水路設計的案例
創成云SaaS平臺隨形水路自動化設計，即將上線
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】
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 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 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 Moldex3D模流分析之層制造異型水路鑲件之設計與效能
圖一、各時間點的溫度分布比對
比較原始設計的鈹銅材質與優化設計的不銹鋼材質(圖二)，盡管不銹鋼的熱傳效果未及鈹銅，但異型水路設計彌補了這個缺點。此外，不銹鋼高硬度的性質大幅提升了模具的耐磨性，延長模具壽命。經由客戶端測試，模具在相同的周期時間可達到相同的冷卻效果，且優化設計后的模溫變得更均勻，而均勻的溫度分布可減少產品因模溫差造成的翹曲。
圖二、原始設計（鈹銅） vs. 優化設計（不銹鋼）
結果
本研究利用 Moldex3D 預測異型水路的溫度場與流場，并與實際現場數據進行驗證，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。由于高階產品的開發難度和模具成本較高，Moldex3D 模流分析在模具開發與優化方面提供了重要支持，能有效縮短開發時程，降低開發失誤，并提升整體效率。
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模流分析之成功驗證異型水路提升冷卻效能
冷卻結束時的表面溫度分布如下圖所示，溫布從57.82-129.95 ℃，低于傳統水路設計，除此之外，公模側的溫度分布，異型水路的設計也比傳統設計更均勻。
如果我們將兩組案例設定同樣的溫度范圍，我們可以看到異型水路組能有效移除公模側大部分的熱量，然而，最高溫的區域因為沒有水路經過，依然存在(紅色圈選處)。
以下是冷卻效率的比較，在傳統的設計里，由于隔板式水路無法接觸產品公模側表面，處于較低的冷卻水路只能吸收三分之一的總熱量。然而，在異型水路的設計中，貼近產品公模側表面水路的冷卻效率(53.73%)就遠高于下方隔板式水路的冷卻效率(1.16%)。
生產的周期時間是考慮水路設計的重點之一，比較傳統設計，異型水路設計可以減少10秒的周期，將近33%。
舉例來說，可以將凹痕值作檢視產品質量的指針。以下為傳統水路設計(冷卻30秒)和異型水路設計(冷卻20秒)的凹痕比較圖。我們可以由下圖中可看出所示的兩種水路設計凹痕預測值，異形水路的最大值較小。但是在紅色圈圈處的值卻接近。這個證明了兩個脫模狀態的一致性。
傳統水路凹痕位移值 0-0.148mm 異型水路凹痕位移值 0-0.105mm
整體而言，傳統的水路冷卻效果遭到局限，由于冷卻水路無法觸及產品表面因此很難做進一步改善。在這個案例中，我們可以發現異型水路設計可以有效降低冷卻時間并提升冷卻效率，同時確保產品質量。
展開 Moldex3D模流分析之零件質量解決方案
圖三 異型水路設計
圖四 改用異型水路后，公母模溫差分布圖
此外，由圖五中模座溫度剖面圖可更清楚觀察到，模具溫度受到不同的冷卻水路設計影響出現巨大差異。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。使用異型水路解決積熱問題后，產品變形的情況才獲得大幅改善，產品總變形量由原先3.8毫米下降至2.9毫米(圖六)，有效提升產品良率。
圖六 產品翹曲變形：(a)原始隔板式水路設計；(b)異型水路設計
最終，客戶運用Moldex3D協助修改與預測優化條件，經現場試模結果顯示，有效降低成型時間與翹曲。(圖7)
圖七 現場試模結果：(a)成型周期；(b)優化后產品
結果
Objectify Technologies Pvt. Ltd團隊運用直接金屬雷射燒結(DMLS)技術實現異型水路設計，經現場試模驗證，利用Moldex3D所預測新的異型水路冷卻時間僅需9秒，相較于使用隔板式水路時需要25秒，冷卻時間縮短65%，顯著提升整體產能。此外，冷卻后產品均勻的溫度分布導致變形量降低約25%，實現了產品質量的優化。研究結果證明，利用Moldex3D的卓越制程優化性能，可為制造業者提供了實質而可靠的解決方案，促使更高效的生產流程。
展開 Moldex3D模流分析之縮短3D打印產品的成型周期
圖三 異型水路設計
圖四 改用異型水路后，公母模溫差分布圖
此外，由圖五中模座溫度剖面圖可更清楚觀察到，模具溫度受到不同的冷卻水路設計影響出現巨大差異。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。使用異型水路解決積熱問題后，產品變形的情況才獲得大幅改善，產品總變形量由原先3.8毫米下降至2.9毫米(圖六)，有效提升產品良率。
圖六 產品翹曲變形：(a)原始隔板式水路設計；(b)異型水路設計
最終，客戶運用Moldex3D協助修改與預測優化條件，經現場試模結果顯示，有效降低成型時間與翹曲。(圖7)
圖七 現場試模結果：(a)成型周期；(b)優化后產品
結果
Objectify Technologies Pvt. Ltd團隊運用直接金屬雷射燒結(DMLS)技術實現異型水路設計，經現場試模驗證，利用Moldex3D所預測新的異型水路冷卻時間僅需9秒，相較于使用隔板式水路時需要25秒，冷卻時間縮短65%，顯著提升整體產能。此外，冷卻后產品均勻的溫度分布導致變形量降低約25%，實現了產品質量的優化。研究結果證明，利用Moldex3D的卓越制程優化性能，可為制造業者提供了實質而可靠的解決方案，促使更高效的生產流程。
展開 
Moldex3D模流分析之優化異型水路降低LED透鏡殘留應力
圖四(a)中的設計用異型水路代替了擋板；圖四(b)的設計則是在縫合線附近增加了一個冷卻水路。
圖四 異型水路設計
與原始設計相較，優化設計冷卻后溫度較低，分布也較均勻(圖五)。 預估冷卻時間會由15秒縮短至13秒，共縮短13%。異型水路(圖六)同時也改善了產品的殘留應力，達到更好的光學效能。
圖五 采異型水路設計后的溫度分布
圖六 采用異型水路設計后的殘留應力
研究進一步使用偏光鏡進行實際成型實驗，以確定產品的光學特性，結果如圖七所示。光彈條紋僅出現在流道和澆口處，代表菲涅爾透鏡具有良好的光學質量，也驗證了Moldex3D模擬結果的可行性。
圖七 以偏光鏡進行實際成型實驗，確定產品的光學特性
結果
東莞理工學院透過Moldex3D分析，優化異型水路的冷卻設計，解決了積熱問題，將冷卻時間從15秒縮短到13秒。同時也改善了產品的殘留應力和折射率，獲得更佳的光學質量。
展開 Moldex3D模流分析之Linear AMS借助Moldex3D異型水路分析縮短69%冷卻時間
對于生產者而言，首先要務就是能夠快速且高效率地制造產品；但若使用的是傳統鉆孔式冷卻水路，成型周期則不易縮短。為解決此問題，Linear AMS決定以異型水路取代傳統水路，并利用Moldex3D驗證新的水路設計帶來的效益，最后成功縮短冷卻時間，讓Linear AMS更有信心協助客戶解決冷卻問題。
挑戰
受限于傳統水路設計，冷卻時間過長
需要提升冷卻效能，縮短冷卻時間
解決方案
利用Moldex3D eDesign設計出優化異型水路，成功縮短冷卻周期。
效益
縮短69%的冷卻時間
創造市場競爭利基
案例研究
本案例產品為步qiāng*qiāng托組件，Linear AMS希望設計出合適的異型水路系統，以縮短冷卻時間；長期目標則是藉由異型水路的應用，有效協助客戶縮短成型周期。
由于Linear AMS希望提高產能，但又不想添加更多的模具與射出機。他們先以Moldex3D進行充填和保壓的模擬，并未發現嚴重的翹曲問題。接下來進行傳統水路(圖一)制程的仿真，發現在產品軸柄區域有嚴重的積熱現象。
圖一 原始水路設計
圖二 原始水路設計冷卻分析結果，顯示軸柄區域有積熱現象
為了縮短冷卻時間，Linear AMS更改了水路設計，使水路系統能更貼近產品輪廓(圖三)，軸柄處及產品內外側都有水路經過。設計變更后，再次以Moldex3D進行仿真，分析結果顯示溫度分布均勻度有顯著的改善(圖四)。
圖三 變更后的水路設計
圖四 水路設計變更后的仿真結果，溫度分布均勻度顯著改善
Moldex3D的分析技術，成功協助Linear AMS將成型周期從112秒縮減為35秒。這項突破讓客戶將來能夠在不必增加模具與射出機的支出成本下，大幅提高產能。
展開 Moldex3D模流分析之東莞理工學院利用Moldex3D異型水路降低透鏡殘留應力
圖二 原始水路系統的溫度分布
圖三 原始水路系統的殘留應力
研究團隊采用3D打印的異型冷卻水路來優化冷卻效果，共開發了兩種不同的異型水路，如圖四(a)、(b)。圖四(a)中的設計用異型水路代替了擋板；圖四(b)的設計則是在縫合線附近增加了一個冷卻水路。
圖四 異型水路設計
與原始設計相較，優化設計冷卻后溫度較低，分布也較均勻(圖五)。 預估冷卻時間會由15秒縮短至13秒，共縮短13%。異型水路(圖六)同時也改善了產品的殘留應力，達到更好的光學效能。
圖五 采異型水路設計后的溫度分布
圖六 采用異型水路設計后的殘留應力
研究進一步使用偏光鏡進行實際成型實驗，以確定產品的光學特性，結果如圖七所示。光彈條紋僅出現在流道和澆口處，代表菲涅爾透鏡具有良好的光學質量，也驗證了Moldex3D模擬結果的可行性。
圖七 以偏光鏡進行實際成型實驗，確定產品的光學特性
結果
東莞理工學院透過Moldex3D分析，優化異型水路的冷卻設計，解決了積熱問題，將冷卻時間從15秒縮短到13秒。同時也改善了產品的殘留應力和折射率，獲得更佳的光學質量。
展開 Moldex3D仿真分析之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
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