水路設計
關注創建者：ACMT協會 創建時間：2023-06-27
水路設計的視頻教程
關于物理發泡注塑成型時，模具設計有哪些注意事項？
如果不能設計水路，需要有導熱針 選擇使用鍍銅等熱傳導系數高的材料冷卻積熱區域 產品表面如果發生鼓包Post-Blow —— 局部熱點未被充分冷卻 —— 膠位較厚，未做掏空處理，或柱位較長
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水路設計的實例教程
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。
圖3 模具隨形水路自動設計生成過程
在增材模具制造領域，除了水路設計是個耗時的工作之外，通過對工作流程的詳細分析也可以看到，很多情況需要針對設計的隨形水路做仿真分析，提供模流分析報告給最終用戶，以對比驗證隨形水路和傳統水路優劣、以及不同隨形水路設計方案的選擇。
但是，模流分析相對水路設計，對技術要求更高，且是一個更加耗時的過程，以一般水路設計時間是半天時間對比，模流分析需要1到3天甚至更久。創成云SaaS平臺提供輕量化的快速仿真分析工具，仿真時間與自動化水路設計時間相當，給設計師提供快速仿真結果支持。目前，我們支持隨形水路的流速、壓力以及溫度場等關鍵信息快速仿真，能夠在水路設計之后進行輔助驗證，及時看到仿真結果，加快設計迭代優化速度。
展開 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 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 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 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
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第三屆全國“適創杯”模具設計挑戰賽小噸位組參賽團隊——鄭州日新精密機械有限公司大象隊，在模具細節上做足功夫，設計雙螺旋冷卻水路、3D打印內冷鑲件、增加排水防塵、增加快換機構等，既保證了品質，也方便生產維護，在不大幅增加成本的基礎上，使工藝出品率達到64.9%。
本期內容就讓我們一起來解讀他們的設計作品。
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。
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
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
圖五(a)中使用原始水路設計，靠近隔板式水路端，模具溫度在圓管內外分布均勻;而遠離隔板式水路端，圓管內部無法有效散熱，溫度明顯較高。圖五(b)則采用異型水路設計，由于水路可沿著圓管內部幾何造型排列，管內外無明顯溫差，也不會出現產品兩端溫度分布不均的情況。
圖五 模座溫度剖面圖：(a)原始隔板式水路設計；(b)異型水路設計
原始水路設計無法均勻降溫，造成產品嚴重的變形問題。
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
本研究建立一測試系統，監控模具溫度場及流場，并根據實際熱傳效能來輔助模型建立與參數設定，提高異型水路的設計效能。
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異冷卻效率的模具，選用的模具材質為高硬度的不銹鋼，在3D打印生產前，先使用Moldex3D模擬結果協助客戶判斷模具的特定關鍵區域是否達到預期，評估項目包括溫度分布及異型水路的流場效能。
?查驗水路設計于成型過程中之效益，及對產品質量之影響，包括體縮率，翹曲，雷諾數，等。
?優化模具及產品設計。
?加速了解問題原因及解決問題。
?知識累積進而制定設計準則。
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
然而每一副模具的水路設計都不同，為不同設計的水路購買模溫機會產生大量成本，所以要怎么確認目前手上的模溫機可以與水路搭配呢?在回答這個問題之前，我們先要來了解甚么是水路系統。
