3D設計仿真分析的案例
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模流分析之仿真可制造性設計
仿真可制造性設計 (Simulation DFM )
仿真可制造性設計 (sDFM) 是一種輔助制造的功能。它為產品設計提供相關的模具分析結果，使設計者可以減少手動驗證每個模擬結果狀態的時間。sDFM 的過程分為三個階段： sDFM Setting、sDFM Viewer 和 sDFM Report。
?sDFM Setting 允許使用者自定義驗證標準格式。驗證標準包括驗證項目、相關設計標準和制造中的關鍵因素。用戶可以設定標準以從提供的信息中查看分析項目。
?sDFM Viewer 允許用戶查看每個分析項目的驗證狀態。用戶可以右鍵單擊 SYNC UI 樹狀菜單上的 項目管理器(Project Manager) 來操作sDFM Viewer，它使用自定義的驗證標準顯示自定義選擇的分析項目列表和驗證狀態。
?sDFM Report 功能在 PowerPoint 中提供完整的標準內容和分析項目結果。用戶可以透過報告中的信息查看整個設計過程。
1. sDFM設定 (Simulation DFM Setting)
?右鍵單擊 項目管理員(Project Manager) 并在目錄中選擇 Simulation DFM Setting。
?選擇 Simulation DFM Setting 設定后，開啟 Simulation DFM Setting 模板列，可操作新增/編輯/刪除及匯入/匯出檢驗模板。
?用戶可以在 Simulation DFM Setting 中選擇驗證項目。在每個子項目下，必須的分析項目（帶有注釋必須）不能取消勾選。
展開 Moldex3D模流分析之仿真分析成功克服產品開發挑戰，實現優化產品設計
此案例中我們使用閥式澆口技術和不同厚度的導流設計，以幫助塑料在對象不同區域內流動能夠平衡，同時可以降低射出機高噸數的需求。
為了進一步了解此注塑過程，Shape 使用Moldex3D Shell網格快速模擬多組不同的設計變更，Shape將不同厚度的導流設計加入于對象上不同的區域，希望可以藉此消弭縫合線的產生和達到塑料流動平衡狀態。透過模擬取得設計變更組的條件加入最后的產品設計，并同時與Moldex3D eDesign 3D網格技術進行模擬交互比對。Shell和3D網格的模擬結果比對中，可以發現Moldex3D Shell是可靠、又適合短時間內必須做出多組設計變更的工作流程的迅速分析方式；而Moldex3D eDesign的分析則可以提供更全面精準的分析結果，進一步在開模前驗證產品設計，為產品質量嚴格把關。
挑戰
Shape在產品與模具設計過程中，遇到了不少挑戰：
找出理想的閥式澆口設計，以達到流量均衡狀態
加入導流設計以達到流動平衡，同時把產品重量控制于理想范圍之內
原始設計所需要的鎖模力超過原射出機的負荷
節省試模次數和避免開模后模具設計修改
解決方案
此案例必須透過多次的設計變更，如調整澆口數量及位置、導流厚度設計與位置，加上經過多次的模擬分析，進而克服產品設計挑戰，最后達到設計優化狀態。然而Shape必須在兩個星期的時間內完成設計變更和模流分析應證，為了達到快速又可靠的分析結果，Shape首先利用Moldex3D Shell網格技術來模擬與進行設計變更，再加上Moldex3D遠程工作管理系統，快速得到仿真結果，使得工程師能夠有效的左證參考仿真數據并應用于下個設計變更中，因此大大地提升了其工作速度與效率。
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設計仿真分析
什么是DL測試版？
Moldex3D仿真分析之RTM分析Moldex3D支持匯入ANSYS ACP 3D HDF5檔
Moldex3D RTM可以讓使用者在Studio上依照現場纖維布之鋪排來進行立體網格設計，也能從外部前處理軟件如Rhino、Hypermesh等輸入。Studio亦支持由ANSYS ACP提供RTM前處理所輸出的3D HDF5文件（包含實體網格、Ply、排向等數據）；Multiscale.sim的local滲透率數值可一并匯入Studio，以提供更精確的RTM流動分析，讓使用者可以更全面了解整個制程會遇到的現象與潛在問題。
模型準備
步驟1：在ANSYS ACP與Multiscale.sim輸出3D HDF5檔案
首先在ACP中完成Drape仿真并生成實體模型，接著使用Workbench更新模型，最后執行「perform_map_permeability.bat」腳本，將滲透系數映像到有限元素模型并輸出為HDF5檔案。檔案最終會出現在項目「user_files」文件夾中，格式為3D結構化數據，可用于后處理或進一步分析。
項目準備
步驟2：把在ANSYS ACP制作好的網格及相關信息輸入Studio進行后續分析
開啟Studio，選擇樹脂轉注成型模塊。接著選擇匯入幾何，文件類型選擇ANSYS ACP file (*.h5)，并選擇對應檔案。匯入成功后會顯示對應之網格。
系統自動導入纖維排向數據。
完成前處理
步驟3：設定邊界條件
首先點擊邊界條件，并選擇進澆。接著選取適當的區域來設定進膠面或其他邊界條件。
步驟4：執行最終檢查
在網格頁簽執行最終檢查，即完成藉由ANSYS ACP提供RTM前處理網格及相關信息。
步驟5：執行分析
進一步設定材料、成型條件及計算參數等，然后執行分析，即可得到對應之分析結果。
展開 Moldex3D模流分析之應用Moldex3D實驗設計法分析 降低隱形眼鏡殼模翹曲變形
臺科大學生利用實驗室原有之隱形眼鏡模具，導入Moldex3D模流軟件，藉由專家分析模塊的實驗設計法(DOE)，判別最佳成型參數，以此進行設計變更，成功改善產品翹曲變形問題。
圖一 隱形眼鏡殼模之基弧與前弧
挑戰
尺寸收縮變形與翹曲
解決方案
利用Moldex3D 專家分析模塊找出最佳成型參數，改善產品收縮變形。
效益
減少試模時間與風險，降低人力成本
改善產品翹曲變形達28%
案例研究
本案例的產品為隱形眼鏡殼模，因產品需要經過二次加工，尺寸精度尤為重要。為了要提升產品精度，首先，臺科大團隊透過Moldex3D專家分析模塊進行DOE實驗設計法分析，找出最佳成型參數組別，將質量因子設定為『最終總變形量』，再選擇四個與收縮有關的控制因子，分別為：模具溫度、熔膠溫度、保壓壓力和冷卻時間(圖二)。透過軟件分析各因子對隱形眼鏡殼模變形的影響，得到最佳參數組別，并可得知得知B因子- 塑料溫度為重要影響參數 (圖三)。
圖二 使用Moldex3D DOE模塊仿真分析之設定
圖三 因子響應圖
除了利用Moldex3D進行DOE實驗設計法分析取得最佳參數組合，臺科大團隊還利用Moldex3D的充填分析檢視原始設計的問題點，并成功驗證軟件的準確度。從圖四對照圖可以發現，Moldex3D模擬原始設計在不同充填階段的充填情形，經比較后發現與實際射出結果高度相符。
圖四 短射問題之模擬和實際射出對照表
透過Moldex3D充填分析可以了解，原始設計(圖五)存在流動不平衡的問題。當充填至80%時，基弧已充填完成，但體積較大的前弧卻充填不到一半。為改善流動平衡，臺科大團隊進行設計變更，將前弧處的澆口加大(圖六)，并再次利用Moldex3D模擬變更后的設計，發現流動平衡已經獲得改善。 (如圖七所示)。
展開 Moldex3D模流分析之建準電機應用Moldex3D優化熱流道設計
圖二 充填階段流動波前溫度分析：(a) 0.078秒，(b) 0.156秒，(c) 0.231秒，(d) 0.329秒 (VP)
進一步觀察各階段波前溫度變化，結果如圖三所示。在EOF時，流道冷料僅出現于轉角，而到了EOC，許多區域皆開始出現冷料，到了開模階段，塑料低溫情況加重，同樣的情況也可以由熱澆道截面溫度結果得知(圖四)，這些都導致射出壓力過高且不穩定的情況。
圖三 各階段流動波前溫度分析：(a) EOF，(b) EOP，(c) EOC，(d) 開模
圖四 各階段熱澆道截面溫度分析：(a) EOF，(b) EOP，(c) EOC，(d)開模
根據上述分析結果，建準電機將熱澆道做局部優化，針對熱流板、加熱線圈以及流道轉角進行設計優化，結果如圖五所示。優化設計后的分析結果如圖6所示，熱流道內部，箭頭標示位置，已經沒有溫度過低趨勢，而熱流道外部也有相同結果。
圖五 熱澆道之原始設計和設計變更比較
圖六 優化后之塑料流動波前溫度分析：(a) 熱流道內部 ，(b) 熱流道外部 (時間:EOF)
實際試模結果如圖七、圖八，結果顯示建準電機將熱澆道做局部優化后，產品射出時不合理壓力過高情況已經獲得改善。
圖七 現場壓力響應圖比較(熱澆道及噴嘴損失壓力)
圖八 現場壓力響應圖比較(產品射出)
結果
建準電機藉由Moldex3D進階熱流道模塊分析發現冷料位置，確實找出射出不穩定與壓力異常原因。利用軟件分析之冷料位置進行設計變更優化，內容包含流道設計與熱澆道加熱系統設計。結果顯示，優化后熱澆道壓力下降達50%，且呈現穩定趨勢，證明改善流道溫度分布后可有效的改善成型效益，Moldex3D的溫度分析與實際的內部看不到情況是相符的。利用Moldex3D 可讓非熱流道設計廠商也能夠參與或擁有熱流道設計概念，提升模具與產品生產能力。
展開 Moldex3D仿真分析之3D金線建模
進行封裝模擬時如果要進一步考慮金線行為的影響，則需要精確的 3D 金線建模。 當模型中已有 2D 布局時，金線精靈允許快速建置 3D 金線模型。在Studio中建立或匯入 2D 金線布局（基板平面上的無屬性曲線），然后單擊模型頁簽中的圖標以啟動金線精靈。
在金線精靈中，可以在 2D 布局中選擇曲線，而所選曲線的總數將在目標數量中計算。從清單中為金線設計選擇一個樣板，可以透過金線樣板功能手動新增樣板。 啟用位置參數以進行編輯或保留默認值。 指定直徑和材料群組，然后單擊儲存并關閉完成設定并關閉精靈，或單擊儲存套用并移至另一組金線設定。
注：如果已有具有 3D 輪廓曲線的曲線模型，可以匯入并透過屬性精靈為其指定金線屬性和直徑。
注: 如需反轉曲線的起點與終點，請使用工具頁簽的 反轉曲線 功能。
金線樣版 (Wire Template)
Moldex3D 在金線精靈中提供了 IC 金線設計的預設樣版。 在金線樣版中，它使用戶能夠建立和編輯自己的聯機模板到金線精靈中。 單擊圖示啟動線路金線樣版精靈，可以選擇現有模板、修改參數，然后單擊 儲存 和 儲存并關閉 以在該樣版上套用變更。 若要新增樣版，請在樣版清單中選擇新增并選擇一個基本樣版，或在精靈中選擇預設樣版（它將成為基本樣版）后單擊 新增樣版。
樣板列表下目標數目顯示目前有多少條金線使用該樣版。 對于輪廓設置，提供了可以在金線精靈中再次修改的位置參數，以及用多個節點來詳細描述金線輪廓的設計參數，修改節點數量或單擊現有節點附近的+ 來更改節點數并指定每個節點的L和H。 修改參數時，右側顯示窗口的預覽會實時顯示設計更新。
注：預設樣版無法修改，且名稱以 “D” 開頭，因此使用者不要為新樣版命名以 “D” 開頭。
展開 設計仿真 | Cradle CFD助力金屬3D打印工藝優化
通過Cradle CFD構建滲透模型，揭示了溫度對粘結劑滲透的雙重作用機制，并通過實驗驗證了仿真結果的可靠性。
設計挑戰
盡管BJ技術前景廣闊，但其工藝優化仍面臨兩大難題：
? 滲透機理復雜：液滴的鋪展、滲透受慣性力、重力、粘性力等共同影響，難以通過實驗直接觀測；
? 溫度敏感性高：粘結劑的粘度隨溫度變化顯著，導致工藝穩定性難以把控。
粘結劑與粉末床的相互作用過程
設計案例
技術亮點
? 差異化網格劃分：針對液滴、空氣域和粉末床區域分別優化網格密度，既保證界面捕捉精度，又避免計算資源浪費；
? 網格獨立性驗證：對比三種網格方案（節點數從165萬到736萬），最終選擇誤差的中等密度網格，兼顧效率與準確性。
網絡獨立性驗證
仿真結果：溫度如何改寫滲透規則？
通過Cradle CFD模擬不同溫度（20℃—40℃ ）下的單液滴與雙液滴滲透過程，研究團隊揭示了溫度對粘結劑行為的雙重影響：
? 縱向滲透增強：溫度升高導致粘結劑粘度下降，流動阻力減小，液滴更易深入粉末床。
? 橫向鋪展受限：高溫下，毛細力主導液滴向孔隙內部滲透，而非持續橫向擴展。
不同溫度下粘結劑的鋪展形貌
實驗驗證：從虛擬到現實的閉環驗證
為驗證仿真結果，團隊設計了系統的打印實驗。采用M400Pro金屬3D打印機，在不同溫度下打印15 mm×10 mm×8 mm的長方體生坯。
不同溫度下打印生坯
不同溫度下打印生坯各方向的平均尺寸
? 溫度20℃→40℃ ：樣件高度（滲透深度）從7.95mm增至8.05mm，長度從15.02mm變化至14.95mm，寬度從10.02mm變化至9.96mm。
展開 Moldex3D模流分析之DONGHEE透過Moldex3D設計出更好的汽車件產品
DONGHEE藉由Moldex3D塑料射出模流分析軟件提升汽車件質量，在這個案例中，DONGHEE透過Moldex3D模流分析結果，進行澆口設計修正并改善了因汽車邊框的縫合線引起的裂痕問題。
挑戰
汽車天窗橫梁有一處極易發生斷裂，為了徹底解決該問題發生，DONGHEE需要確認會發生斷裂的位置并進行改善。以往這類型的問題會透過結構分析進而了解結構脆弱的部份，然而，結構分析無法將縫合線的影響列入考慮，射出成型過程中的重要特性可能因此被忽略。
解決方案
在Moldex3D Advanced模流分析解決方案的協助下，DONGHEE能順利辨識產品件的問題區塊，藉助提前驗證以及優化設計來有效降低試誤，改善質量。
案例分析
原始設計為兩個澆口的設計，縫合線出現在極易斷裂的部分。待實行Moldex3D模流分析之后，DONGHEE另外也發現縫合線的地方也出現氣孔，可能會影響產品的硬度并導致斷裂。再檢視兩個澆口設計的纖維排向后，分析結果顯示會產生縫合線并導致結構脆弱。
因此，另外又提出三個澆口的設計變更，優化后的仿真分析結果顯示縫合線位置已消失，且經過檢視氣孔以及纖維排向后，發現原裂痕位置的強度已獲得改善。透過Moldex3D進行不同澆口設計檢驗，DONGHEE成功利用改變澆口數量和位置來改善產品結構強度。
原始設計- 兩個澆口的模流分析結果
優化設計- 三個澆口的模流分析結果
原始設計：縫合線位置(藍色圓圈處)引起裂痕問題優化設計：縫合線位置消失且產品件強度獲得改善
透過這個案例發現，若沒有將射出成型過程納入結構分析考慮時(請見以下Case 1)，分析結果將會與實際現場情形有所落差，因此，將射出成型過程的影響納入結構分析考慮是有必要的。
展開 
領取：3D打印設計與仿真軟件廠商Altair 2022年臺歷
Altair 3D打印應用案例
航空航天：法國航空供應商SOGECLAIR 公司使用粉末粘結結合鑄造的增材制造技術生產飛機艙門，使用 Altair Inspire 進行拓撲優化，Altair OptiStruct進行有限元分析，Altair 軟件產品的高效和精確使得最終的產品重量大幅減輕，降低了成本，極大地縮短了產品的開發周期。
汽車：3i-PRINT項目聯合Altair在內的六家公司，借助大眾Caddy 概念車，演示增材制造技術的可行性，Altair 提供軟件方案，用于汽車前艙機構件的設計、優化、模擬及研發工作。在成功完成該概念產品的模擬及設計后，APWORKS 負責確定該3D打印結構件的最終尺寸。
機械制造：M&H CNC-TECHNIK GmbH 公司使用 Inspire Print3D 進行打印過程仿真、Inspire Print3D 大大增強了制造前評估設計和客戶零件的能力，對打印過程中出現的任何問題能夠做出相應的反應。對于企業來說第一次就能正確制造出獨特的零件是一種競爭優勢。
生物醫療：ANDIAMO 公司借助 Altair 的仿真技術進行3D打印矯具的設計生產，通過仿真 ANDIAMO 的工程師能夠快速識別會導致疼痛和不適的壓力點，提供設計指導，幫助解決開發階段的問題，并生產像第二層皮膚一樣的輕量化產品。采用 Altair OptiStruct 和 Altair Inspire 可以進行醫學植入物設計，通過仿真技術，產品更接近骨骼的力學性能，可靠性更高。
家居設計：Zaha Hadid 建筑事務所利用 Altair OptiStruct 拓撲優化技術探索新的設計流程和方式。
展開 Moldex3D模流分析之Moldex3D協助YUDO完成熱澆道設計驗證和開發
如何能維持熔膠溫度均勻性是一大關鍵，這和模型幾何設計以及整個熱澆道系統和溫控方法有非常緊密的關系。
經過不斷改善設計工藝，Moldex3D有效協助YUDO縮短設計周期，降低成本并鞏固全球競爭力。
“YUDO對模流分析并不陌生，面對市場和客戶的挑戰，我們一直都希望能擁有可以提升質量又能降低成本和縮短上市周期的技術。Moldex3D在熱澆道模具驗證和開發上，能提供進階且精準的分析，尤其具備真實三維分析和高效能計算云端，是我們選擇Moldex3D的理由。”YUDO 總裁 Francis Yu 說道。
Moldex3D 支持建立完整熱澆道系統仿真分析
展開 仿真計算在FDM 3D打印機的設計改進過程中的作用
考慮到計算成本和結果精確度，此次仿真重點考慮這兩處流體區域對溫度分布的影響。
計算對固體與流體的溫度場均進行了模擬，固體之間的熱傳遞為熱傳導模型，以公式?T=Q/KA計算，其中K為傳熱系數，數值大小由固體的材料決定，A為接觸面積，?T為接觸物體表面溫度差。固體與外界空氣接觸的墻面為自然對流，外部流場溫度取用腔體溫度。除此之外，噴嘴及散熱片附近的流場模擬為強制對流，氣體入口為風扇，出口為流體域邊界的標準大氣壓壓強出口。流體計算域中的噴頭壁面溫度與流體域的計算耦合。
圖2：網格結構圖，來源安世亞太
上文中提到，仿真結果需要體現輸料管中的溫度分布，故在后處理時對輸料管的溫度隨位置變化的曲線進行展示如下。
圖3: 輸料管內溫度曲線，來源安世亞太
結合打印材料的熱力學性質可以得出打印料材在管內的各相分布及溫度分布，如下圖所示。通過調整一系列設計，使輸料管內的溫度達到預期數值。
圖4: 輸料管內材料狀態分析圖圖5 噴頭溫度分布圖,來源安世亞太
總結來說，通過與物理實驗的結合，仿真計算在FDM機型的設計改進過程中有指導性的作用，它使設計人員更加細致的觀察打印機內部的特性變化，從而找到好的解決問題方案。同時，仿真計算避免了真實物理模型的建立，從而利于縮短研發周期。
張亦舒，安世亞太增材設計仿真部流體咨詢工程師，美國Colorado State University環境工程學士，環境流體力學碩士。參與國內外多個工程項目，專長紊流仿真模擬，傳熱分析等。在3D打印機機型方面，對FDM與DMD機型均有仿真計算經驗。
來源：3D科學谷
展開 用ANSYS Q3D進行Touch Screen Panel仿真優化設計
來源：安世亞太
