砂模鑄造設計專家系統
摘要：為解決國內砂模鑄造產業砂模設計優化與製程參數優化技術缺口，發展砂模設計專家系統其目的在設計階段到產品鑄造製程工藝過程中，藉由設計專家引導與鑄造製程優化技術整合在設計流程中提供最適化選擇，透過鑄造模擬軟體來驗證；並將砂模鑄造的經驗式設計傳承為習性，強化為數位設計專家系統的傳承技術，藉此提升該產業在國際競爭力和增加鑄件附加價值。。本文將針對專家準則與設計模組來進行介紹。
Abstract：In order to tackle the technical problems of sand mold design and process parameter optimization for the domestic sand mold casting industry, the sand mold design expert system is proposed and under development. Sand mold design expert system is integrated into information system to recommend optimized parameters from the mold design stage to product casting process. With result later verified through casting simulation. This article will introduce design expert guidelines and modules of the expert system.
關鍵詞：鑄造專家系統、砂模、設計
Keywords：Casting expert system, Sand mold, Design
前言
“電腦輔助鑄造應用軟體”的開發研究，經歷過下列幾個階段。在1980年代所謂第一代電腦輔助軟體，是對於金屬流體之流動模擬的軟體開發階段。當時的研究，目的是要開發數值模擬軟體，能準確模擬流體於模穴充模和金屬凝固的情形。
之後，在1990年代，所謂第二代電腦輔助軟體，有最早的電腦輔助流道設計軟體，稱為專家知識庫系統(如:金屬工業研究發展中心(1998)[1])。當時的輔助軟體，只是以資料庫的形式，輔助收尋可以試用的流道形式。此資料庫的建立，是由廣泛收集的文獻資料，在單一鑄件個案中，擷取所收集的文獻中，有關流道設計的建議事項。
因此，金屬工業研究發展中心延續前世代所新開發的電腦輔助鑄造模具方案設計軟體-砂模鑄造設計專家系統，是所謂第三代模具設計軟體。最主要與上述幾代不同，是有三個新的處理器：
‧前處理器：對於所提供的三維立體圖檔(i.e. 3D CAD file)，可以直接由本輔助軟體，進行自動化的分析。
‧中處理器：內建的參數式流道以及冒口兩項設計模組之外形產生器，自動產生最佳化鑄造方案設計。此產生器，是由實際試驗或模擬結果，所獲得的數據資料，經由數學統計線性迴歸以後，產生出來的無單位化(dimensioanlless)鑄造方案尺寸公式所建立。
‧後處理器：最佳化鑄造方案幾何外形，經由此處理器，進行流道、冒口、與鑄件型體的立體組合後，形成完整流路以及冒口系統與鑄件外型的連結組合圖檔。此組合圖檔，可以輸出成電腦三維圖檔，可以作為下一個模具開發工程(CAM)的原始圖檔；或者，也可以作鑄造模擬軟體(CAE)使用，目的來驗證鑄造方案設計的準確性，以供使用者參考或認證的依據。
當使用者將鑄件的3D CAD檔案輸入後，本專家系統軟體，便可以針對其鑄件外型及肉厚地方分析出來其熱點位置，進而自動的分別產生冒口及流道設計的3D CAD圖形。再經由所開發的API輔助程式進行鑄造模具方案設計與鑄件的組裝結合後，可以直接輸出這個完整的鑄件與方案系統的3D CAD圖形檔案。並且，能讓使用者可以直接進行下一階段的開模工作，節省試鑄模及修改模具方案設計的時間，期望能一次鑄造便可以達到高品質的要求。
專家準則與設計模組
本專家系統之所以有別於之前的模擬軟體(CAE)或是建議系統資料庫；它是依據鑄造專家的理論，給予輸入的鑄件外型檔案，自動產生解決鑄造缺陷問題的鑄造方案設計。
鑄造缺陷若依照產生缺陷的方式，大致可以分成兩大類：第一類為流動所產生的鑄造缺陷；以及第二類為凝固所產生的缺陷。Prof. John Campbell [2]就是針對解決這些鑄造缺陷問題，而提出了Campbell的鑄造10準則[3]。
表1 列出了Prof. Campbell的 “鑄造10準則”。在這鑄造專家的10個準則中，除了第 10準則(提供加工定位點)，是屬與精準加工的目的外；其餘的準則可以分成兩大類的準則(分別在Rule 1~5 和 Rule 6~9兩類)，目的是要能克服兩種鑄造缺陷產生的問題：流動以及凝固產生的缺陷。而解決這兩大鑄造缺陷問題的方法，就是分別要用正確的：流道方案設計(runner system design)，以及冒口方案設計(feeder system design)。
開發的本專家系統，是選用商業用3D CAD軟體-Solidwork API 的功能編輯撰寫本輔助程式。Solidwork API可以嵌入Solidwork 3D CAD軟體，應用其本身的3D零件繪圖功能外，在方案設計的尺寸資料庫中，所得到設計零件圖，也可以應用其零件組合功能，組合鑄件、冒口、流道以及等等形狀，形成完整的鑄造模具方案設計圖檔。
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