数位模型制作讲义.doc

數位模型製作講義一、 何謂數位模型製作本課程單元所謂的數位模型製作係指透過電腦或數位裝置, 建立模型的數位資料檔案，並透過電腦輔助工程(CAE)、電腦輔助製造(CAM)、快速原型(RP)的技術輔助模型的生產與製造分析。數位模型製作的主要工作大致分成電腦輔助設計(CAD)、電腦輔助工程(CAE)、電腦輔助製造(CAM)、快速原型(RP)四個項目。數位模型製作過程如圖一。目前數位模型製作的方式大致分成兩個系統: 1. 順向工程:從數位造型的3D繪圖與建模、電腦輔助工程的分析模擬、電腦輔助製造生產製作模型的模具。此種順向工程特性為整體研發與製作時間週期較長, 生產模具的成本較高, 但適合模型大量生產。2. 逆向工程:透過3D掃描、資料轉換與曲面修補、建立數位模型、電腦輔助工程分析與模擬、再透過快速原型技術生產快速模具或成品。逆向工程是近期興起的行業, 主要針對3C產品等生命週期較短, 樣式變化較快的產品而開發的製造技術, 其研發與製作時間較短, 模具成本較低, 而產品生產數量較少。二、 電腦輔助設計(CAD)數位模型製作的第一個階段就是數位設計, 以數位設計概念來區分可以分成1. 順向工程數位設計: 傳統電腦輔助繪圖與建模, 數位建模一般以3D實體建模方式繪出模型, 再交由後續的CAE/CAM軟體處理, 目前常用的CAD軟體包括SolidWork, Pro/E, CATIA, UG, Inventor3D實體模型設計者構想模型組立圖2D模型工作圖 圖二 數位建模(圖片為APIC愛發股份有限公司網站資料ttp:/.tw/products/cax_ugsnx.html) 常見的數位建模方式包括:實體模型(Solid Modeling)、特徵模型(Features Modeling)、自由曲面模型模組(Free-Form Modeling)，並可經由軟體作模型組立設計。目前大多數的數位建模軟體都是透過參數式3D繪圖, 可以依據設計需求修改模型尺寸與特徵, 而能更彈性、快速的建模。2. 逆向工程逆向建模: 逆向工程建模的方式是實體模型仿製為主體, 以3D掃描方式將模型的立體資料儲存, 再將資料轉換成曲面, 經過曲面修改調整, 製作成模型圖檔, 之後交由後續的CAE /CAM軟體處理。一般用於逆向工程, 提供給快速原型製作的建模圖檔大多以.STL格式儲存。逆向建模與修補再由快速原型製作過程如圖三。圖三逆向建模與製作(馬路科技)三、 電腦輔助設計CAD實體模型3D掃描點資料修補轉換建立曲面資料3D建模逆向建模3D繪圖3D建模組裝資料轉換數位造型 電腦輔助工程CAE機構動態模擬結構分析耦合場分析熱傳分析電磁分析力學分析流路, 模流分析模擬產品資料管理(PDM)文件、流程、物料、產品管理資料庫電腦輔助製造CAM快速原型RPRP處理資料轉換RP生產矽膠模具快速模具模具組立切削路徑實體切削CNC轉碼模具加工生產模型圖一 數位模型製作方式(圖片:愛發股份有限公司、馬路科技顧問有限公司、展群模型、泓崴科技、全量工業)三、電腦輔助工程分析CAE1.CAE的歷史（1）在20世紀6070年代處於探索階段，有限元技術主要針對結構分析問題進行發展，以解決航空航太技術發展過程中遇到的結構強度、剛度以及類比實驗和分析。 （2）20世紀7080年代是CAE技術蓬勃發展時期，出現了大量的機械軟體，軟機的開發主要集中在計算精度、硬體及速度平臺的匹配、電腦記憶體的有效利用以及磁碟空間利用上，而且有限元分析技術在結構和場分析領域獲得了很大的成功。 （3）20世紀90年代CAE技術逐漸成熟壯大，軟體的發展向各CAD軟體的專用介面和增強軟體的前後置處理能力方向發展。 目前CAD軟體大多能提供簡單的CAE功能, 當CAD軟體完成零件設計或組立後能針對組立產品的機構與運動做動態分析, 如果動作產生干涉或不如預期, 則可以重新設計並重新分析直到符合設計者要求, 如此可大大提高設計效率與水準。2. CAE的功用CAE能提供的內容非常廣泛, 大致區分如下：(1)加工判斷: 利用CAE分析發現成形中可能產生的質量缺陷，以減少實際嚐試-改善的次數和時間，縮短開發時間；可用於模具、鑄造製程的加工分析。(2)性質分析: 針對加工後的模型材料或模型模具進行如強度、應力、剛性性質分析, 已產生符合設計者需求, 並最經濟加工參數。(3)模擬: 獲仿真分析模擬, 以獲得最佳製造方案, 得到最優化設計與製造方案，以求取穩定化設計、降低材料消耗、提高生產效率和產品品質, 像是模流分析, 鑄造方案模擬(4)缺陷分析: 分析工件品質缺陷產生的原因，以便尋求合理的解決方案。 目前所採用的數值類比方法主要有兩種：有限元法和有限差分法；一般在空間上採用有限元方法，而當涉及到時間時，則運用有限差分法。以下是常用的CAE軟體ANSYS在個領域的應用:耦合場分析：熱傳-結構耦合、壓力-結構耦合、電路與電磁場耦合、壓電、壓阻、靜電場-結構耦合、電-熱-結構-磁耦合、電磁場-熱傳耦合、靜電場-結構-流體耦合、帶電粒子、磁場-結構耦合、流體-結構之交互作用、熱傳-計算流力耦合、多領域求解器、與其他光學軟體之結構-光學耦合結構分析：線性、非線性 幾何非線性、材料非線性、接觸非線性、元素非線性、靜態、動態 暫態、自然頻率、簡諧響應、頻譜、隨機振動熱傳分析：穩態或暫態、熱傳導、熱對流、熱輻射、相變化計算流力分析：穩態或暫態、不可壓縮流或可壓縮流、層流或紊流、牛頓流或非牛頓流、自然、強制或混和對流熱傳、固體與液體共軛熱傳、面對面輻射熱傳、多種類傳輸、自由表面邊界設定、風扇模型與分布式熱阻、固定或旋轉參考系統電磁分析：靜電場、靜磁場、低頻電磁場、簡諧或暫態、高頻電磁場、電流傳導、電路分析聲場分析：完全耦合之流體/結構分析、近場與遠場域、簡諧、暫態與模態分析3. CAE在鑄造領域的應用範例以鑄造行業為例, 可以利用CAE做澆鑄分析, 材料固化分析, 產品缺陷分析, 澆鑄過程分析.圖四為利用Flow3D軟體所做的一些鑄造領域的模擬分析範例。資料由泓崴科技公司提供。壓鑄澆鑄(填入)模擬固化模擬模具熱分布模擬鑄造澆鑄(填入)模擬固化模擬砂心模擬消失模型鑄造澆鑄(填入)模擬固化模擬消失模型材質與澆鑄模擬分析圖四 利用Flow3D軟體做鑄造業之CAE模擬與分析範例(泓崴科技提供)四、 電腦輔助製造CAM1.CAM的功用CAM(Computer Aided Manufacturing),即電腦輔助製造。CAM內容廣泛, 狹義上講指的是數控程度的編制,包括刀具路徑的規劃、刀位元檔的生成、刀具軌跡模擬以及NC代碼的生成等。現今的CAD/CAM軟體電腦輔助設計及製造與數控機床加工結合,是現在數控機床技術應用的主流,能夠達到非常理想的加工效果。1. CAM的軟體功能一般CAM軟體大多須具備以下功能:(1)NC輸出碼執行程式；(2)刀具路徑編輯與圖形模擬；(3)電腦輔助虛擬加工模組。利用CAM可以仔細檢查切割零件的每一部份，節省了不必要地在昂貴機器上試用及操作的時間。 許多CAM的軟體可以附加許多功能模組, 以便整合CAD、CAE與CAM的各項功能, 以工業界常用的Pro/Engineering軟體, 它結合2D與3DCAD模組, 模型組立模組, 模具模組, 出圖模組, 工作圖轉換模組, 生產規劃模組, 格網模組, 資料庫模組, 特徵轉換, 資料介面轉換, 工具開發模組, 語言模組提供完整而豐富的CAD/CAE/CAM整合功能, 另外在CAM的部份，CAM軟體要配合不同的加工機器, 如車床、銑床、多軸銑床、線切割也提供了各種CNC機器的走刀路徑與參數控制與設定的功能。2. CAM模具製作範例本範例為一塑膠射出成型成品, 利用Pro/Engineer軟體, 從電腦輔助設計, 模具組立, 模流分析, 模具設計, 模具組立, 到CAM的刀具路徑分析與實體切削模擬, 再到CNC加工並以射出成型機射出成品, 及後處理的過程。詳如圖五。資料由南港高工模具科陳永泉老師提供。模具CAD模具CAD模流分析 CAE模具組立CAD公模仁與母模仁公模仁粗加工路徑模擬公模仁粗加工實體切削模擬公模仁精加工路徑模擬公模仁精加工實體切削模擬公模仁成品母模仁粗加工路徑模擬母模仁粗加工實體切削模擬母模仁精加工路徑模擬母模仁精加工實體切削公模仁成品模具組立圖模具與塑膠射出成型成品塑膠射出成型成品成品去除流路系統圖五 利用pro/ Engineering 整合CAD/CAE/CAM製作塑膠射出成型產品(南港模具科陳永泉老師)五、 快速模具技術RT (RAPID TOOLING) 快速模具技術大都是依據快速成型製作的實體模型(母模), 以仿製方式(如金屬噴塗、電鍍、複合材料澆注、精鑄等)來快速製造模具主要工作零件(凸、凹模或模腔、模芯)的，其製造周期一般爲傳統的數控切削方法的1/51/10，而成本卻僅爲其1/31/5。 目前的快速製模方法大致有間接制模法和直接制模法，其中RP快速製造模具的方法多爲間接制模法。依據材質不同，間接制模法生産出來的模具有軟模、橋模和硬模。1. 軟模(softtooling): 通常指的是矽橡膠模具。用SLAFDM、LOM或SLS等技術製作的原型，再翻成矽橡膠模具，再於橡膠模中灌注聚氨酯，固化後即得到所需的零件。2. 橋模(bridgetooling): 通常指的是可直接進行注塑生産的環氧樹脂模具。採用環氧樹脂模具與傳統注塑模具相比，成本只有傳統方法的幾分之一，生産周期也大大減少。模具壽命不及鋼模，但比矽膠模高，可達10005000件，可滿足中小批量生産的需要。3. 硬模(hardtooling): 通常指的就是鋼質模具，即用間接方式製造金屬模具和用快速成形直接加工金屬模具。 快速製模技術製模周期短、工藝簡單、易於推廣、製模成本低、精度和壽命能滿足某種特定的功能需要，綜合經濟效益良好，是一種快捷、方便、實用的模具製造技術，特別適用於新産品開發試製、造型測試和功能測試以及多品種小批量生産。 快速模具與快速原型技術可用金屬噴塗製模法改良模具的使用壽命, 係將快速原型與熱噴塗、快速凝固等方法相結合的間接制模法，其工藝是將熔融或半熔融的金屬顆粒噴射到通過SLA、SLS或LOM方法製造的原型上，生成金屬薄層，然後補強背襯並除去原型後得到模具産品。目前有兩種形式，即霧化噴射法（快速凝固工藝RSP）、噴塗法。當模具要求的壽命在3000件以下時，一般採用以RP原型作母模，將低熔點的熔化金屬（如鋅鋁合金）充分霧化後以一定的速度噴射到母模的表面，形成模具型腔表面，充填背襯複合材料，製作鋅鋁合金軟模具。(資料:台灣區模具工業同業公會.tw/industry_detail.asp?sn=1713) 快速模具矽膠模的製作程序如圖六。(通業技研)製造矽膠模流程成品製造流程1. 組合模板 2. 決定分模線 3. 決定澆注口 . 透氣口固定於模板上 1.組合固定矽膠模 2. A.B 劑容量量濟4. 調和矽膠及硬化劑 5. 均勻攪拌並抽真空 6. 灌入模板 3. 插上漏斗澆注口上 4. A.B 劑及矽膠模分別固定好 , 測試有無干涉 5.抽真空 , 慢慢攪拌主劑7. 第二次抽真空 8. 放入烤箱 9. 等待硬化 10.拆模板並切割矽膠模 6. 待 A.B 劑無明顯氣泡時兩劑混合攪拌均勻7. 待氣泡較安定時停止攪拌 , 慢慢注入矽膠模8. 放入空氣 , 取出矽膠模9. 放入烤箱 , 等待硬化 10.開模取出成品圖六 快速模具矽膠模與成品的製作(通業技研)六、專題製作的規劃與製作 經過以上的基礎專業知識的學習後，在綜合專題製