以異型油路及模流分析改善LSR 射出成型模溫及翹曲變形

■雲林科技大學 / 曾世昌教授

摘要

由於3D 列印技術發展飛快，使得設計者能夠利用3D 金屬列印，來設計出更加符合要求的油路，在設計時能夠貼近產品輪廓，藉此來解決產品死角與積熱的地方。在幾何形狀越複雜的產品會更加明顯，而這類型的水路設計通常被稱為異型油路(Conformal Cooling)。

利用3D 金屬列印來製作加熱油路將可以有效減少加熱時間，以及均勻給予模具熱量。加熱時間減少將可以縮短整個生產週期，增加生產效率；而均勻給予模具熱量，則能使模具內溫度分佈較為平均，以此避免產生翹曲。因此藉由3D 金屬列印來製作加熱油路以有效改善上述兩點，並以此達到縮減加熱時間和改善產品品質之目的。

本研究是將相同尺寸的產品，在不同管路設計下和不同條件參數設置下，使用油當作加熱液。觀察產品透過油加熱熟成後，比較不同油路設計，其熟成速度的快慢，以及熟成後的溫度變化和體積收縮率變化，藉此來找出最佳化的油管設計。

研究目的

在射出成型過程中，冷卻時間往往佔成型週期的一半以上。而傳統水路由於其加工方式，往往難以貼近產品的幾何外型，容易使產品在模穴中產生積熱現象，造成產品冷卻溫度分佈不均，也因此容易發生翹曲現象。為減少冷卻時間與減少翹曲產生，設計者以3D金屬列印設計出更加符合要求的水路，藉此解決產品死角與積熱的地方。

本研究利用CAE 模流分析軟體分析在不同管路設計下，使用油當作加熱液，觀察產品透過油加熱熟成後，比較不同油路設計，其熟成速度的快慢，以及熟成後的溫度變化和體機收縮率變化，藉此來找出最佳化的油管設計。

圖1：產品尺寸圖圖2：成品網格模型圖

研究方法

研究方向
由於傳統水路相較於異型水路，難以貼近產品幾何外形，所以傳統水路的溫度分佈會較差，因此其體積收縮率也會較差。而同樣的問題也反映在了熟化程度，本研究主要針對不同管路的配置進行探討，比較其各自對產品的熟化程度和體積收縮率，並從中找出合適的方案。

模型幾何
模型幾何的探討項目可細分為「產品幾何」、「材料分析」、「油路設計」、「參數設定」。

• 產品幾何：產品件名稱為「半圓球殼」，球殼直徑為20 ｃｍ，厚度為8 ｍｍ，產品尺寸圖如圖1 所示。網格型態為Moldex3D-Mesh，其總網格數為396169，產品的網格模型圖如圖2 所示。

•參數設定：為檢測傳統油路與異型油路的轉化率，依表1 參數進行比較。

結果與討論

藉由圖5、圖6 能清楚知道冷澆道在模具內能確保液態矽膠在射出成型的過程當中，避免高模溫而導致澆口固化，同時也能了解傳統油路與異型油路模具的溫度分佈狀況。

成品轉化率分布
圖7、圖8、圖9 為異型油路轉化率分布圖，藉由三張圖片可以得知，從油溫來看，隨著溫度的增加，其成品的轉化率效果越好。

傳統油路與異型油路轉化率分布
藉由圖10、圖11、圖12 中傳統油路與異型油路轉化率之分布，可以從數值中看出異型油路轉化率相對高於傳統油路。

溫度分布
表2、表3、表4 為不同油路在相同的油管溫度下，其各自的冷卻溫度分布。從溫差及標準差來看，數值越小代表其溫度分佈越平均，也代表其溫度均勻性越好。

體積收縮率
顯示由高溫、高壓狀態下冷卻至常溫常壓下的體積變化百分比，若為正值代表體積收縮，而負值則代表可能由於過度保壓造成的體積膨脹。圖13 分別為兩種水路配置的體積收縮率分布圖。

圖3：外部異型油路圖4：內部異型油路

而表5、表6、表7 則為不同油路在相同的油管溫度下，其各自體積收縮率的分布情形。從標準差及差值來看，標準差越小，代表體積收縮率越均勻，不均勻的體積收縮率分布會導致塑件翹曲與脫模變形。

結論

透過本次實驗，一共得出下列三項結論，敘述如下：
• 藉由Moldex3D 分析模擬異型油路相對於傳統油路，可得知異型油路由於接觸面積較大，故熱傳導效果較佳。
• 較高的油溫能使成型品增加熟化速率，並減少產品生產週期。
• 依分析結果，可得知在相同油溫下，異型油路能將熱能均勻傳導於成型品，熟化分佈較為均勻，體積收縮率較小。

本文由曾世昌教授與廖健何、林昱圻兩位碩士生所共同撰寫。

參考文獻

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表1：加熱油路參數設定