A-2-970503--数位模型制作讲义

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

圖三逆向建模與製作(馬路科技)

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, Inventor…

圖二 數位建模(圖片為APIC 愛發股份有限公司網站資料ttp:///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。

三、

3D 實體模型

2D 模型工作圖

設計者構想

模型組立圖

快速原型RP

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CAE

1.CAE的歷史

（1）在20世紀60～70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70～80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。