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模擬能力推動產品創新
 

【作者: 夏臻新、陳路】   2017年04月27日 星期四

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歷經40多年的發展,有限元素分析工具(FEA Simulation)又稱作電腦輔助工程(CAE),已經成長為現代先進製造業必備的手段之一,並廣泛應用於產品研發和生產環節中,通過提前預知產品性能與缺陷,大大降低了產品的設計和實驗成本,同時也大幅縮短了產品的開發週期。隨著近年來雲端運算和人工智慧的蓬勃發展,以及數位樣機技術的不斷完善,模擬技術、產品設計和製造過程正在進一步融合,並以前所未見的方式給予設計師更多洞見與啟迪。


尤其有意義的是,製造業本身也正處於千載難逢的發展機遇之中,對創新的設計工具和新洞察能力的要求日漸提升。


產品的本質正在發生變化。蓬勃發展的網路技術以及觸手可及的巨量計算資源,給產品創新帶來了前所未有的契機。傳統的專注於功能實現的產品,正逐漸向更懂使用者需要的互聯智慧設備過渡。一旦與智慧平台相連,諸多產品生成的資料交匯,就彷彿產生了源源不斷的靈性,讓產品能夠更加的理解使用者需求,提供客製化服務,並且在整個生命週期中不斷改進與增強。Nest、Tesla和iPhone 都是這些新智慧產品中的佼佼者。


產品交付的方式也隨之改變。交付的標的也從產品本身轉向封裝的整體服務。勞斯萊斯給它引以為傲的引擎配備了大量的感測器。不論是在三萬英尺的高空還是在海裡,引擎產生的運行資料都會通過衛星擷取,並提交給總部作即時維護決策使用。這使得勞斯萊斯能夠隨時掌控引擎的狀態,以執行時間和里程的方式交付服務,這是傳統產品難以做到的。


先進的製造過程也極大的激發了產品設計的創新。以3D列印為代表的增材加工技術發展迅捷,增材加工的工業化應用在航空和高端模具製造等行業逐漸展開。其獨有的成型過程賦予工程師極大的自由來操控產品的內部構成,為創新的外形和突破性的性能提供了廣闊的探索空間。


如雨後春筍般出現的新技術,和使用者對新形態產品的渴望,將進一步推動製造業變革升級的浪潮。


初識

歐特克(Autodesk)與許多的製造企業有深入的合作,不管是位列世界五百強的知名跨國公司,還是嶄露頭角的市場新星,這些合作夥伴在產品研發中運用模擬技術的熱情、視角和收穫,一直在給予我們啟示。在過去的十年時間裡,Autodesk在模擬領域不懈的投入資金和技術,打造了5大產品線來支援不同的行業。



圖1 :  (source: Autodesk)
圖1 : (source: Autodesk)

● Autodesk Simulation Moldflow 是全球模流注塑分析和加工過程模擬解決方案,在塑膠製品行業極富盛名。廣泛應用於汽車和消費電子業。


● Autodesk Nastran 是源於NASA的三大Nastran分支之一,通過嚴苛的NAFEMS 基準測試,擁有極高的可信度和完整的結構分析功能。在線性、頻響、屈曲和熱應力等基本能力之上,對非線性、瞬態、超彈材料和顯式求解等高階功能也有極好的支援。


● Autodesk Simulation CFD 專攻流體和熱分析,主要應用在電子散熱、管道閥門、數值風洞和空調建築等方面。CFD尤為稱道的是與各種CAD檔案格式良好的相容性,出色的易用性和與Autodesk建築業解決方案的無縫整合。


● Autodesk Simulation Helius 面向複合材料的設計與分析,對疊層複合材料的漸進性失效(Progressive Failure)特性有獨到的支持,對航空業極有意義。Helius也能夠通過非線屬性的映射,使得對纖維增強塑膠構件的性能分析成為可能,這是汽車行業特別需要的。


● Autodesk Robot Structure Analysis 主要是建築鋼結構分析,長於結構分析和國家標準適配,長期深耕歐洲市場。


模擬能力是對人類直觀觀察力的有力補充,是工程師的又一雙敏銳的鷹眼。它將以往不直觀的物理現象,以可偵測和量化的方式呈現出來。複合使用多種模擬能力,能將以往依靠經驗和閱歷來決定的判斷,代之以量化和客觀的剖析。從而因應答許多以往難以確定的問題,例如:


● 強度要多少才足夠


● 部件何時會失效


● 缺陷會如何發生


● 是否會過熱


● 不影響性能的前提下,能變得多輕


● 如果跌落會發生什麼



圖2 :  (source: Autodesk)
圖2 : (source: Autodesk)

溫度變化的影響是? 這個部件會損毀嗎? 如果跌落,會發生什麼狀況? 是否會過熱? 能夠承載流體的壓力嗎? 能夠更快的生產嗎? 何時會失敗? 缺陷會如何發生? 部件會相交嗎? 強度到底要多少才夠?能讓它變得多輕? 會有瑕疵嗎?


對於初識模擬的企業而言,模擬的洞察力較多用於補充和代替產品研發中的的試件和實驗環節。只要有了數位化的CAD模型和工況載荷描述,無需製造真實部件,就能展開實驗,預測性能及耐久度。在設計開始就能以極低的成本隨時開展實驗,以可重現、可比較的方式將性能考量加入到設計環節中,這是非常有吸引力的。對於試製成本高昂的部件(例如飛機機翼)、破壞性的實驗(例如汽車碰撞檢測)和難以達成實驗條件的場合(例如建築設計的散熱需求)尤其如此。越早開展模擬分析,就能以越小的成本完成設計更改,獲得更完整的設計方案。這是業界比較通行的認知,也是大部分企業現在所處的應用水準。


進階

在熟悉了模擬技術之後,有越來越多的企業不再滿足於其虛擬驗證和實驗的用途,開始探索模擬在設計和加工製造方面的延伸運用,希望在設計階段就增添可加工性檢驗,例如:


● 設計是否可加工


● 如何設計才便於製造


● 對工藝參數有何推薦


● 何處容易出現加工和外觀缺陷


● 加工過程對部件性能的影響


● 材料選擇會產生的差異


● …


Autodesk Moldflow近年來的發展,就是和模流注塑行業與時俱進的一個典型。塑膠高分子模內成形過程極其複雜,影響因素眾多。同時由於行業的快速發展,新製程、新材料、新技術層出不窮,也激發了對模擬技術的需求和發展創新的動力。



圖3 :  (source: Autodesk)
圖3 : (source: Autodesk)

在新製程支援上,Autodesk Moldflow提升了塑膠流動模擬,纖維取向計算,模具/冷卻系統溫度場類比,產品翹曲變形預測等功能的精度;同時也積極開發各種新製程的模擬模組,例如微發泡成型、熱塑性塑膠壓縮成形、樹脂傳送成形、變模溫技術、電磁感應加熱技術、隨性冷卻分析、粉末注射成形等。


在新材料支持上也是不遺餘力。Autodesk Moldflow為塑膠成形過程模擬軟體,在該產業鏈上發揮著極其重要的作用。準確的材料屬性測試對模擬類比的精度至關重要,Autodesk Moldflow依託兩個材料實驗室,能夠對新材料的粘度、PVT、熱傳導係數、比熱係數以及CRIMS等參數進行完整測試,同時Autodesk Moldflow和各大材料商保持著戰略合作關係,雙方緊密合作為客戶提供最新最精確的材料參數資料庫。


在典型的塑膠模具企業中,模流分析工程師團隊使用Autodesk Moldflow對產品的可成形性以及可能出現的製品缺陷進行評估。通過將實際生產的工藝參數輸入軟體中進行計算,Autodesk Moldflow可以模擬製品在模具中的充填行為以及後續的翹曲變形,並能提供一系列結果,例如壓力場、溫度場、速度場、剪切速率場、纖維分佈取向、收縮率等。通過對模擬結果的解讀,可以提前發現各種可能將會出現在實際生產過程中的問題與缺陷。例如:


● 通過對充填模式的解讀,可以判斷是否存在短射,流動不平衡等缺陷


● 通過對壓力結果的觀察可以判斷成型壓力是否過高,結合其它結果,如溫度、粘度、剪切速率來進一步分析導致壓力過高的原因。


● 通過對剪切速率的觀察,可以判斷是否存在不合理的澆口設計,過高的剪切溫升和材料降解。


● 通過對模具和冷卻水路結果的分析,可以指出模具設計不合理的區域。


● 通過對翹曲結果的分析,可以判斷製品尺寸是否符合要求,進一步分析引起翹曲的原因,例如收縮不均或者不合理的纖維取向分佈,可以幫助找出改善翹曲變形的關鍵因素。


基於模擬結果,模流工程師可以與產品設計部門、模具廠、生產現場,以及客戶緊密合作。對產品設計、模具設計,以及生產製程提供建議與指導。以短射缺陷為例,可能的改進方式有很多種,如修改澆口尺寸或位置、修改流道、增加壁厚、升高溫度、增加排氣等。此時模擬模擬的結果就能為方案的選擇提供最好的參考,從而提高試模成功率,提升效率,降低成本,提高企業行業競爭力。


除了能夠做成形性分析,為工程師提供參考之外,Autodesk Moldflow還具有智慧尋找最優化方案的能力。通過使用實驗設計優化,使用者自訂影響因素與目標準則,Autodesk Moldflow能夠自動將這些因素分解成為一系列的分析,進而根據使用者的目標來推薦最優的方案。Autodesk Moldflow的試驗設計優化功能相當強大,幾乎包含了所有的成形因素。在最新的版本中Autodesk Moldflow更是將CAD模型直接編輯加入到試驗設計優化中。例如使用者可以直接在Autodesk Moldflow中定義模型壁厚的變化範圍,軟體能夠自動生成一組不同壁厚的CAD模型並劃分網格與分析,最終返回給用戶最優的壁厚方案。這些功能的出現是各種前沿技術集大成的結果,如Autodesk的雲計算能力使得試驗設計優化產生的大量方案能夠得到快速求解,又比如Autodesk對CAD內核直接編輯的技術,使得任意格式的CAD模型能夠被修改,並加入到試驗設計優化當中。


展望

增材製造近些年很受關注,其工業級應用漸熱。例如鐳射選區燒結技術(SLS)結合金屬材料,可以列印高強度、高精度的工業製品,屢見於航空和模具製造領域。但是對於SLS加工過程中產生的熱應力,及其導致的冷卻後的收縮變形,卻一直缺乏有效的分析手段,殘留的熱應力也使得傳統的模擬分析變得困難。所以對性能敏感的關鍵部件,現在的設計過程大多還停留在試製、實測和試校正的層面。為此Autodesk 在其Netfabb 3D列印套件中新添了Simulation元件,使用美國賓州大學Pan實驗室的技術,可以高速模擬整個3D列印過程,通過計算每一個節點的熱歷史來獲取整個部件的熱應力分佈,填補了這一空白。



圖4 : (source: Autodesk)
圖4 : (source: Autodesk)

增材製造對製品內部細微結構的掌控,也賦予設計師更大的創想能力。Netfabb Optimization可以以擬生的方式,在製品內部設計晶格(Lattice)填充結構。運用不同的晶格基礎結構,可以達成極輕量化、生物親和,彈性緩衝等等不同的優化目標。下圖就是一個熱交換器的實現,內部的仿生結構能夠實現熱交換率的最大化,這樣部件的設計和優化,是傳統CAD/CAE軟體和傳統製造工藝難以企及的。



圖5 :  (source: Autodesk)
圖5 : (source: Autodesk)

這樣的設計,其實是依託雲計算和人工智慧,運用強大的建模規則和模擬軟體的洞察能力構建而成。它改變了傳統設計過程中以幾何為中心的觀念,轉向面向需求的生態拓樸設計,從性能要求和加工約束出發,從實際使用的角度來推導最佳方案。自然界千萬年的演化與科技的自我完善,在這裡匯集。


假設有一天,你可以對手機說:「我想要一張椅子,它有四個腳,離地90cm高,木頭或者塑膠材質,100公斤大漢也坐不壞。」然後就會有成百上千種最優化的設計自動生成任由挑選,然後柔性工廠可以為這款獨特的座椅自動加工成型,那是不是很酷?



圖6 : (source: Autodesk)
圖6 : (source: Autodesk)

在2016年11月的全球用戶大會上,Autodesk首次宣佈了名為DreamCatcher產品的雄心壯志。目標就是打造一個智慧平台,能夠理解使用者產品的性能要求與使用場景,自動探索最優且可加工的設計方案組合,供設計師參考。它所引發的產品設計的重新思考,現在才剛剛開始。未來的唯一局限,也許只是我們的想像力。


製造業最好的年代,正在路上。


(本文作者夏臻新、陳路為歐特克(中國)軟體研發高級經理、資深研究員)


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