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模擬,特別是流體流動模擬或CFD(計算流體力學)通常不容易操作,公司通常需要CFD專家才有辦法計算這樣的任務。

為了克服這種棘手的問題,Nogrid開發了成型模擬軟體,特別適用於玻璃容器工業(glass container industry),軟體名稱是NOGRID pointsBlow,這是一套無網格法的CFD軟體,能容易以全3D環境中計算出玻璃容器的成型過程。

圖1顯示出在模擬玻璃容器在吹製過程(Blow and Blow)的過程步驟。

模擬打擊,吹(BB)瓶罐玻璃
圖1:一些選定時間步驟下的模擬結果
NOGRID pointsBlow軟體能夠模擬下列的玻璃容器成型過程:
  • 吹製法 (Blow and Blow)
  • 壓吹法 (Press and Blow or Wide Mouth PB)
  • 小口瓶壓吹成型法 (Narrow Neck Press and Blow)
  • 餐具工業壓吹法 (Press and Blow for the tableware industry)

現實中,模擬開始玻璃胚料,結束於成型取出,所有的步驟都整合在單一模擬環境中,如圖2所示,瓶子的形狀可以是任何可能的3D形狀。包含瓶子的把手也可以計算。因此,對於各種設計都沒有限制,使用者可以測試和評估各種可能的設計。
圖2:吹製過程的步驟,和實驗驗證過的瓶子選擇
顯示於圖2中的所有瓶子,分別計使用NOGRID pointsBlow軟體的模擬結果與透過實際的生產線生產的瓶子相比較。注意本研究期間的焦點是在最終瓶子的壁厚分佈(也可參見圖7)模擬結果和實際瓶 的測量結果之間是完美匹配的。評估瓶子的重量為在200克和1500克的範圍內。計算時間取決於胚料重量,以及不同電腦配備等級來決定,從一小時長達八小 時不等。因此使用者可以每天運行多個模擬任務。
幾何
使用者再執行NOGRID pointsBlow的第一個階段是如何產生的幾何形狀(圖3),空模具的形狀、最終模具的形狀,模具注入器的形狀等等,當然,還包含玻璃胚料的初始幾何形狀。
Nogrid pointsBlow幾何觀點
圖3:幾何階段
所有公司都會有自己的CAD系統,本軟體能夠載入標準的STEP格式來載入各種形狀,這表示使 用者能簡單的粹取所需的形狀為單一CAD檔案,並輸出成STEP格式,大部分CAD軟體都支援STEP格式的輸出。假如所有材料屬性和製程屬性給定,使用 者就能開始進行模擬任務,不需要網格化的動作,因為初始胚料能夠自動被計算點所填滿。

材料屬性與製程資料
在玻璃容器的生產過程中,玻璃組成份和玻璃性質可能變化,儘管通常是使用鈉鈣玻璃,即使對於鈉鈣玻璃容器中的組成份也不總是相同(不同公司、不同生產線都可以會有變化),但本軟體都可以應用這些數據。
 材料特性查看Nogrid pointsBlow處理數據查看NOGRID pointsBlow
對於玻璃成型中最重要與最敏感的材料特性是玻璃的黏滯性,此屬性會隨溫度變化。出於這個原因, 有必要精確地設置初始胚料的溫度條件。不幸的是,初始料滴的溫度通常是未知的,必須花相當大的努力才能測量到。幸運的是NOGRID pointsBlow軟體已藉由超過30種瓶料的專案調查來以經驗公式去決定初始胚料的溫度。如圖5,如果專家選項被啟動時,使用者可以指定接觸到玻璃物 理接觸固體的熱傳參數,如果關閉專家選項,使用者只需選擇相應的材料(如鑄鐵,鋼或Minox)。選擇的製程表單中,使用者可以指定的製程類型 (BB,PB,NNPB),以及所有的機台數據。
結果視圖(溫度)Nogrid pointsBlow
圖5:結果圖(溫度分佈)

結果
在圖5中,顯示出最後時間步驟的溫度。為了分析的結果,該軟體計算藉由求解額外微分方程每個時間步階來計算的壁厚。使用者可以選擇例如,溫度(見圖6)及 變化的厚度分佈。在圖7的XY-曲線顯示在瓶高的厚度分佈。此外,也可以選擇玻璃體積內的某些單點和軟體的探針來顯示該位置上的所有變量。
厚度XY圖來看Nogrid pointsBlow
圖6:厚度[mm]:3D視圖,XY-圖和點探針圖

如上所述,結果模擬與實驗數據庫進行了比較。圖7顯示出了三個瓶子的橫截面的例子,包括由模擬橫截面結果的比較。
吹塑瓶的橫截面與由模擬得到的橫截面的比較
圖7: 各種玻璃瓶的結果比較
這些不同玻璃瓶的結果比較,包含:
  • 限制從玻璃到模具的熱通量是玻璃熱傳導係數,不是模具的熱傳導係數。
  • 在正確的模具設計中,以空氣冷卻模具,以及描述模具與玻璃間的接觸問度是重要的,然而,對於高品質成型過程,玻璃需要同樣的溫度條件,與容器形狀無關。
  • 隨胚料重量減少的初始胚料溫度

不管瓶形狀,胚料需要同樣的熱條件。因此,模具設計人員必須在給定的時間,考慮給定的玻璃能量損失內,模具的玻璃接觸側在玻璃接觸前,有相同的溫度條件,這意味著模具設計師通常不需要計算的形成過程的精確流體流動。
只要模具條件是理想的,NOGRID pointsBlow能計算使用所有製程機台的成型過程,包含壓力資料、注入器移動和熱傳資料,很顯然,是時候機台設置可以改善或弱化厚度分佈的品質,所以Nogrid軟體有助於以下內容:

  • 尋找最佳的空模具形狀
  • 減少的模具設計的測試數
  • 尋找最好的是機台的數據
  • 減少在生產試驗次數
  • 找到可能的最少容器重量

最後,NOGRID pointsBlow有助於了解玻璃容器設計缺陷的原因,因此,模擬有助於理解如何成型過程的所有細節,

NOGRID pointsBlow是一套專注於模擬玻璃容器成型的全3D模擬軟體,具備完整圖形化介面。此外NOGRID也提供一套標準版本NOGRID points 來模擬一般流場和食品、高分子工業所遇到一般CFD網格法難解的流場問題,其應用包含:

  • 食品工業:如雙螺桿擠壓機之攪拌槽模擬
  • 高分子工業:如模具充填、發泡成形
  • 一般流場模擬:
  • 如船體與波浪之交互作用與自由液面模擬
  • 液滴、水柱交互衝擊
  • 內、外流場模擬,如流體流經機翼的模擬