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摘要
對於塑膠成型行業，成型週期是衡量塑膠製品成本的重要依據，成型週期越短成本就相對越低，就能提升競爭力﹔成型週期包括關模，塑膠充填、保壓、冷卻，開模以及頂出。在整個過程中，冷卻時間所佔比例最長，大約為整個週期的40~60%，如果能有效的縮短冷卻時間，對於縮短成型週期，效果最明顯。本文運用Moldex3d 專業模流分析軟件，對塑膠產品冷卻週期進行模擬，了解影響簿件產品冷卻時間的具體原因，並尋找有效的解決方案，以縮短成型週期。關鍵詞: 成型週期、冷卻時間、流道、Moldex3D。
一、前言
近年來，全球氣候變化異常，極端天氣越來越頻繁﹔人類的活動已經威脅到我們自己的生存，只有節能減排、合理利用資源，才能拯救地球，改變目前的生存環境。在塑膠成型過程中，縮短成型週期就是節約能源的方法之一。目前NB 產品正朝著更薄、更輕的方向發展，較薄的產品需要的冷卻時間較短，但目前的冷卻時間依然沒有明顯的減少，到底是成型過程中哪一環節影響冷卻時間呢？透過Moldex3d 冷卻分析模組，對薄件產品成型冷卻階段進行模擬，找到需要重點冷卻的地方，在後續設計水路時作為參考，以達到減低成型週期的目的。
二、案例簡介
( 一) 產品說明
此案例為NB 前框( 如圖1)
尺寸：314.3*206.42*10.55mm
肉厚：0.9~1.0mm
( 二) 塑膠材料
成型材料:
PC+10%GF(XQ83638)
( 三) 流道系統
進膠方式:4 點熱膠道8 點牛角進膠
流道尺寸: 主要流道為Φ5( 如圖2)
圖1: 產品模型圖2: 進膠方式
( 四) 冷卻方式
採用模溫機和常溫水路冷卻，冷卻水路形式( 如圖3、4). 母模7 條水路直進直出，水管直徑8mm; 公模4條水路冷卻產品，2 條冷卻流道，水管直徑8mm .
( 五) 成型冷卻條件(CAE 設置條件)
下表為冷卻相關參數設定
三、模擬結果與改善
( 一) 原始設計冷卻分析
- 冷卻結束瞬間，產品固化層厚度比例( 如圖5)；其中，藍色為完全固化區域，紅色為固化比例較低區域；從冷卻結果分析，整個行腔中，最早固化的為薄件產品，最難固化的區域為冷流道﹔而在冷流道系統中，固化比列最低的區域在( 圖5) 右圖紅圈中( 熱膠道下方、流道交叉處) 約15% 左右，要降低冷卻時間，必須加強流道的冷卻，而紅圈中的部份更加關鍵。
- 通過對型腔內部冷卻結果溫度判讀，結果如下：
產品溫度—-90℃
流道交叉處溫度—-195℃
熱膠道下端溫度—-235℃
根據固化層厚度比例以及內部溫度分佈，確定最難冷卻的區域，針對該區域加強冷卻，為減少冷卻時間的改善方法。
圖3: 母模冷卻方式 ; 圖4: 公模冷卻方式
( 二) 改善方案冷卻分析
通過修改流道的冷卻方式，改善產品冷卻時間; 圖7為原始流道水路設計，水路離流道距離較遠25~35mm，冷卻水管較單一；改善後水路離流道15mm 左右，而卻針對溫度較高區域有加強冷卻（如圖8)。冷卻結束的溫度改善後最高溫度從195℃降至170℃，模穴溫度則由90℃降至60℃，顯示水路的改善是能有效降低模穴內溫度。如果從產品固化層厚度比列來看( 同圖5)，流道區域固化層從原本最低15% 上升到42%，明顯減少了許多融熔區域。
四、冷卻相關探討
影響塑件冷卻速率的因素：
( 一) 肉厚
成品厚度越厚，冷卻時間越長。一般而言，冷卻時間約與塑件厚度的平方成正比，也就是厚度加倍，冷卻時間增加四倍。
( 二) 冷卻水管配置方式
冷卻水管越靠近模穴，管徑越大，數目越多，冷卻效果較佳，冷卻時間較短。
( 三) 冷卻液性質
冷卻液體液的黏度及熱擴散係數亦會影響到模具熱傳效果。冷卻液黏度越低、熱擴散係數越高、溫度越低，冷卻效果越佳。
( 四) 冷卻液流量
冷卻水流量越大( 一般須達到紊流為佳)，冷卻水以熱對流方式移除熱量效果越佳。
( 五) 模具鋼材
模具鋼材熱傳導係數越高，將熱量自塑料傳遞而出的效果越佳，冷卻時間越短。以上為影響冷卻的因素，可以嘗試調整有利於改善冷卻的方向，變更相關設計( 包括冷卻液、模具鋼材選擇)，並用Moldex3d 模流分析軟件進行模擬分析，在開模前期優化設計方案，達到最佳效果，降低成型週期。
圖5: 冷卻結果– 固化層厚度比列 ; 圖6: 冷卻結果– 溫度分佈
圖7: 原始流道水路設計 ; 圖8: 改善後流道水路設計
五、結論
冷卻系統設計原則為快速冷卻、冷卻均勻、加工簡單。但常規水路設計時因考慮到加工、與其它機構干涉等因數限制，一般因無法加工，導致冷卻系統不能發揮最佳的冷卻效果﹔隨著加工設備的創新，異型水路的出現，改變目前冷卻系統的設計思路， 盡顯設計者的完美藍圖。
關於蘇州誠模精密科技有限公司
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