電腦模擬於材料混煉和優化塑形技術的應用

演講者:虎門科技資深技術工程師 李奕璋工程師
文稿整理:塑膠產業創新論壇(PIIF) 編輯小組
以CAE建構可量化的工程決策基礎

面對塑膠產業日益複雜的熱流、混煉與成型問題,如何在有限資源下更快找到可行解、並讓決策有數據依據,是研發與製造端共同挑戰。CAE以物理模型與數值計算提供可量化、可視化的工程洞見,並能在不增加試作成本的前提下快速產出資料,進一步銜接工程AI的訓練與應用。
虎門科技資深技術工程師 李奕璋工程師
電腦輔助工程(CAE)於塑膠製程中的模擬分析與工程應用
「電腦輔助工程(Computer-Aided Engineering)」,是利用電腦軟體進行產品設計的模擬、分析和測試,以優化性能、驗證可行性,核心概念是用以數學模型和電腦計算來協助解決工程問題,輔助或補充現場物理實驗,亦可稱為虛擬實驗室的概念。在近代電腦與物理科學發展下,模擬開始被大量應用在各個領域之中,其中亦包含在塑膠相關之產業上的許多製程環節中,對於初期規劃、中期設計與後期優化等階段上,皆可藉由CAE的數值結果來輔助工程判斷,以減少實驗的時程與成本,其中,一大CAE優勢在於數值的後處理,模擬完的結果可以在電腦上擷取任一位置的數值,或是將任一平面的數值可視化為分布圖,例如某個點的壓力值或是某個切面上的溫度分布。
CAE可以透過虛擬模擬輔助工程設計與製程優化
AI與模擬
身處在2025的現在,AI是進行式也是未來式,各個產業也相繼的開始重視AI的領域,然而許多人認為的AI就像是ChatGPT或Gemini一樣,只要給一個問題就會有一個答案,但實際上工程AI並非如此,對於要訓練出工程上的AI,我們需要明確的定義出一個或數個的輸入條件與一個或數個的輸出的結果,並藉由演算法對數十到上千或萬筆的資料進行訓練,從而得到對於該類型問題的AI模型,而這些大量的訓練資料的取得若都要從實驗上獲得絕對是個龐大的工程,但對於模擬來說則是一個相對便宜許多的選擇,尤其在GPU強勁的發展的時代把運算速度推升到了一個新高度,讓模擬可以在更短的時間內產出更大量的數據量。作為AI教父的NVIDIA CEO曾說過 :

“We're at a point now where we're about to simulate environments at a million times higher performance than something we were able to do 10 years ago.”

熱流模擬
在整個塑膠產業中,與熱流相關的應用非常多,像是散熱、攪拌槽、燃燒、螺桿到押出與射出成型等等,而在熱流的學門上又會針對不同應用分類成流體力學、流變學與模流,這些學門各自在討論不同的流動應用問題,對此,虎門科技皆有相對應的工具來解析這些複雜的學門問題,如Ansys Fluent、Ansys Polyflow、Ludovic與SigmaSoft。

虎門科技的熱流應用

流體力學應用
流體力學的模擬應用十分的廣泛,其可討論的議題幾乎可以延伸到所有產業之中,而在眾多的模擬工具裡,Ansys Fluent提供了非常強大的模擬量能,以其模擬工具為例,在化工/塑膠產業中常見的應用包含管路流動與熱交換,藉由模擬工具協助設計管路的走向配置,如何可以減少壓降或最大化熱傳的效率等。此外對於化學反應問題,可以探討空間中不同氣體濃度分布下的反應狀況,像是燃燒、沉積或是還原排放廢氣的SCR/SNCR等議題。又如相轉換的問題,討論流體在蒸發或沸騰下的狀況。而在攪拌槽的模擬,可計算單一或多相液體、氣體或含細小的顆粒,在不同的攪拌葉設計或配置下的混合情況等。

Ansys Fluent的流體力學模擬

一維雙螺桿設計
在塑膠產業中,螺桿混煉絕對是一個重要的話題,在實務上,對於每一次螺桿的組型與組態或材料的調整在時間與金錢上的成本上都是一筆不小的支出,在模擬上,一維的同向雙螺桿工具Ludovic提供了一個快速的系統性的估算,簡單且方便的組型與組態的快速更換設計,對於每個計算僅需花費以秒計時的計算時間,從結果我們可以獲得在軸向的壓力、剪切、黏度等等的數值分布,以及滯留時間分布與用於判斷混煉效率的分配混合與分散混合,這些可以協助使用者在同一個材料下,快速的抽換組型或組態的排列並比較,來判斷多隻螺桿的各個整體性能的優與劣勢。

一維的同向雙螺桿工具Ludovic提供快速的系統性估算,可協助使用者判斷多隻螺桿的各個整體性能優劣

模流-模具設計
射出成型是個非常常見的應用,尤其在許多的塑膠製品上,在射出的過程中,材料的性質、注入孔、流道的設計的都會影響到成型的結果,對此,SigmaSoft提供了很好的解決方案。藉由模流的模擬工具,我們可以獲得許多射出過程中的狀態,如注入孔、模具流道、水路擺放位置與操作條件對整個模腔被填充的過程、空氣包風的分布、縫合線產生的位置預估等影響,並以可視化的方式呈現內部流動的狀況,而另一相比於其他模流軟體的特別之處,在雙料射出的產品上,SigmaSoft可以直接模擬出雙料射出的流程無須手動替換流程,以及可考慮整個模具的計算,考慮在整個模具內的各個部位,討論其所有部件的材料在熱傳上的影響可能性,如同虛擬模具設計的概念。

SigmaSoft在射出成型的模擬

高分子/流變學
塑膠的製程中,流動態(膠)的狀態下,大多屬於高分子的流動,甚至有些材料屬於非牛頓流體或具有黏彈的特性,此時,當一般的流體力學無法解析需要跨足到高分子領域時,Ansys Polyflow提供了強健且穩定的計算。Ansys Polyflow可以應用在許多高分子與流變的議題之中,例如押出成型,當膠料從口金押出後因應力的釋放、剪切的降低或溫度等影響從而產生變形,用以先行預估口金或製程條件等對產品成型的可能預測,例如吹塑/熱成型,當一型坯在受到某個氣壓吹塑影響而貼向模具並被拉伸導致厚度改變的分布狀況,例如三維螺桿計算,可呈現整個三維空間各個位置的數值分布,或是注入虛擬顆粒,以統計出該組型組態的混煉性能等。

SigmaSoft在射出成型的模擬

December, 02 / 2025
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李奕璋 資深技術工程師
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