大綱

射出成型中，質量不佳的冷卻系統會導致溫度分布不均，造成冷卻時間延長，以及翹曲增加；有銳角的冷卻水路更會提高應用上的難度。冷卻水路的優化，過去需要耗費大量的資金和時間；但在導入Moldex3D后即可大幅改善這些問題、縮短優化流程，并減少資源的消耗。在本項目中，BME團隊提出運用智慧成型以簡化工作流程的想法，并說明如何藉由冷卻優化來程節省制造時間。該團隊試驗三種不同材質之模具嵌件(圖一)、以及用傳統方法及 Moldex3D 打造的冷卻水路(圖二)。經過試驗不同組合(圖三)，順利選出最佳冷卻水路設計，從而縮短周期時間并減少翹曲。

圖一 不同材質的模具嵌件

圖二 (a)傳統水路；(b)異型水路，包括(b1)雙模穴及(b2)單模穴

圖三 用不同的模具材質與水路組合進行實驗：(a) P20模具搭配傳統水路、(b) 銅制模具搭配傳統水路、(c)DMLS: MS1模具搭配異型水路、(d) Hybrid: MS1和銅復合模具，搭配異型水路

挑戰

1、傳統的冷卻水路設計，無法適當地冷卻車頂零件

2、冷卻不當時，冷卻時間會變長，連帶導致生產成本上升

3、冷卻不均勻會導致較大的翹曲

4、傳統方式的冷卻優化需要耗費大量資源

圖四 圖為實驗中使用DMLS設計(上排)與Hybrid設計(下排)分別在冷卻(a)4秒、(b)5秒、(c)5.5秒及(d)6秒之后，于頂出時的溫度分布。

解決方案

研究人員試驗了三種材質的模具嵌件、并分別搭配傳統及異型水路。Moldex3D能幫助加快冷卻優化的速度、簡化作業，并降低成本消耗。透過Moldex3D可視化模穴內部的功能，BME團隊得以檢驗溫度分布及冷卻效率。使用異型冷卻水路時，能均勻地進行冷卻、縮短周期，以及減少翹曲(圖五、六)。

圖五 仿真周期開始后，達到頂出溫度時的等值面：(a) t = 9.95 s (b) t = 10.95 s (c) t = 11.95 s and (d) t = 12.95 s

圖六 模擬開模時的表面溫度：(a) t = 0 s (b) t = 1.5 s (c) t = 3 s and (d) t = 4.5 s

效益

• 冷卻優化時間縮短 80%

• 材料用量從 5 kg 減為 0 kg

• 減少能源用量

• 翹曲減少 30%

• 冷卻時間縮短 18%

案例研究

本項目目的為比較傳統水路與「智能」水路設計的效率。BME團隊透過實驗嘗試縮短成型周期并減少翹曲。首先以原始的成型參數進行仿真，結果發現產品翹曲后的形狀維持不變；在使用異型水路時，翹曲程度則較傳統的輕微。而P20嵌件的設計翹曲量最小；混和嵌件的翹曲量最大(圖七)。

圖七 模擬模具嵌件的翹曲結果：(a)P20、(b)銅制、(c)DMLS、(d) Hybrid

BME團隊使用GOM光學量測儀來測量實際翹曲，如圖八所示。使用銅制水路的產品翹曲量最大，與模擬結果不同，原因應是實際上的冷卻時間較短(圖九)。銅制嵌件冷卻外殼的速度很快，核心處溫度卻還是很高，因此產品頂出后會有較大的翹曲。

圖八 GOM光學量測儀

圖九 實際測量不同嵌件的翹曲：(a)P20、 (b)銅制、(c)DMLS、(d) Hybrid

接著透過實驗來驗證設計。傳統與智能水路的檢驗結果相同；實際上，使用銅制嵌件可以達到快速生產的目標，但產品卻會產生極大的翹曲。因此BME團隊認為最佳的設計為混和模具嵌件，可達到最少的翹曲和最短的周期時間(圖十)。透過Moldex3D的幫助，他們將整體的檢驗時間縮短了四分之一，且減少資源消耗。

圖十 實驗及模擬結果對照

結果

相較于未使用Moldex3D的情形，BME團隊在Moldex3D的輔助下，將冷卻時間縮減了80%，將材料的使用從5公斤降至0，并節省能源消耗。經過冷卻優化后，冷卻時間則縮短18%，翹曲也成功降低了30%。