CAD 與CAE 融合之縮短成型週期改善翹曲

■型創科技 / 羅子洪& 邵夢林

序言

近年來在工業4.0 的倡議下，智慧製造與智慧設計，是建立複製產品開發成功模式的必要因素。已有許多企業認識到整合設計與生產製程各環節技術能量的重要性，也開始著手在企業內部進行各單位的人員訓練與技術提高，希望員工同時具備模具設計能力、CAE模流分析能力與現場調機能力的全方位技能優質工程師。同時我們也看到有了許多指標性企業成功案例與實質效益。而本文要介紹的是電子外殼案例在CAD與CAE 融合下，使用T-Mold 快速完成設計，並整合CAE 分析優化設計，從而改善冷卻系統優化翹曲的目的。

智慧模具設計

產品說明

此案例為電子外殼（如文章首圖所示），其產品外型尺寸為60.18mm*100.38mm*39.50mm，料號為M2019，並以ABS 塑料為材料。其模具與機臺相關資訊如下：
• 開模穴數：1*1
• 模仁材質：NAK80
• 滑塊/ 斜頂材質：718H
• 參考縮水率：1.005
• 模具形式：大水口模具
• 機臺噸位：T150N

模具結構設計

採用直接進澆，澆口大小3.5mm，水路直徑6mm。圓頂針均勻排布，採用D8mm；進膠系統和冷卻系統進出水位置後續通過模流分析驗證（如圖1、圖2、圖3）

在NX 內使用T-Mold 軟體進行的智慧模具設計。T-Mold 軟體是基於裝配體的半參數（膠位有/ 無參，模架有參）全3D 模具設計自動化解決方案。其優點在於可實現設計變更自動化，相關部件自動更新，設計風格統一，設計尺寸標準化，設計流程軟體化，設計品質不再因人而異。

在對產品進行中心定位後，可利用T-Mold 進行出模分析，根據分析結果自動析出分模線，根據產品外觀表面特徵及分模線位置向四周自動產生分模面（如圖4）。析出前後模面後，自動生成前後模仁及其他膠位實體（如圖5）。可根據模仁體積的大小，在標準模架庫內自動檢索適合產品大小的標準模架（如圖6）。可更改式的加載建立模架。

在標準件庫內選擇加載合適的模架標準件、開模系統、滑塊及斜頂標準件、冷卻系統標準件、不同部位螺絲標準件（如圖7）。在T-Mold 標準件系統內可以實現裝配樣式的加載，使設計流程標準化、知識化，讓每位工程師的設計流程和品質趨於一致。根據可視化、參數化模架庫便利地加載更改模架。也可以根據不同環境，配置裝配樹文件模板，把經常使用的模架及標準件直接建立裝配樹文件模板，使用時可快速實現加載，避免重複性動作。（如圖8）

下面以實際的殼體產品為例，介紹運用設計軟體進行一鍵CAE 整合。模流分析預測成型週期是否過長問題，預測變形量值是否達到公差範圍內。在設計軟體中進行虛擬模擬，快速進行修改驗證。

圖1：產品圖圖2：水路排布

智慧設計與CAE 整合

在模具結構設計完成之後，使用Moldex3D SYNC，可在NX 界面進行模流分析，完整結合CAD-CAE 工作流程，如圖9、圖10。根據CAD 導入CAE 的規則進行劃分（屬性規則和圖層規則），自動判別塑件、流道等屬性。只要指定進澆口就可以快速做完整分析，不需設定水路與模座，冷卻結果是針對產品本身的溫度分布而非模座、水路的溫度與冷卻效率。其中冷卻相關參數設定條列如下：
• 模具溫度(℃ )：公模90℃；母模70℃
• 冷卻時間(s)：13 s
• 冷卻液：水
• 頂出溫度(℃ )：114℃

結果說明

流動結果

在NX 內利用CAE 模塊快速對設計進行驗證，可觀測到在流動過程中是否有流動遲滯短射現象、以及可能出現的縫合線包封位置。流動波前短射分析結果如圖11 所示。

查看分析結果，進澆口壓力約70MPa，鎖模力大小約為34.4Ton。根據選擇機臺大小看鎖模力圖12 和壓力圖13 可作為現場成型的參考條件。借助模擬分析流動波前、壓力、鎖模力等綜合分析，提前預測成型問題。

圖3：頂針排布圖4：分模面的建立

冷卻結果與改善

在此方案設計下，在NX 內一鍵分析產品可能存在的成型缺陷問題。通過修改水路設計增設水井，改善產品冷卻時間。圖2 為原始水路設計，水路離產品表面25~35mm，冷卻水管單一；在不切換NX 軟體前提下直接在NX 環境內切換屬性，直接使用T-Mold 標準庫找到合適的水路標準件，進行修改，如圖14。改善後的水路增設冷卻水井，加强冷卻效果，如圖15。並再次進行CAE 設計驗證。冷卻結束的溫度改善後最高溫度從201.3℃降至178.2℃，如圖16。模穴溫度則從由92.6℃降至85.1℃，如圖17。顯示水路的改善能有效降低模穴內溫度。如果從產品固化層厚度比例來看，如圖18，固化層從原本最低35% 上升到63%，明顯减少了許多熔融區域。