水路仿真的案例
Moldex3D仿真分析之仿真驅動和AI加速的工作流程優化異型水路設計
從反復試誤到結構化搜尋
葡萄牙米尼奧大學（University of Minho）的聚合物與復合材料研究所（Institute of Polymers and Composites，IPC），運用仿真與人工智能（AI），解決射出成型中最棘手的其中一項瓶頸：在不犧牲質量的前提下，實現快速且均勻的冷卻。IPC團隊采用「仿真優先」的工作流程，并結合基于主成分分析（PCA）的目標篩選、類神經網絡（ANN）代理模型，以及多目標演化優化，該團隊成功將過去須耗時數周的傳統試誤法，轉為一套結構化、以數據為導向的搜尋流程，能有效找出最佳的模具與制程設計方案。
模擬與AI：優化設計決策的關鍵推手
冷卻通常占整個射出成型周期的70%-80%，也是造成殘余應力、翹曲和位移的主要原因。雖然異型水路（Conformal Cooling Channels，CCC）有助于緩解上述問題，但其水路配置便是一個涉及周期時間、溫度條件及可制造性的多目標難題。為了應對這項挑戰，IPC團隊利用Moldex3D來評估設計方案，并藉助AI有效權衡最佳方案，而這種方法也使該團隊能穩定獲得優于傳統水路配置的溫度分布、成型周期時間。
應用焦點：采異型水路的薄壁杯
為具體說明該方法，IPC團隊展示一個薄壁杯的案例。他們用Moldex3D來評估水路配置、直徑與間距，同時透過AI縮短搜索范圍并識別有效設計方案。藉由這套工作流程，所預測的成型周期較傳統配置明顯縮短，成功展現異型水路結合AI，便能以簡易的驗證方式來加速設計優化。
圖一、異型水路設計范例
IPC團隊的工作流程
射出成型的項目往往需要追蹤數十項數據。IPC團隊首先透過主成分分析（PCA），在確保不遺漏問題本質的情況下，縮減優化目標。接著運用Moldex3D模擬分析結果來訓練類神經網絡（ANN）代理模型，以快速預測溫度與冷卻時間。
展開 Moldex3D仿真分析之運用冷卻水路回路精靈有效建構模具冷卻系統
然而對許多大型產品的模具而言，水路數量多且復雜，這導致在分析之前，須耗費大量時間整理模具中各群水路的進出途徑。Moldex3D Studio的冷卻水路回路精靈提供可整理、編輯水路線條的便利工具，能有效、快速整理復雜的水路路線，加速前處理進程；并以線條代替3D實體水路，減少網格生成的失敗率，提升仿真分析速度。
冷卻水路回路精靈能自動生成最長的適當水路曲線，并標示進出口。在擁有實體3D水路以及水路進出口位置的前提下，該功能可協助用戶快速建立水路回路曲線。本文將示范使用工具頁的中心線、連接信道曲線，再透過冷卻水路回路精靈完成水路回路及進出水口設定*。
*注：本文所介紹的功能僅供演示目的，冷卻水路回路精靈支持更多樣的建立水路曲線功能。
操作流程
步驟1：萃取水路的中心線條
匯入幾何后，在建立水路前，先使用工具欄的中心線來萃取模型中的3D實體水路幾何面，擷取所需的水路幾何線條。點選中心線并進入建構中心線的接口后，框選要萃取中心線的實體水路曲面群，也可以一次框選多個實體水路曲面群，框選好之后點選確認，即完成中心線萃?。ㄓ蚁路綀D中的黃色中心線條）。
步驟2：整理連接不完整的水路線條
由工具欄點選連接信道曲線，并框選之前產生的中心線條，點選打勾完成，就會發現之前未連接的線條已自動連接。
步驟3：用冷卻水路回路精靈完成水路回路及進出水口設定
在模型頁面點選回路精靈中的冷卻水路回路精靈，框選連接好的水路線條，再一次點選抓取完成選取。
接著點選進水點抓取按鈕，并點選進水口端點，完成后端點會變成藍色。接著點選出水點抓取按鈕，并點選出水口端點，完成后端點會變成綠色，并顯現一條路徑最長的適當水路，并以綠色線條顯示。
展開 創成云SaaS平臺隨形水路自動化設計，即將上線
程序允許用戶對設定的參數進行調整和修改，以及對計算生成的結果進行下載和再編輯，整個計算分析過程根據模型數據大小、水路復雜程度、網速等因素，自動水路生成時間是以秒或者分鐘計算。
圖2 模具隨形水路自動設計操作流程
經過我們的實際驗證，隨形水路自動設計算法能夠實現單條和多條水路自動設計、依據模具和膠位面形狀自動變徑變截面的水路設計、特殊模具需要長直段非隨形水路設計以及適用嫁接打印模具應用等情況，可以滿足注塑模具、壓鑄模具80%以上的水路設計要求，對各種模具樣式均具有普適性。
圖3 模具隨形水路自動設計生成過程
在增材模具制造領域，除了水路設計是個耗時的工作之外，通過對工作流程的詳細分析也可以看到，很多情況需要針對設計的隨形水路做仿真分析，提供模流分析報告給最終用戶，以對比驗證隨形水路和傳統水路優劣、以及不同隨形水路設計方案的選擇。
但是，模流分析相對水路設計，對技術要求更高，且是一個更加耗時的過程，以一般水路設計時間是半天時間對比，模流分析需要1到3天甚至更久。創成云SaaS平臺提供輕量化的快速仿真分析工具，仿真時間與自動化水路設計時間相當，給設計師提供快速仿真結果支持。目前，我們支持隨形水路的流速、壓力以及溫度場等關鍵信息快速仿真，能夠在水路設計之后進行輔助驗證，及時看到仿真結果，加快設計迭代優化速度。
圖4 模具隨形水路快速仿真分析過程
隨形水路自動設計工具通過設計能力以及設計效率的大大提升，能夠給模具增材以及相關企業帶來巨大價值，比如水路設計時間可以從之前的半天縮短到10分鐘，給客戶提供解決方案時間縮短到半天甚至更短。
展開 Moldex3D模流分析之模塊移動模擬與模溫分析
不同情境下，塑料接觸模具初始位置不同
模具合模之后影響壓縮成型結果
而壓縮制程在合模之后，塑料受到模具完整包覆，接觸模具邊界與合模之前狀態不同，水路對于塑料影響程度也不同。以平板塑件為例，設計一模具在合模狀態下，塑件與公母模水路距離相等，但開模之后一側水管就會遠離塑件。所以模擬時，若為了放置預填料以開模狀態網格直接進行計算，此時公母模水路 (或加熱組件) 就與塑件有不同距離，兩側模溫就會有偏差，進一步影響后續翹曲結果。
壓縮制程過程中，開模與合模的塑料接觸模具邊界不同
既要考慮開模前的預填料位置，又要考慮合模之后水路位置，仿真時前處理應該制作為是開模狀態網格，還是合模狀態網格呢？
模具水路 (或加熱組件) 隨模具移動
Moldex3D提供了一個解決方法，使用者只要制作開模狀態的公母模網格，并決定模具移動距離，即可自動進行開合模的計算，此方式有利于使用者避開處理合模情境下預填料與模具網格干涉問題。再透過后處理功能，用戶在觀察模溫分布的同時，使用者也可以看見模具隨著時間移動，得到更直覺的成型過程。
總結
在壓縮制程下，模具在合模之前就會影響成型結果，合模之后對于塑料又是另一種影響方式，相較于射出成型，使用者需要考慮更多情境。若使用者能夠明確指定模具開模狀態及移動行程，Moldex3D就可以自動計算出模具開合變化，回饋使用者得到更詳細的壓縮成型過程結果，幫助使用者具體了解壓縮成型過程。
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Moldex3D模流分析之層制造異型水路鑲件之設計與效能
大綱
本研究以熱像儀搭配壓力/流量計構成的監測系統，對積層制造（3D打印）制作的鑲件之表面溫度及異型水路的流量效能進行實時監控，并與相同條件下的Moldex3D模擬結果進行比對，結果顯示仿真與實際測試一致，能有效降低復雜產品的開發成本。
挑戰
? 評估在投入生產前設計不銹鋼異型水路取代鈹銅高導熱的效益
? 模擬結果須與真實匹配性高
? 測試系統做為3D打印異型水路模具的效能驗證工具
解決方案
利用模座預熱模塊重現異型水路模具的熱成像溫度分布
效益
? 模擬與實際測試結果一致
? 模具壽命增加一倍
? 模具制造成本為原本鈹銅模具的一半
案例研究
水路設計對于塑料成型的模溫差與翹曲的影響甚為重要，而以積層制造/3D打印方式制造的異型水路能夠改善傳統水路的缺點，包括降低熱點溫度、減少制程周期時間等。但異型水路制作成本較高，需要搭配精確的模擬分析以提高應用普及度。本研究建立一測試系統，監控模具溫度場及流場，并根據實際熱傳效能來輔助模型建立與參數設定，提高異型水路的設計效能。
綜合上述，將使用3D打印的方式制造另一兼具使用壽命長與優異冷卻效率的模具，選用的模具材質為高硬度的不銹鋼，在3D打印生產前，先使用Moldex3D模擬結果協助客戶判斷模具的特定關鍵區域是否達到預期，評估項目包括溫度分布及異型水路的流場效能。
分析完成后，由水路的速度仿真結果可知，出水口流速約84.35cm/s，經由換算得到流量為3.97L/min，而實際測量的流量值為3.80L/min，兩者結果相當接近。
實驗進一步使用熱像儀紀錄模具升溫過程的溫度分布。由圖一比較溫度結果可知，仿真與實際測試的結果一致，呈現相同的分布趨勢，且隨時間增加，溫度分布逐漸趨于均勻。
展開 DfAM專欄 | 增材設計思維賦能，打造最佳熱量控制模具解決方案
安世亞太模具設計優化環節，提供分析和設計服務以及可以優化模具設計性能的模具技術產品組合，并提供參數化設計軟件，可供設計師針對模具需要冷卻部位，自動化生成隨形水路，極大的提高設計工作效率。
圖2 自動化水路生成過程
圖3 計算機自動生成水路模型截選
STEP 2: Simulation Analysis
在DfAM 解決方案全流程中，面向工業品需求的性能提升是最重要的目標之一。仿真分析是不可或缺的一個重要環節，仿真分析包括結構、流體、熱性能等一系列的分析計算，而這個過程是要經過多輪的設計仿真迭代優化，通過CAE 仿真分析可以虛擬的方式驗證DfAM 設計的產品能夠滿足用戶對工業品的的性能提升及驗證的需求。針對計算機生成多種模具隨形水路，我們提供完整的仿真分析結果，以選擇最優的解決方案。
圖4 計算機自動生成水路優化方案仿真分析結果
STEP 3: Additive Manufacturing
安世亞太的子公司重慶安德瑞源科技有限公司于2017 年成立, 增材制造服務中心面積3000 平方米，目前擁有增材制造設備90 余臺，主要由安世亞太的增材研發子公司德迪自主研發的專業金屬及非金屬設備，同時也引進了HP、EOS、Stratasys、SolidScape、Creaform、Ultimaker、聯泰、華曙高科等品牌的優秀機型。二期10000 平米的新廠房將于2021 年7 月投入使用。
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