隨形冷卻水路設計的案例
創成云SaaS平臺隨形水路自動化設計，即將上線
通過降低模具的生產準備時間，能夠使模具制造周期跟上產品設計周期的步伐，使企業能夠承受得起模具更加頻繁的更換與改善周期。
3D打印模具應用的核心是隨形水路的設計和應用，相比傳統的直通型水路，模具的隨形水路設計可以實現任意形狀的冷卻通道，極大降低冷卻時間，縮短開模周期，生產效率平均可以提高35%以上。并且，隨形水路的設計可以使整個模腔內溫度梯度分布更加均勻，因此效率提升的同時，模具產品翹曲、變形、飛邊等問題都可以避免，產品良品率也可以大大提高。
• 傳統水路：傳統的模具冷卻通道通過二次加工實現，交叉鉆孔插管，然后內置流體插頭來調整流速和方向，模具冷卻效率低，有時還需要把模具進行切分再組合，來預留水路；
• 3D打印隨形水路：水路設計師需要根據熱源部位、冷卻效果、流阻和打印風險等多種因素的制約進行設計，通過CAD軟件建模。根據模型難易程度不同，工程師完成水路設計方案往往需要幾個小時甚至更長的設計時間。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。
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
在射出成型領域中，冷卻系統至關重要。塑件必須冷卻固化至特定溫度，脫模頂出時才能具備足夠的剛性，以避免塑件因外力產生變形，并可保持尺寸穩定性。此外，冷卻時間占整個成型周期70%-80%的時間，因此良好的冷卻系統可以大幅縮減成型周期、提升產能。
然而對許多大型產品的模具而言，水路數量多且復雜，這導致在分析之前，須耗費大量時間整理模具中各群水路的進出途徑。Moldex3D Studio的冷卻水路回路精靈提供可整理、編輯水路線條的便利工具，能有效、快速整理復雜的水路路線，加速前處理進程；并以線條代替3D實體水路，減少網格生成的失敗率，提升仿真分析速度。
冷卻水路回路精靈能自動生成最長的適當水路曲線，并標示進出口。在擁有實體3D水路以及水路進出口位置的前提下，該功能可協助用戶快速建立水路回路曲線。本文將示范使用工具頁的中心線、連接信道曲線，再透過冷卻水路回路精靈完成水路回路及進出水口設定*。
*注：本文所介紹的功能僅供演示目的，冷卻水路回路精靈支持更多樣的建立水路曲線功能。
操作流程
步驟1：萃取水路的中心線條
匯入幾何后，在建立水路前，先使用工具欄的中心線來萃取模型中的3D實體水路幾何面，擷取所需的水路幾何線條。點選中心線并進入建構中心線的接口后，框選要萃取中心線的實體水路曲面群，也可以一次框選多個實體水路曲面群，框選好之后點選確認，即完成中心線萃取（右下方圖中的黃色中心線條）。
步驟2：整理連接不完整的水路線條
由工具欄點選連接信道曲線，并框選之前產生的中心線條，點選打勾完成，就會發現之前未連接的線條已自動連接。
步驟3：用冷卻水路回路精靈完成水路回路及進出水口設定
在模型頁面點選回路精靈中的冷卻水路回路精靈，框選連接好的水路線條，再一次點選抓取完成選取。
展開 隨形冷卻，把復雜異形的問題交給增材制造
自工業注塑制模發展之初，如何使模具表面保持恒溫就一直困擾著人們，在注塑成型中，成品的冷卻時間在注塑生產周期的占比高達70%，主要原因是：在傳統的模具制造中，溫度控制或冷卻水路只能在直線上鉆孔。關鍵熱點通常不在冷卻熱量傳播的范圍之內, 因此無法有效冷卻。
為了使溫度保持恒定，制造商們先后使用了隔板、散熱器、散熱管等；還嘗試將塊狀物層壓在一起，并在模具上加裝結構復雜的鉆孔裝置。如何快速低成本地完成制造又成了一大難題。
美國麻省理工學院Sachs教授于1997年首次提出“注塑模具隨形冷卻技術”概念，設計出與部件輪廓一致的冷卻通道被認為是控制注塑制模溫度的最佳解決方案。然而隨形冷卻增加了模具制造的設計難度及制造復雜度，使得大部分傳統制造商都對其望而卻步。
3D打印技術作為智能制造的代表制造技術，近年來在我國制造業中得到了廣泛運用，使用直接金屬激光燒結 (DMLS) 技術，可以在生產過程中將優化的隨形冷卻水路集成到模具當中。確保散熱更快、更均勻，可以降低模具中的熱應力并延長模具使用壽命。塑料產品質量和零部件的尺寸精度也得到了提高，同時減少了翹曲變形。
此外，3D打印技術在成形復雜結構方面的優勢，擺脫了傳統機加工的成形限制，讓復雜結構的隨形冷卻流道（隨形水道），從設計變成現實。該工藝還可大幅縮短注塑模具的生產周期。
利用激光燒結來進行電子化制造在許多不同的工業已經成為可行的方案。需要強調的重點是，該技術不僅在快速成型環境里可行，而且在多品種的復雜產品的一系列生產中也是可行的。
例如，知名模具服務LBC公司使用全球工業3D打印領導者EOS(2021 TCT亞洲展展位號：G14) 創新激光技術進行模具制造，并對部分或整個工藝鏈進行調整以適應客戶的運營流程。
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 隨形冷卻流道和晶格結構優化軟件，《賽車總動員》玩具汽車模具是這樣做的
為了生產小型“閃電麥昆車”，IPC決定采用能夠精確遵循汽車形狀的冷卻通道，并利用晶格結構進行減重，打印出性能比以往更好的金屬模具。
閃電麥昆車的金屬3D打印模具，圖片由IPC提供
目標：結合專業的設計和仿真技術加速生產流程
步驟（一）隨形冷卻流道
對于客戶Smoby ，IPC非常重視，在進行小車模具生產時，他們考慮到：如果玩具汽車使用直形冷卻通道，則靠近通道的部分冷卻速度更快，整個小車的冷卻就需要更長時間。此外，變形的風險也會更高。
因此，他們選擇與Materialise合作制作有3D打印隨形冷卻流道的模具，不僅能更快地冷卻，模具質量也更輕。
“對于IPC而言，使用金屬增材制造生產注塑成型模具的主要優勢是可以創建隨形冷卻通道。這使IPC能夠縮短生產周期并提高部件質量。”——Jean-Christophe Bornéat, IPC 項目經理
模具的隨形冷卻通道，圖片由IPC提供
步驟（二）采用晶格結構減重
為了進一步優化模具性能，IPC決定用輕量化結構替代汽車模具的某些實體部分。首先使用Altair軟件優化模具的拓撲結構，同時記下外表面上的壓力，確定可以用晶格結構填充以實現減重的部分。然后將這些結果導入到Materialise 3-matic軟件中，進行表面平滑處理，獲得可以打印的3D模型。
展開 Moldex3D模流分析之如何建立冷卻液水路網格
如何建立冷卻液水路網格？(How Do I Generate the Coolant Channel Mesh?)
Moldex3D Mesh 提供的簡易有效率功能，可從線性對象建立冷卻液水路網格。此教學將說明一些優良的澆道。
1、概念
1.繪制多重直線來表示冷卻液水路配置，并從這些直線來建立冷卻液水路網格。
2.技術上來說，如果忽略一些細微功能，是不會影響仿真結果，但能簡化前處理的程序。請參閱下方說明的簡化案例。
3.若為圓角冷卻液水路，使用一些線形區段來說明之。
4.建立冷卻液水路網格前，指定冷卻液水路入口/出口點。
2、步驟
下列步驟說明建立 3D 冷卻液水路表面/實體網格的程序。注意：Moldex3D 在此逐步說明的教學中提供名稱為 3DsolidMeshTutorial3.3dm 的模型。
?冷卻液水路線條建立及屬性設定
1.建立一個模座網格，并使用線形對象來說明冷卻液水路配置。
2.選取冷卻液的線條并單擊 MDXAttributionSetting。在快顯對話框中，將屬性設定為冷卻液水路，并指定冷卻液水路入口/出口點。
?冷卻液水路網格建立
單擊 MDXCoolantMesh功能來建立冷卻液水路線條上的網格。
3、備注
Moldex3D Mesh 提供一個建立冷卻液水路網格的有效新方法。如果程序無法自動建立網格，則用戶必須使用建立實體網格方法來建立網格。下列步驟說明該方法的程序。
1.刪除錯誤的冷卻液水路網格。
2.選取冷卻液水路線條及模座，然后單擊 [反向選擇與隱藏對象] (Invert Selection and Hide Objects) 來隱藏未選取的對象。
展開 Moldex3D模流分析之成功驗證異型水路提升冷卻效能
株式會社松井制作所案例
以下的案例將就傳統水路和異型水路設計的冷卻結果作比較。下圖為幾何復雜且厚度變化極大的產品模型。使用異型水路設計將可大幅降低冷卻時間逾33% (10秒)。傳統的冷卻水路無法貼近產品的幾何外形，冷卻效果受到局限，在幾何復雜的產品上尤為明顯。如今，日益月新的制程技術實現了異型水路設計，然而，冷卻系統的驗證和設計仍因產品的復雜度而備受考驗。
Moldex3D冷卻分析不僅提供所需的冷卻時間，更可進一步提供模內的溫度變化。此外，冷卻行為如：流率、壓力損失、渦旋與死水區域，都可透過Moldex3D真實三維冷卻系統分析獲得預測結果。要達到異型水路和冷卻效率優化不再是遙不可及。
Moldex3D 的異型水路解決方案有：
大幅提升冷卻效率。異型水路可以將整體的冷卻速率差異降低。
減少生產周期和成本
確保較佳產品質量
本案例的產品規格如下：
長度：23 mm
寬度：15 mm
高度：51 mm
主要的厚度：約3 mm
我們將以這個案例進行傳統水路和異型水路的比較；傳統的冷卻水路設計在公模側是使用隔板式水路，然而，異型水路則可以依產品而行，滿足多變的設計。
異型水路設計距離模穴表面等距離，然而，由于受到幾何模型的限制，冷卻水路仍然無法深入許多地方。在這個案例中，冷卻水路的平均值直徑是4公厘，模穴與水管相距8.3公厘，水管間則是相距9公厘。，
以下為一些水路設計的模擬結果：
傳統的水路設計在冷卻結束時的塑件表面溫度如下所示，溫度從60.04-134.02℃。模穴壁的溫度分布相當低且一致；然而，在公模側，塑件的表面溫度會因區域而異。紅色圈選處為最高溫，很明顯地看出，并無水路經過該處。
以下的圖顯示圈選處所需的冷卻時間。
展開 Moldex3D模流分析之3D實體水路分析新增判斷冷卻效率指標
為了達到較佳的冷卻效率，一般希望冷卻水路中的冷媒形成紊流，而雷諾數(Reynolds number) 的大小為形成紊流的依據(以圓形水路為例，雷諾數到達4000以上則形成完整的紊流)。因此，雷諾數可做為判斷冷卻效率的重要依據。Moldex3D 支持顯示雷諾數在水路中的分布狀況，提供使用者一個判斷冷卻效率的指標。
步驟1：在新項目中匯入一個水路的3D實體網格模型，并輸入分析所需材料、成形及計算參數。
注：此例中為了突顯雷諾數的效應，系故意在成型參數中將兩條水路的設為不同的流率值。
步驟2：在計算參數 (Computation Parameter) 中的冷卻分析 (Cool) 選單中，勾選執行冷卻水路分析 (Cooling channel analysis by)，并選擇進行冷卻水管網絡分析 (Run cooling channel network analysis) 以啟動進階冷卻水路分析。完成后點選確認(OK)。
步驟3：將冷卻分析(cooling)或瞬時分析(transient analysis)加入到分析順序并執行開始分析(Run Now)。
步驟4：在完成冷卻分析后，在冷卻結果選單中點選冷卻水管雷諾數 (Coolant Channel Reynolds Number) 來觀看雷諾數的分布。如下圖所示，流率較高的水路中有較高的雷諾數也代表提供更好的冷卻效率。
冷卻水管雷諾數 冷卻效率 (各別水管)
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
大綱
塑料射出成型制程中，冷卻階段占據最多的時間，常會延長成型周期。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。
展開 Moldex3D模流分析之以Moldex3D優化異型水路提高70%冷卻效率
大綱
在當今的制造業中，時間就是金錢；對塑料射出產業而言更是如此，許多廠商都希望能夠縮短射出制程中的冷卻時間，將成本降到最低，故冷卻系統的重要性不言而喻。本項目中，明志科技大學團隊利用Moldex3D來優化異型水路設計，以改善冷卻時間、溫度差異和產品變形問題。實驗結果顯示，相較于傳統水路，異型水路能夠帶來更好的效果，縮短70%的冷卻時間。
挑戰
快速模具(rapid tooling)造成之產品變形
提升冷卻效率
試誤成本高且耗時
解決方案
明志科大團隊使用Moldex3D冷卻仿真功能，評估不同水路設計(包括傳統水路、異型水路以及無冷卻水路)對于產品成型的影響， 找出最佳的水路設計及制程參數，成功提升產品質量，優化成型周期。
效益
縮短70%冷卻時間
改善變形56%
驗證異型水路的冷卻效率
縮短冷卻時間，節省打樣成本
案例研究
在整個射出成型周期中，冷卻時間就占據了70%。若要縮短冷卻時間、又要同時維持產品質量，使用傳統水路系統是很難辦到的。因此若要解決此問題，就須考慮改用異型水路。
本案例的目標是透過仿真來找出最佳的冷卻時間，并透過實驗來驗證模擬結果。同時也會針對如何縮短成型周期、溫度差異和產品位移進行研究。
本案例產品為一個大小60x30x60mm、厚度2mm的蠟制杯子，直接經由2mm的針點澆口射出，并未經過流道系統。利用Moldex3D eDesign建構網格時，在產品表面設置感應節點，以偵測溫度和冷卻時間。研究設計并比較了45種不同尺寸之異型水路，并將最佳結果與傳統水路和無水路系統做比較(圖一)。
展開 
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.
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
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
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