隨著積層製造（3D列印）技術在航太、汽車與能源領域的應用日益成熟，材料設計的複雜度也大幅提升。對於碳纖維強化高分子材料（CFRP）這類具備各向異性特性的複合材料而言，傳統的製造方式與設計思維已難以應對變化多端的應力與結構需求。 美國普渡大學複材製造與模擬中心（CMSC）由Byron Pipes博士領軍，針對這樣的技術挑戰，建構出以模擬為核心的積層製造流程。透過導入SIMULIA Abaqus進行結構與熱流模擬，並結合CATIA的幾何建模能力，團隊成功實現了從設計到列印的虛擬製造轉型。 複雜材料設計下的技術痛點：纖維方向決定列印品質 與均質材料不同，碳纖維複材的機械性能強烈受到纖維方向影響。舉例來說，木頭沿著紋理方向比橫切方向更堅固，碳纖維複材亦然。這類「各向異性」特性讓列印過程的設計變得更加困難。Pipes博士表示：「列印這類材料時，不能只看幾何或材料種類，更要掌控纖維的排列方向。這會直接影響最終產品的強度分佈與結構穩定性。」 然而，傳統設計工具難以處理這種方向性的行為，加上列印過程中還牽涉到材料熔融與冷卻，導致製程預測困難、產品可靠性不足。這正是普渡團隊決定導入模擬流程的關鍵原因──透過虛擬製造模擬，在實體列印前就能掌握各項關鍵參數。特別是模擬技術能夠預先分析材料在列印中的流動、變形與機械表現。 建構虛擬製程：從幾何到模擬的整合流程 面對這樣高度耦合的物理行為，研究團隊建立一套從設計到模擬的完整流程： 使用CATIA幾何建模工具建立產品模型，並設計纖維堆疊路徑與結構方向。 將模型導入SIMULIA Abaqus，進行結構與熱傳模擬，包括列印過程中的材料熔融、固化、變形與應力預測。 進一步分析纖維取向對於結構剛性與列印品質的影響，反覆優化設計。 這樣的數位流程，讓複雜幾何與材料設計得以整合於一體，不僅提升模擬準確性，也能對列印參數（如材料進料速度、溫度控制）進行量化分析。尤其對於具備流動方向性與熱機耦合行為的材料來說，Abaqus模擬平台展現了極高的應用彈性與計算能力。 實踐成效：從學術研究到工業應用的雙向推進 在模擬導入後，普渡大學開始建立「複材設計工作室」，讓學生實際操作有限元素分析（FEA）工具解決來自產業端的複材製造問題。研究成果同時也應用於IACMI（美國複合材料製造創新研究所）技術聯盟中，透過達梭系統（Dassault Systèmes）的3DEXPERIENCE平台與ENOVIA協作工具，跨越多州據點，實現模型與數據的集中管理與共享。 Pipes博士指出：「過去建立一架飛機的有限元素模型，只有約5,000個自由度。如今，借助雲端高效能運算，我們已能處理百萬自由度的複雜模擬模型。」模擬技術的發展不僅提升了工程效率，也改變了製造的本質：從過去以經驗為主的試錯法，邁向現在以虛擬流程為核心的製程設計。這項轉型讓普渡團隊不僅在學術研究上獲得突破，也在人才培育與技術轉移方面建立典範。 展望未來，Pipes博士預期：「碳纖維複材的積層製造應用，將在不久的將來超越傳統射出成型技術。未來的設計流程，一定是以模擬為基礎，模擬不只是驗證，而是核心決策工具。」隨著列印技術精進與產業需求增加，設計與製程將愈發依賴數位模擬工具。Abaqus不僅是結構模擬的首選，更將成為新世代製造流程設計的重要工具。 後記：模擬如何成為製程改革的關鍵推力 普渡大學的經驗說明了一件事──當材料變得更複雜，製程更具不確定性時，唯有仰賴可靠且能真實反映物理行為的模擬工具，才能在競爭激烈的開發節奏中搶得先機。 透過結合Abaqus複材模擬能力、CATIA的幾何與路徑設計功能，以及整合性的資料協作平台，普渡大學已打造出具代表性的模擬驅動製程典範，也為其他面臨類似挑戰的單位提供了有力參考。 關鍵字：CATIA、Abaqus、複合材料、積層製造 下載PDF