Moldex3D模流分析之布达佩斯科技经济大学利用Moldex3D缩短18%冷却时间

 

大纲

射出成型中，质量不佳的冷却系统会导致温度分布不均，造成冷却时间延长，以及翘曲增加；有锐角的冷却水路更会提高应用上的难度。冷却水路的优化，过去需要耗费大量的资金和时间；但在导入Moldex3D后即可大幅改善这些问题、缩短优化流程，并减少资源的消耗。在本项目中，BME团队提出运用智慧成型以简化工作流程的想法，并说明如何藉由冷却优化来程节省制造时间。该团队试验三种不同材质之模具嵌件(图一)、以及用传统方法及 Moldex3D 打造的冷却水路(图二)。经过试验不同组合(图三)，顺利选出最佳冷却水路设计，从而缩短周期时间并减少翘曲。

图一 不同材质的模具嵌件

图二 (a)传统水路；(b)异型水路，包括(b1)双模穴及(b2)单模穴

图三 用不同的模具材质与水路组合进行实验：(a) P20模具搭配传统水路、(b) 铜制模具搭配传统水路、(c)DMLS: MS1模具搭配异型水路、(d) Hybrid: MS1和铜复合模具，搭配异型水路

挑战

1、传统的冷却水路设计，无法适当地冷却车顶零件

2、冷却不当时，冷却时间会变长，连带导致生产成本上升

3、冷却不均匀会导致较大的翘曲

4、传统方式的冷却优化需要耗费大量资源

图四 图为实验中使用DMLS设计(上排)与Hybrid设计(下排)分别在冷却(a)4秒、(b)5秒、(c)5.5秒及(d)6秒之后，于顶出时的温度分布。

解决方案

研究人员试验了三种材质的模具嵌件、并分别搭配传统及异型水路。Moldex3D能帮助加快冷却优化的速度、简化作业，并降低成本消耗。透过Moldex3D可视化模穴内部的功能，BME团队得以检验温度分布及冷却效率。使用异型冷却水路时，能均匀地进行冷却、缩短周期，以及减少翘曲(图五、六)。

图五 仿真周期开始后，达到顶出温度时的等值面：(a) t = 9.95 s (b) t = 10.95 s (c) t = 11.95 s and (d) t = 12.95 s

图六 模拟开模时的表面温度：(a) t = 0 s (b) t = 1.5 s (c) t = 3 s and (d) t = 4.5 s

效益

• 冷却优化时间缩短 80%

• 材料用量从 5 kg 减为 0 kg

• 减少能源用量

• 翘曲减少 30%

• 冷却时间缩短 18%

案例研究

本项目目的为比较传统水路与「智能」水路设计的效率。BME团队透过实验尝试缩短成型周期并减少翘曲。首先以原始的成型参数进行仿真，结果发现产品翘曲后的形状维持不变；在使用异型水路时，翘曲程度则较传统的轻微。而P20嵌件的设计翘曲量最小；混和嵌件的翘曲量最大(图七)。

图七 模拟模具嵌件的翘曲结果：(a)P20、(b)铜制、(c)DMLS、(d) Hybrid

BME团队使用GOM光学量测仪来测量实际翘曲，如图八所示。使用铜制水路的产品翘曲量最大，与模拟结果不同，原因应是实际上的冷却时间较短(图九)。铜制嵌件冷却外壳的速度很快，核心处温度却还是很高，因此产品顶出后会有较大的翘曲。

图八 GOM光学量测仪

图九 实际测量不同嵌件的翘曲：(a)P20、 (b)铜制、(c)DMLS、(d) Hybrid

接着透过实验来验证设计。传统与智能水路的检验结果相同；实际上，使用铜制嵌件可以达到快速生产的目标，但产品却会产生极大的翘曲。因此BME团队认为最佳的设计为混和模具嵌件，可达到最少的翘曲和最短的周期时间(图十)。透过Moldex3D的帮助，他们将整体的检验时间缩短了四分之一，且减少资源消耗。

图十 实验及模拟结果对照

结果

相较于未使用Moldex3D的情形，BME团队在Moldex3D的辅助下，将冷却时间缩减了80%，将材料的使用从5公斤降至0，并节省能源消耗。经过冷却优化后，冷却时间则缩短18%，翘曲也成功降低了30%。