大綱

本研究以熱像儀搭配壓力/流量計構(gòu)成的監(jiān)測系統(tǒng)，對積層制造（3D打?。┲谱鞯蔫偧砻鏈囟燃爱愋退返牧髁啃苓M行實時監(jiān)控，并與相同條件下的Moldex3D模擬結(jié)果進行比對，結(jié)果顯示仿真與實際測試一致，能有效降低復(fù)雜產(chǎn)品的開發(fā)成本。

挑戰(zhàn)

? 評估在投入生產(chǎn)前設(shè)計不銹鋼異型水路取代鈹銅高導(dǎo)熱的效益

? 模擬結(jié)果須與真實匹配性高

? 測試系統(tǒng)做為3D打印異型水路模具的效能驗證工具

解決方案

利用模座預(yù)熱模塊重現(xiàn)異型水路模具的熱成像溫度分布

效益

? 模擬與實際測試結(jié)果一致

? 模具壽命增加一倍

? 模具制造成本為原本鈹銅模具的一半

案例研究

水路設(shè)計對于塑料成型的模溫差與翹曲的影響甚為重要，而以積層制造/3D打印方式制造的異型水路能夠改善傳統(tǒng)水路的缺點，包括降低熱點溫度、減少制程周期時間等。但異型水路制作成本較高，需要搭配精確的模擬分析以提高應(yīng)用普及度。本研究建立一測試系統(tǒng)，監(jiān)控模具溫度場及流場，并根據(jù)實際熱傳效能來輔助模型建立與參數(shù)設(shè)定，提高異型水路的設(shè)計效能。

綜合上述，將使用3D打印的方式制造另一兼具使用壽命長與優(yōu)異冷卻效率的模具，選用的模具材質(zhì)為高硬度的不銹鋼，在3D打印生產(chǎn)前，先使用Moldex3D模擬結(jié)果協(xié)助客戶判斷模具的特定關(guān)鍵區(qū)域是否達到預(yù)期，評估項目包括溫度分布及異型水路的流場效能。

分析完成后，由水路的速度仿真結(jié)果可知，出水口流速約84.35cm/s，經(jīng)由換算得到流量為3.97L/min，而實際測量的流量值為3.80L/min，兩者結(jié)果相當接近。

實驗進一步使用熱像儀紀錄模具升溫過程的溫度分布。由圖一比較溫度結(jié)果可知，仿真與實際測試的結(jié)果一致，呈現(xiàn)相同的分布趨勢，且隨時間增加，溫度分布逐漸趨于均勻。將熱像儀測得的數(shù)據(jù)制成溫度曲線并與仿真結(jié)果比較，趨勢基本上相符，只是在前期的數(shù)值上有些誤差，若以最后一秒的溫度來比較，實驗與模擬的溫差約為1.3°C。

圖一、各時間點的溫度分布比對

比較原始設(shè)計的鈹銅材質(zhì)與優(yōu)化設(shè)計的不銹鋼材質(zhì)(圖二)，盡管不銹鋼的熱傳效果未及鈹銅，但異型水路設(shè)計彌補了這個缺點。此外，不銹鋼高硬度的性質(zhì)大幅提升了模具的耐磨性，延長模具壽命。經(jīng)由客戶端測試，模具在相同的周期時間可達到相同的冷卻效果，且優(yōu)化設(shè)計后的模溫變得更均勻，而均勻的溫度分布可減少產(chǎn)品因模溫差造成的翹曲。

圖二、原始設(shè)計（鈹銅） vs. 優(yōu)化設(shè)計（不銹鋼）

結(jié)果

本研究利用 Moldex3D 預(yù)測異型水路的溫度場與流場，并與實際現(xiàn)場數(shù)據(jù)進行驗證，成功將高成本的鈹銅模具替換為制造成本更低的不銹鋼模具。不僅降低對環(huán)境的影響，模具壽命更提升至原來的兩倍，同時使模具的溫度分布更加均勻。由于高階產(chǎn)品的開發(fā)難度和模具成本較高，Moldex3D 模流分析在模具開發(fā)與優(yōu)化方面提供了重要支持，能有效縮短開發(fā)時程，降低開發(fā)失誤，并提升整體效率。