出為例，因具有輕量化及高機械強度優點，廣泛應用於高分子加工。射出過程中熔膠的在射出機螺桿內塑化剪切與流動、噴嘴的壓縮效應，以及進入流道、澆口、模穴後的流動行為均會影響塑件中的纖維配向(Orientation)，也決定了產品的機械性能。因此，掌握充填階段的纖維配向變化是此類補強材料加工的關鍵特性。
圖6 是射出成型纖維配向的製程數位分身，利用求解守恆方程式與材料模型，配合描述纖維配向的物理模型，可預測在不同設計與成型條件下，纖維的配向與長度分布，提供有用的預測與設計工具。由於電動車技術的日益成熟，以及對於能源效率的考慮，因此「以塑代鋼」成為未來重要的產品發展方向，而複合材料的應用更是重要關鍵技術。
微細發泡的製程數位分身
圖7 是微細發泡製程的數位分身。在此製程中，透過射出過程導入超臨界流體(SCF)，以溫度與壓力控制模內產生微細氣泡(Cell) 的密度與大小，以達成減重之目的。因此數位分身須考慮氣泡成核與成長模型，以提供設計與製程人員利用此數位分身設計產品與模具，並藉以優化成型條件。
圖7：微細發泡製程數位分身 圖8：複合材料轉注成型製程數位分身
複材真空轉注成型的製程數位分身
除傳統的高分子加工製程外，亦可將製程數位分身的概念延伸到其他領域。圖8 是一個風力葉片的複材真空轉注成型(Vacuum-Assisted Resin Transfer Molding) 的數位分身。在此製程中，透過抽真空方式將反應性的環氧樹脂滲透到多層纖維布(Fiber Mat) 補強的本體中，以形成黏著與支撐結構，形成質輕高強度的複合材料(Composite Material)。
此製程的挑戰在於如何控制高分子材料在纖維布中的滲透與流動行為，因此須配合滲透率量測的數位模型，以及流體在多孔介質中的製程模型，形成製程數位分身加以求解。此製程已經廣泛運用於航太、造船、風電等產業，而新興的電動車產業更是採用此製程大量生產零組件。
半導體封裝的製程數位分身
最後一個製程數位分身的例子是半導體的封裝製程(IC-Packaging)。傳統的半導體封裝是透過熱固性的Epoxy 系樹脂將包含晶片、金線與導線架等結構封裝起來，以保護此元件並降低熱應力差異。封裝過程中如有包封(Void) 會導致產品的可靠度問題。此外，對於打線型(Wire-Bond) 封裝由於金線直徑極小(12.5 micron) 特性柔軟，容易在封裝過程中由於塑料推擠造成變形與金線偏移(Wire-Sweep)，因此可透過此數位分身模擬不同設計與成型條件下的金線偏移狀況，以協助解決問題提高可靠度，如圖9 所示。
圖10 是另一用於先進封裝的常用技術──毛細底膠充填(Capillary Underfill, CUF) 製程的製程數位分身。此製程係利用毛細張力的驅策力將封膠導入半導體間隙中再加熱固化，以形成保護層。隨著5G 通訊、自駕車等技術的飛躍進展，封裝技術已由傳統的保護功能走向與半導體製程結合的先進封裝製程。透過Chiplet（小晶片）、異質整合、3D 堆疊技術，可替摩爾定律「延壽」，也使封裝技術漸漸由傳統封裝走向先進封裝，朝系統級、晶圓級等先進封裝技術邁進。因此半導體封裝製程的數位分身在未來產業發展上將是越來越重要的模擬與設計驗證工具。
結語：數位分身是智慧設計與智慧成型的大腦
隨著新材料和新加工製程的推陳出新，傳統的高分子加工理論已結合CAE 技術，成為設計驗證與製程開發、優化的重要工具，並且普遍應用於工業設計與生產。而CAE 建模能力加上塑料、設計、機臺等資料庫的結合，準確性的提升，更是驅動分析工具由傳統的What-If 電腦模擬之角色，走向更能全面描述材料特性、設計參數、機臺特性與製程細節的數位分身。高分子加工行業的工業4.0，不僅需收集完整數據、資訊傳遞自動化，更重要的是利用電腦運算能力建立數位分身並產生知識。圖11 是Moldex3D ─ iSLM系統，整合與分析模擬數據與試模數據，建構設計與分析資料庫，未來結合AI 與數據分析功能，更可將企業過往的模擬與試模數據轉換為資料庫與知識庫。
虛實整合是工業4.0 系統的關鍵技術之一，藉著整個產品生產價值鏈的數位分身之建立與整合，縮短虛實間的差距並有效展現整合之綜效，即可建立完整的虛實整合製造系統(Cyber Physical System, CPS)，奠定智慧設計與智慧成型的基礎。同時，在實體世界中感測到的數據，回饋到虛擬世界改善模擬理論或建立大數據資料庫等，虛實整合，生生不息，永無止盡。
隨著工業4.0 理念在全球不斷發酵，高分子加工產業已經由傳統的材料設計、大量生產、尋找應用演化到如何能結合價值鏈上的數位分身，由生產驅動走向更即時的需求驅動，並能滿足工業4.0 浪潮下大量客製化- 量少樣多的個性化生產時代。 如何透過數位分身的整合形成虛實整合系統達，使生產自動化、聯網化與智慧化， 是由智慧設計走向智慧製造正在發生的一波新的工業革命。■
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圖9：半導體封裝製程數位分身解析金線偏移問題
圖10：半導體封裝毛細底膠充填(Capillary Underfill, CUF) 製程數位分身
圖11：以雲端大數據iSLM 系統整合與分析模擬數據與試模數據
