模具水路設計的案例
CAE模流分析101招 -第 43 招、模具水路設計對產品翹曲變形的影響【水路設計篇】
CAE模流分析101招 -第 43 招、模具水路設計對產品翹曲變形的影響【水路設計篇】
■ Moldex3D/ 林秀春 協理
【內容說明】
在射出成型模具中，冷卻系統的設計甚為重要。因為唯有將成型塑件冷卻固化至具備相當剛性，脫模后才可避免塑件因脫模外力產生變形。由于冷卻時間占整個成型周期約70-80%，因此設計良好之冷卻系統可以大幅縮短成型時間，提高產率，縮短成本。
若冷卻設計不當，如水路管徑太小、水路數量太少、距離塑件太遠等，冷卻系統將會使成型時間拉長，增加成本；而冷卻不均勻更會進一步造成塑件的翹曲變形。
案例成果分析
此案例完成分析結果確認水路設計，并開始執行完成3D 金屬打印模仁后，正式進行射出成型實務驗證。本次使用3D 金屬打印設備OPM250，打印尺寸240*240*150mm 的母模仁。并且透過紅外線熱顯像儀器驗證異型水路設計，可有效將模具內溫度帶走。透過2.5D 投影量測方式，量測尺寸的翹曲變形，確認相關尺寸都得到改善，改善幅度從25%~50%，而實際生產的冷卻時間也改善幅度達25% 以上，由分析與現場成果驗證可得知，異型水路能夠有效縮短成型周期和改善翹曲變形問題。
展開 創成云SaaS平臺隨形水路自動化設計，即將上線
并且，隨著3D打印模具應用越來越廣泛，隨形水路設計師的需求以及現有設計師設計產能的瓶頸對行業發展的制約越發凸顯；
安世亞太DfAM增材賦能業務部，在模具增材制造領域資深的專家和工程師的配合下，通過對增材模具設計工作流程的詳細調研和分解，結合創成式設計算法的優勢，經過長時間的技術研究和攻堅，開發完成了隨形水路自動設計算法。
創成云隨形水路，可以在僅輸入基礎條件下，一鍵自動生成隨形水路，極大程度提高了水路設計的效率，將模具和相關企業設計以及產能推向新的高度。
圖1 模具自動隨形水路設計進化過程
創成云的隨形水路自動生成模塊，可以通過云端上傳模型，平臺智能快速全面解析三維數據，允許工程師根據設計需求編輯和調整技術參數，定義好設計參數后，平臺將由AI自動算法完成水路設計工作，取代傳統人工繪制水路的設計方式，快速生成隨形水路方案，交互界面可以展示整個自動化水路生成過程。
程序允許用戶對設定的參數進行調整和修改，以及對計算生成的結果進行下載和再編輯，整個計算分析過程根據模型數據大小、水路復雜程度、網速等因素，自動水路生成時間是以秒或者分鐘計算。
圖2 模具隨形水路自動設計操作流程
經過我們的實際驗證，隨形水路自動設計算法能夠實現單條和多條水路自動設計、依據模具和膠位面形狀自動變徑變截面的水路設計、特殊模具需要長直段非隨形水路設計以及適用嫁接打印模具應用等情況，可以滿足注塑模具、壓鑄模具80%以上的水路設計要求，對各種模具樣式均具有普適性。
展開 模具水路設計要點以及注意事項
重點：
模具成型周期中冷卻時間占成型周期75%以上，所以說水路設計是直接決定產品成型周期和產品質量的最重要的因素。
如圖所示：
水路設計原則：
1，水路中心距控制在水路直徑的3~5倍；
2，水路與產品面的中心距控制在1.5~2.5倍。
如圖所示：
前后模仁水路排布盡量均勻，在有條件的情況下，水路盡量設計在產品拐角處，因為產品拐角處會產生應力變形，包緊力也相比平面來說也要大很多。
如圖所示：
當產品肉厚不均的情況下，可以采用水路位置微調，來保證產品冷卻均勻的一致性。
如圖所示：
水路設計連通時，不能按照左圖所示，這樣有話，水路連通時會造成鉆頭卡死與斷裂，建議改為右所示，方便水路連通。
水路連通原則：優先加工長水路，再進行短水路連通；
為什么要優先加工長水路呢？
原因很簡單，因為當鉆頭長度越長的時間，彈性變形就越大，特別在連能的一瞬間鉆頭的受力會很大，會造成鉆頭斷裂，所以當長水路直接加工時，中途沒有讓位空間時，就不會造成瞬間受力大的問題。
如圖所示：
為了確保冷卻效果的最佳狀態，進水口優先設計在高熱量的區域，正常情況下模具澆口區域的溫度會大于其它區域的溫度，這樣有效達到水路冷卻的效果。
展開 注塑模具溫度控制——水路設計與優化
注塑模具溫度控制——水路設計與優化
塑膠模具設計中，為什么有些地方需要做鑲件？
5、增加模具的使用壽命
一般情況下，模具需要設計鑲件的地方，往往是容易損壞的地方，比如一些尖鋼薄鋼的地方，一旦鑲件損壞就可以更換，從而延長模具的使用壽命。
6、傳導模具溫度
一般情況下，模具是通過設計水路進行冷卻的，但是有些地方沒法設計水路或水路到不了，這些地方就可以通過做鑲件進行散熱，當然此鑲件的材料必須得選擇熱傳導性能比較好的材料，比如鈹銅等。
三、 當然了，模具做鑲件也是有一定缺陷的，比如以下幾點：
1、增加模具裝配上的難度；
2、在鑲件的周圍容易產生溢膠飛邊；
3、模具做鑲拼結構有時會提高模具設計加工費用，從而提高成本；
4、太多的鑲拼結構，將會影響模具冷卻水路的設計；
5、太多的鑲拼結構，將會影響模具模具型芯的強度。
四、總結
鑲件在模具上已經是很常見的一種結構了，雖然是有缺陷，但優勢也很明顯，模具設計時應根據具體產品結構判斷那些地方需要做鑲件，哪些地方可以原身留沒必要做鑲件，同時需要注意的是，做鑲件的地方一般都會有鑲件痕或鑲件線，開模檢討時需要客戶確認是否能接受。
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展開 在模具設計中，如何判斷哪些地方需要做鑲件呢？
5、增加模具的使用壽命
一般情況下，模具需要設計鑲件的地方，往往是容易損壞的地方，比如一些尖鋼薄鋼的地方，一旦鑲件損壞就可以更換，從而延長模具的使用壽命。
6、傳導模具溫度
一般情況下，模具是通過設計水路進行冷卻的，但是有些地方沒法設計水路或水路到不了，這些地方就可以通過做鑲件進行散熱，當然此鑲件的材料必須得選擇熱傳導性能比較好的材料，比如鈹銅等。
三、 當然了，模具做鑲件也是有一定缺陷的，比如以下幾點：
1、增加模具裝配上的難度；
2、在鑲件的周圍容易產生溢膠飛邊；
3、模具做鑲拼結構有時會提高模具設計加工費用，從而提高成本；
4、太多的鑲拼結構，將會影響模具冷卻水路的設計；
5、太多的鑲拼結構，將會影響模具模具型芯的強度。
從加工效率方面。有些大模鑲成幾個小件，分開加工，可以節省時間。一般情況下鑲件分兩種，鑲通和盲鑲。對于一些較小的鑲件，可以用Y-CUT線割的形式，用掛臺定位。對于一些較大的鑲件，如60X60以上的，可以采取盲鑲的形式，有鏍絲掛住。加工相對困難，卻保證了模具的強度。
鑲件的材料：沒有擦穿的鑲件，材料與模仁料可以做到一樣。
如果有擦穿的鑲件，材料可以與模仁料一樣，只不過硬度加高2度，或是不同硬度的材料。
然后就是在設計掛臺之時，得留意加工的難易度以及基準位置，以方便線割和磨床加工。掛臺的尺寸一般可以設計為5X2.0MM或者4X3MM。
還有掛臺應該放在鑲件的平直位置，如圖
掛臺應該短過平邊0.5-2.0，這是為了方便線割R角。
展開 Moldex3D仿真分析之運用冷卻水路回路精靈有效建構模具冷卻系統
另外，透過標記工具中的標記軟管，可將該彎管線條標注為軟管水路，完成后該線段會以加粗的綠色軟管顯示
最后藉冷卻水路回路精靈協助，整理其他不同群組的水路回路，生成個別的水路曲線，并自動編入水路中的各組別，成為完整的模具冷卻水路群，方便使用者后續管理及進行分析。
EzSerials 將3D設計的流道,水路輸出到Moldflow
在UGNX4下開發的程序,可以將3維的流道,水路轉成UDM格式,輸出到MDA或MPI.詳細情況請瀏覽www.anycasting.com.sg/ez.htm. 有在線的Demo. 你也可以在線申請試用版.
Moldex3D模流分析之如何評估模溫機與水路是否兼容
除了知道水路分析的水管流量，再配合模溫分析觀察是否達到目標模溫，藉此評估此模溫機是否適用于當前的模具水路。
圖三 Moldex3D設定水路邊界條件接口
圖四 Moldex3D分析流量與壓力關系
總結
對于模溫機廠商而言，不可能了解客戶每一個模具的水路設計，而對于客戶而言，為了每一套模具購買不同模溫機并不劃算。 因此大部份情況下是以模具大小、塑件大小及模溫需求，推測目前模溫機與模具是否可以搭配，再根據現場模溫狀況更精準地調整模溫機。 但有些水路設計較為特別，特別是異型水路(conformal cooling) 設計，往往并非標準的長條圓形水管，較不容易從經驗上評估模溫機。此時在Moldex3D的協助下，透過輸入水路系統信息，包含模溫機規格及水路幾何，就可以有更多參考信息預先判斷模溫機的表現能力。
展開 Moldex3D模流分析之冷卻水路彈性與復雜設計
為什么使用異型水路?
異型水路是一種特殊的冷卻水路設計。冷卻水路的配置可以做到幾何變化非常彈性與復雜。對于射出成型的主要的幫助是可以縮短成型周期時間(可達20 ~ 60%)、提升產品尺寸精度、改善表面凹痕…等。異型水路的定義是指模具內用來進行冷卻或加熱的水路是隨著模具的成品表面保持一定距離，以利有效的控制與管理模具的溫度條件。在幾何復雜的產品中，此種水路設計將可以有效移除傳統水路無法深入或到達區域的積熱。因此，提供更好的冷卻效率、縮短周期時間而降低生產成本，幫助提升產品質量等優點，是我們采用異型水路的主要原因。
挑戰
? 如何減少塑件射出成型中常見的問題，包含凹痕、翹曲、周期時間過長等
? 優化冷卻水路系統的設計以達到模溫差與翹曲變形量最小化的需求
? 改善冷卻效率 (幫助用戶達成產品的質量要求)
Moldex3D 解決方案
? 預測要達到期望的成型周期時間所需要的冷卻液流率為何
? 預測冷卻水路設計中可能發生的壓力損耗問題
? 避免冷卻水路設計中有渦流/死水的區域
? 透過真實三維的網格技術來模擬隔板與噴泉水路的設計
展開 Moldex3D模流分析之異型水路設計Conformal Cooling
為什么使用異型水路?
異型水路是一種特殊的冷卻水路設計。冷卻水路的配置可以做到幾何變化非常彈性與復雜。對于射出成型的主要的幫助是可以縮短成型周期時間(可達20 ~ 60%)、提升產品尺寸精度、改善表面凹痕…等。異型水路的定義是指模具內用來進行冷卻或加熱的水路是隨著模具的成品表面保持一定距離，以利有效的控制與管理模具的溫度條件。在幾何復雜的產品中，此種水路設計將可以有效移除傳統水路無法深入或到達區域的積熱。因此，提供更好的冷卻效率、縮短周期時間而降低生產成本，幫助提升產品質量等優點，是我們采用異型水路的主要原因。
挑戰
? 如何減少塑件射出成型中常見的問題，包含凹痕、翹曲、周期時間過長等
? 優化冷卻水路系統的設計以達到模溫差與翹曲變形量最小化的需求
? 改善冷卻效率 (幫助用戶達成產品的質量要求)
Moldex3D 解決方案
? 預測要達到期望的成型周期時間所需要的冷卻液流率為何
? 預測冷卻水路設計中可能發生的壓力損耗問題
? 避免冷卻水路設計中有渦流/死水的區域
? 透過真實三維的網格技術來模擬隔板與噴泉水路的設計
展開 
Moldex3D模流分析金屬脫蠟精密鑄造之異型水路設計
為什么使用異型水路?
異型水路是一種特殊的冷卻水路設計。冷卻水路的配置可以做到幾何變化非常彈性與復雜。對于射出成型的主要的幫助是可以縮短成型周期時間(可達20 ~ 60%)、提升產品尺寸精度、改善表面凹痕…等。異型水路的定義是指模具內用來進行冷卻或加熱的水路是隨著模具的成品表面保持一定距離，以利有效的控制與管理模具的溫度條件。在幾何復雜的產品中，此種水路設計將可以有效移除傳統水路無法深入或到達區域的積熱。因此，提供更好的冷卻效率、縮短周期時間而降低生產成本，幫助提升產品質量等優點，是我們采用異型水路的主要原因。
挑戰
? 如何減少塑件射出成型中常見的問題，包含凹痕、翹曲、周期時間過長等
? 優化冷卻水路系統的設計以達到模溫差與翹曲變形量最小化的需求
? 改善冷卻效率 (幫助用戶達成產品的質量要求)
Moldex3D 解決方案
? 預測要達到期望的成型周期時間所需要的冷卻液流率為何
? 預測冷卻水路設計中可能發生的壓力損耗問題
? 避免冷卻水路設計中有渦流/死水的區域
? 透過真實三維的網格技術來模擬隔板與噴泉水路的設計
展開 Moldex3D仿真分析之仿真驅動和AI加速的工作流程優化異型水路設計
IPC團隊采用「仿真優先」的工作流程，并結合基于主成分分析（PCA）的目標篩選、類神經網絡（ANN）代理模型，以及多目標演化優化，該團隊成功將過去須耗時數周的傳統試誤法，轉為一套結構化、以數據為導向的搜尋流程，能有效找出最佳的模具與制程設計方案。
模擬與AI：優化設計決策的關鍵推手
冷卻通常占整個射出成型周期的70%-80%，也是造成殘余應力、翹曲和位移的主要原因。雖然異型水路（Conformal Cooling Channels，CCC）有助于緩解上述問題，但其水路配置便是一個涉及周期時間、溫度條件及可制造性的多目標難題。為了應對這項挑戰，IPC團隊利用Moldex3D來評估設計方案，并藉助AI有效權衡最佳方案，而這種方法也使該團隊能穩定獲得優于傳統水路配置的溫度分布、成型周期時間。
應用焦點：采異型水路的薄壁杯
為具體說明該方法，IPC團隊展示一個薄壁杯的案例。他們用Moldex3D來評估水路配置、直徑與間距，同時透過AI縮短搜索范圍并識別有效設計方案。藉由這套工作流程，所預測的成型周期較傳統配置明顯縮短，成功展現異型水路結合AI，便能以簡易的驗證方式來加速設計優化。
圖一、異型水路設計范例
IPC團隊的工作流程
射出成型的項目往往需要追蹤數十項數據。IPC團隊首先透過主成分分析（PCA），在確保不遺漏問題本質的情況下，縮減優化目標。接著運用Moldex3D模擬分析結果來訓練類神經網絡（ANN）代理模型，以快速預測溫度與冷卻時間。該團隊也采用多目標演化算法（MOEA）高效探索數千種可行設計，再透過Moldex3D驗證出最具效益的方案。最后，透過繪制帕雷托前沿（Pareto Front）來清楚呈現各指標間的權衡關系（例如：須犧牲多少成型周期時間來獲得更均勻的溫度分布），而非提供單一的最佳值。
展開 Moldex3D模流分析之金屬成型解決方案
Cast-Designer可以應用于：高壓鑄造、重力鑄造、熔模鑄造、低壓鑄造、傾轉鑄造、離心鑄造、差壓鑄造、觸變鑄造、殼型鑄造、消失模鑄造、連續鑄造、DISA工藝，自帶的專家數據庫，可以協助工程師完成美國階段的工作，尤其是最為關鍵的澆注系統設計，不用借助CAD工具和以往的經驗去設計澆口和流道水路，在Cast-Designer中就可以輔助完成澆注系統設計，同時Cast-Desiger也相對于一臺虛擬的壓鑄及，可以替代實際的試模和試制，可以預測以下內容：
充填： 凝固:
–鑄造過程以動畫顯示 –凝固時間預測
–確認澆注系統的設計最佳化 –確認模具熱點
–確認澆口速度/澆口尺寸 –確認模具水路設計及溫度分布
–確認氧化膜集中區域 –確認縮孔位置及其嚴重性
–確認卷氣發生的位置 –計算應力分布及變形
–各澆口的貢獻度
Cast-Designer給企業帶來的效益
1.Cast-Designer幫您確定：
–產品DFM評估，可為您提供產品肉厚、拔模斜度、過切位置、圓角半徑分析，產品收縮分析評估等
–最佳的內澆口、流道、排氣溢流槽的設計方案
–冷卻管路的排布
–快速的澆注系統設計
–壓鑄機機臺最優的機臺工藝參數
展開 Moldex3D模流分析之金屬成型解決方案
Cast-Designer可以應用于：高壓鑄造、重力鑄造、熔模鑄造、低壓鑄造、傾轉鑄造、離心鑄造、差壓鑄造、觸變鑄造、殼型鑄造、消失模鑄造、連續鑄造、DISA工藝，自帶的專家數據庫，可以協助工程師完成美國階段的工作，尤其是最為關鍵的澆注系統設計，不用借助CAD工具和以往的經驗去設計澆口和流道水路，在Cast-Designer中就可以輔助完成澆注系統設計，同時Cast-Desiger也相對于一臺虛擬的壓鑄及，可以替代實際的試模和試制，可以預測以下內容：
充填： 凝固:
–鑄造過程以動畫顯示 –凝固時間預測
–確認澆注系統的設計最佳化 –確認模具熱點
–確認澆口速度/澆口尺寸 –確認模具水路設計及溫度分布
–確認氧化膜集中區域 –確認縮孔位置及其嚴重性
–確認卷氣發生的位置 –計算應力分布及變形
–各澆口的貢獻度
Cast-Designer給企業帶來的效益
1.Cast-Designer幫您確定：
–產品DFM評估，可為您提供產品肉厚、拔模斜度、過切位置、圓角半徑分析，產品收縮分析評估等
–最佳的內澆口、流道、排氣溢流槽的設計方案
–冷卻管路的排布
–快速的澆注系統設計
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