以异型油路及模流分析改善 LSR 注塑成型模温及翘曲变形

■云林科技大学 / 曾世昌 教授 (转载自ACMT电子技术月刊）

摘要

由于 3D打印技术发展飞快，使得设计者能够利用3D金属打印，来设计出更加符合要求的油路，在设计时能够贴近产品轮廓，藉此来解决产品死角与积热的地方。在几何形状越复杂的产品会更加明显，而这类型的水路设计通常被称为异型油路(ConformalCooling)。

利用3D金属打印来制作加热油路将可以有效减少加热时间，以及均匀给予模具热量。加热时间减少将可以缩短整个生产周期，增加生产效率；而均匀给予模具热量，则能使模具内温度分布较为平均，以此避免产生翘曲。因此藉由3D金属打印来制作加热油路以有效改善上述两点，并以此达到缩减加热时间和改善产品质量之目的。

本研究是将相同尺寸的产品，在不同管路设计下和不同条件参数设置下，使用油当作加热液。观察产品透过油加热熟成后，比较不同油路设计，其熟成速度的快慢，以及熟成后的温度变化和体积收缩率变化，藉此来找出最佳化的油管设计。

研究目的

在注塑成型过程中，冷却时间往往占成型周期的一半以上。而传统水路由于其加工方式，往往难以贴近产品的几何外型，容易使产品在模穴中产生积热现象，造成产品冷却温度分布不均，也因此容易发生翘曲现象。为减少冷却时间与减少翘曲产生，设计者以3D金属打印设计出更加符合要求的水路，藉此解决产品死角与积热的地方。

本研究利用 CAE 模流分析软体分析在不同管路设计下，使用油当作加热液，观察产品透过油加热熟成后，比较不同油路设计，其熟成速度的快慢，以及熟成后的温度变化和体机收缩率变化，藉此来找出最佳化的油管设计。

研究方法

研究方向

由于传统水路相较于异型水路，难以贴近产品几何外形，所以传统水路的温度分布会较差，因此其体积收缩率也会较差。而同样的问题也反映在了熟化程度，本研究主要针对不同管路的配置进行探讨，比较其各自对产品的熟化程度和体积收缩率，并从中找出合适的方案。

模型几何

模型几何的探讨项目可细分为「产品几何」、「材料分析」、「油路设计」、「参数设定」。

•产品几何：产品件名称为「半圆球壳」，球壳直径为20ｃｍ，厚度为8ｍｍ，产品尺寸图如图1所示。网格型态为Moldex3D-Mesh，其总网格数为396169，产品的网格模型图如图2所示。

图 1：产品尺寸图

图 2：成品网格模型图

•材料分析：选用LSR2070材料进行Moldex3D材料分析。

•油路设计：本次研究以传统油路与异型油路比较成品在不同时间的转化率。图3、图4为异型油路之设计。

图 3：外部异型油路

图 4：内部异型油路

•参数设定：为检测传统油路与异型油路的转化率，依表1参数进行比较。

表 1：加热油路参数设定

结果与讨论

藉由图5、图6能清楚知道冷浇道在模具内能确保液态硅胶在注塑成型的过程当中，避免高模温而导致浇口固化，同时也能了解传统油路与异型油路模具的温度分布状况。

图 5：传统油路模具温度分布

图 6：异型油路模具温度分布

成品转化率分布

图7、图8、图9为异型油路转化率分布图，藉由三张图片可以得知，从油温来看，随着温度的增加，其成品的转化率效果越好。

图 7：成品熟化时间 40 秒温度分布

图 8：成品熟化时间 50 秒温度分布

图 9：成品熟化时间 60 秒温度分布

传统油路与异型油路转化率分布

藉由图10、图11、图12中传统油路与异型油路转化率之分布，可以从数值中看出异型油路转化率相对高于传统油路。

图 10：150℃转化率曲线图

图 11：175℃转化率曲线图

图 12：200℃转化率曲线图

温度分布

表2、表3、表4为不同油路在相同的油管温度下，其各自的冷却温度分布。从温差及标准差来看，数值越小代表其温度分布越平均，也代表其温度均匀性越好。

表 2：油管温度 150 度之温度分布

表 3：油管温度 175 度之温度分布

表 4：油管温度 200 度之温度分布

体积收缩率

显示由高温、高压状态下冷却至常温常压下的体积变化百分比，若为正值代表体积收缩，而负值则代表可能由于过度保压造成的体积膨胀。图13分别为两种水路配置的体积收缩率分布图。而表5、表6、表7则为不同油路在相同的油管温度下，其各自体积收缩率的分布情形。从标准差及差值来看，标准差越小，代表体积收缩率越均匀，不均匀的体积收缩率分布会导致塑件翘曲与脱模变形。

表 5：油管温度 150 度之体积收缩率分布

表 6：油管温度 175 度之体积收缩率分布

表 7：油管温度 200 度之体积收缩率分布

结论

透过本次实验，一共得出下列三项结论，叙述如下：

•藉由Moldex3D分析模拟异型油路相对于传统油路，可得知异型油路由于接触面积较大，故热传导效果较佳。

•较高的油温能使成型品增加熟化速率，并减少产品生产周期。

•依分析结果，可得知在相同油温下，异型油路能将热能均匀传导于成型品，熟化分布较为均匀，体积收缩率较小。■

本文由曾世昌教授与廖健何、林昱圻两位硕士生所共同撰写。

参考文献

[1].陈君弦，〈异型水路应用于U型版之冷却效益与翘曲之研究〉，云林科技大学，机械工程系硕士论文，(2016)[2].X.Xu,E.Sachs,S.Allen,M.Cima,“Designingconformalcoolingchannelsfortooling”,SolidFreeformFabricationProceedings,pp.131-146,1998.

[3].卢立轩，〈应用异型水路设计对球状结构注塑成型质量之研究〉，高雄应用科技大学，模具工程系硕士论文，(2012)

[4].H.S.ParkandN.H.Pham,“Designofconformalcoolingchannelsforanautomotivepart”,InternationalJournalofAutomotiveTechnology,Vol.10,No.1,pp.87-93,2009.

[5].A.B.M.Saifullah,S.H.Masood，“Finiteelementthermalanalysisofconformalcoolingchannelsininjectionmoulding”,5thAustralasiancongressonappliedmechanics,Brisbane,Australia,2007

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