林揚善/工研院材化所
根據Deloitte與美國競爭力委員會聯合發表之2016全球製造業競爭力指數報告內容可知，預測分析、模擬整合和高性能計算，是先進製造技術未來重要性排名的前6大關鍵因素。目前陶瓷注漿製造業中，多數仍以燒結後成品是否龜裂，做為產品製造成功與否的判斷依據，未風乾之生胚很容易破裂，均勻性很難實驗量測。若能在燒結前之注漿製程生胚性質預測解析技術上有所突破，將可減少燒結測試次數，降低開發成本，並提供生胚動態成長與均勻性模擬預測之方法，提升陶瓷製造商之競爭力。
筆者此回透過投稿1並參加於新加坡南洋理工大學舉辦的材料製造技術(ICMMT)國際研討會，發現與會的學者中，除了以各種實驗技術探討材料開發相關議題外，也有演講者採用理論模擬技術以探討金屬鍛造成型製程，對於我們採用兩相流-Mixture Model模擬技術來預測陶瓷注漿製程生胚成長與均勻性之論文內容亦很感興趣，對於耦合多孔介質流場達西定律方法也多有討論。
陶瓷注漿成型製程是常見的製程方法，早期有許多的文獻2-4提出其理論方程式和學理機制，但是缺乏漿料固含量和陶瓷粉末粒徑大小因素探討。文獻5指出漿料固含量和陶瓷粉粒徑會影響生胚性質，採用有限元素方法以建立模擬系統是可行的方式。模具吸水特性也是影響注漿製程之關鍵因素。若理論模擬系統能包含漿料特性，如固含量和粉末粒徑；石膏模具性質，如幾何尺寸和孔隙率等；和製程參數，如澆口位置和注漿速率等，將可建立較完整的注漿製程模擬系統。
關於注漿成型製程模擬技術方面，除了投稿研討會之論文內容外，近期材化所多尺度模擬研究室建立了兩相流Mixture Model9和達西定律耦合模擬計算系統模型，模擬系統包含之因子和4吋元件模擬系統設定如圖一所示。透過兩相流Mixture Model和孔洞介質流場達西定律耦合模擬技術，不但可模擬分析生胚動態成長特性，同時可採用生胚固體體積分律分布來定性預測生胚均勻性差異。透過不同澆口設計狀態下之生胚均勻性模擬結果，可與實驗經驗做定性比對，驗證模擬結果，對於生胚非破壞性檢測議題很有幫助。
圖一、注漿製程模擬技術包含因子與4吋元件模擬設定
材料製程模擬議題，除了筆者此回發表的陶瓷注漿製程生胚成長性質模擬外，國立高雄應用科技大學教授-許光城，為研討會之Invited Speaker之一，演講題目-Improving Forgings Formability by Warm Complexing Process，以DEFORM軟體做為模擬工具，模擬分析不同鍛造過程設計，Billet Heating對於產品幾何尺寸和硬度等性質改善程度，並以實驗檢測驗證其模擬結果。中國大陸河北省燕山大學，有張貼海報發表鉭金屬滾壓製程實驗論文，但是該論文並沒有做滾壓織構EBSD檢測分析，無法了解晶粒微結構特性。
ICMMT研討會每年舉辦一次，今年已是第8屆，本屆研討會主辦人為泰國Chiang Mai University之Wassanai Wattanutchariya教授，參與研討會對於了解金屬和金屬氧化物製程方法發展技術與現況很有幫助。以下將簡單介紹ICMMT 2017研討會論文內容和近期陶瓷注漿製程模擬發展之情況。
注漿口設定對生胚均勻性之影響模擬分析
為了探討模擬系統是否可觀察到注漿口設定方式對於生胚均勻性之影響，我們以圖二所示之(b)和(c)兩種注漿口設置系統，做為生胚均勻性模擬結果與實驗經驗比對案例，忽略左右壁面石膏模具吸水性，下方設為水出口，陶瓷粉末堆積生胚成長，漿料重量固含量設定為50%，陶瓷粉末密度為4[g/cm3]，粉末粒徑為1[μm]。圖三呈現模擬系統I和模擬系統II之生胚動態成長模擬結果。從圖三可觀察出 ------以上為部分節錄資料，完整內容請見下方附檔。
圖三 、生胚動態成長模擬結果 (a)模擬系統 I；(b) 模擬系統 模擬系統 II