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技術通報 280期_品質工法於異型冷卻水路 設計優化應用 協助橡塑膠產業節能 2022.06.16

  品質工法於異型冷卻水路
設計優化應用
協助橡塑膠產業節能		  
 
文／智慧化設備發展處 施佳宏
經濟部（能源局）能源科技專案研發成果
   
 
　　近年射出成型隨著技術的進步產品的要求也日益提升，逐漸朝向複雜、尺寸精確、與產品外觀等高標準邁進，同時必須兼顧製造成本、時間週期的壓力並且需兼顧綠色節能製造之理念，其中射出成型模具溫度的控制直接影響射出成型產品的品質與生產週期，理想的模具加熱與冷卻技術可同時提高產品精度與外觀等優點並縮短成型週期，因此新型態的節能均溫控制技術發展尤為重要。
 
　　為達成快速加熱的目的，各類模具冷卻或模具溫度控制器有諸多完整高效的發展，而高效均勻的模具溫度控制技術開發仍顯不足。
本研究將開發模具快速加熱與冷卻水路設計方法，以3D 異型水路技術以專業模流分析軟體進行不同組合特徵產品進行加熱、冷卻效率預測，並透過ANOVA 將溫度控制參數進行貢獻度歸納後可整理出一3D 水路設計法則，改善傳統想導入3D 異型水路技術卻無設計準則之困境。待實際模具製造完成後，協助硬體整合性驗證，驗證其動態模溫與冷卻效益與分析預測之結果是否一致及完成此技術之開發應用。
  
  ▋ 前言  
  　　近年來塑膠產品因兼具質輕、易加工、精度高、低成本、成型自由度大、技術發展成熟及材料性質選擇廣泛等優點，其應用小至日常生活用品，大至航太、汽機車部件，並隨著塑膠成型技術的成熟，其產品領域跨入至更高端的層面，泛指精密3C 產品、精密光學與醫療器材相關等，成型品的精密度或生產製造相關認證須達相當高的標準才有辦法進入市場。  
  ▋ 射出成型製程介紹  
  　　射出成型製程主要可分為：充填(Filling Stage)、保壓(Packing Stage)、冷卻(Cooling Stage) 與頂出(Eject Stage) 4 個階段。塑膠粒經由射出機料筒進入料管後，藉由螺桿剪切塑化成熔融態之熔膠，由射出機驅動螺桿向前並將熔膠充填入模穴中，完成充填階段，由於充填後產品體積即開始進行收縮，需由保壓持續提供熔膠以補償收縮量，而保壓結束時塑料仍保持在高溫，因此模具將提供冷卻將熔膠冷卻至玻璃轉換溫度(Glass Transition Temperature, Tg)/ 熔融溫度(Melt Transition Temperature, Tm) 以下進行開模頂並取出成型品。產品生產過程中，除了訂定材料與加工方法外，成型操作技術決定了產品品質的水準，加工材料接觸模具時的溫度、接觸面的溫度分布、冷卻過程模具的溫度均勻性與冷卻速度更直接影響尺寸精密度(Precision)、表面光澤度(Surface Gloss)、殘留應力(Residual Stress)、收縮(Shrinkage) 和翹曲變形(Warpage) 等產品品質與生產週期[1-3]。

　　當較低的模具溫度充填時，熔膠與低溫模穴表面接觸的瞬間產生固化，將增加流動阻力與容易造成充填或保壓不足導致尺寸變異；因此若模具溫度於射出充填階段能保持在Tg/Tm以上，則熔膠在充填時可保持熔融流動狀態，配合適當壓力更可達成高尺寸精度的成型效果。傳統模具加熱系統，即水或油加熱，為在模具內部設計加熱方式成為加熱源達到模具預熱的功效同時藉由冷卻管道達成有冷卻的作用；若遇到需要高模溫成型時，通入高溫水( 溫升可達至140° C ~180° C)，或熱油( 一般可達350° C)，這兩種方式共同特色是可保持模具溫度在一定範圍內，可改善成型品質。然而，使用高模具溫度成型同時，必須面臨熔膠需冷卻至Tg點以下才能開模頂出，於傳統射出成型製程中，冷卻時間約可佔2/3 成型週期，高模具溫度的使用將更大幅度的延長週期時間，且耗能過大，對於成本降低效益有限，尤其如遇產品幾何有曲面及深度時，傳統水路更難以透過媒體進行加溫與降溫，更加延長成型週期時間，其也提高整體製程能耗與成本。為改善此狀況，其一解決方式可透過德國IKV[4]於2000 年提出變化模溫成型概念，在塑膠射出充填開始前將模具表面溫度從頂出溫度(Ejection Temperature，Te) 以下提升至玻璃轉化溫度Tg以上，充填完成後配合冷卻過程將模溫快速降至頂出溫度以下，此概念的發展使得高模溫的應用不再只是理想，隨著動態模溫控制技術的發展，有效的縮短成型週期時間與有效的提高成品品質，更被實際應用於產品的製造生產。另一方面，則可透過3D 異型水路技術，以更接近表面形式之水路達到快速加熱目的，其不僅可完成動態模具溫度控制技術的加溫過程，更有效的提升冷卻速率，使得整體週期時間大幅降低。

　　產品冷卻過程除自身塑料特性影響外，產品的厚度、外型特徵、水路的大小與埋設位置影響產品趨向熱均勻時間的長短，較厚的成品需由較長的冷卻時間才能使得產品中心冷卻，冷卻效率則隨著水路尺寸的改變而有所變化，同時也因為水路設計型式及模具溫控機的設定參數不同而不同。在傳統相同成型環境與操作條件下，適當的水路分布為有效的達到冷卻效果並兼顧模具強度等優點的最佳方法，水路離模面距離、水路間隔距離與水路孔徑具有相對的適當設計範圍[5]。在傳統水路設計上建議管徑直徑(d) ≦ 14 mm，以確保管內冷卻液可達到紊流狀態；冷卻管具模面距離1.5d~3d；冷卻管間距離3d~5d。若產品具較複雜外型，為加強冷卻效果與排除局部積熱問題，則可選擇更改水路內造型：噴泉管、隔板、螺旋式隔板，與內嵌物件：高導熱鑲件、熱管與空氣射銷等方式。然而內嵌冷卻法無法克服曲面及深度產品冷卻不均與冷卻效率問題因此因應產品的高外觀品質與複雜造型設計，如何設計與應用其異型水路技術則相當值得探討。本研究為改善傳統水路對於射出成型模具加溫與冷卻效率問題，將建立3D 異形水路技術與其水路設計規範。

　　以往針對模具異形水路導入及應用上相當不易，其原因在於傳統冷卻水路設計本就不易，必須針對產品既有結構如補強肋、轂等迴避，加上產品需有各式頂針位置，為求產品順利脫模頂出，頂針數目及位置無對應準則，導致水路設計上需考慮冷卻效益、均勻性外還需因應結構進行改變，雖有傳統平面水路設計準則，設計上就已面臨挑戰。此效應在導入異形水路面向上更為嚴峻，雖然設計與加工方法相較於傳統平面式水路更加彈性及自由，但也因為其彈性與自由造成在真實設計及實務應用效益難以掌握。異形水路之模具加熱、冷卻效益與其使用模具材質及水路設計型態有高度相關，不同設計對於其效益上影響甚巨。然而，此水路冷卻技術在設計上並不像傳統水路設計型態有其規範或準則，單純依靠模具設計人員的經驗。另一方面，異形水路技術導入之效益實易想像，但真實情況與成果卻難以預測及量化，要透過設計人員之經驗進行模具異形水路效果評估相當困難，實則是為賭注，如何建立一標準化預測水路加熱及冷卻量化評估和預測工具為面臨的挑戰。		  
  ▋ 研究方法  
  　　本研究計畫為實現3D 異型水路高效變模溫技術與其設計規範，主要利用數值化分析模擬技術進行射出成型結果預測和可視化部份，專業模流分析對於現行射出成型領域當中已是不可或缺的預測工具，有別傳統以製造試誤法產生的高額成本，且也無法針對內部物理性質做進一步窺探。本研究架構圖如圖一，整體流程可將其簡化為三大部分進行探討，(1) 模流分析模型建置，(2) 實驗設計法建立3D水路設計規範，(3) 模具建置及模流分析實驗驗證。以下將針對此三階段之詳細工作項目進行敘述。  
 
   
 
  (1) 模流分析模型建置  
  　　針對此階段將以專業模流分析軟體Moldflow 針對3D 異型水路模具溫度均勻性及冷卻效益進行預測評估，其分析模型則會選用二項產品特徵( 深度及厚薄變化) 圖二進行組合式分析，目的在於朝向實際工廠生產於此技術最有機會與最需求之形式進行分析，了解其異型水路對於模具溫度變化之影響。

  
  (2) 實驗設計法建立3D 水路設計規範  
  　　透過模擬分析後之結果經由實驗設計法 (Design of Method, DOE) 歸納出不同水路參數( 水路截面構型、產品距離Depth，D、水路間距Pitch，P) 如表一，對於輸出結果之影響程度，此結果搭配統計學方法之響應最佳化(Response Optimizer) 也可作為3D 異型水路設計準則，建立此技術的設計規範資料表，藉此設計準則可使後續在產業應用時提供參考設計依據，改善傳統設計經驗化或自由心證之狀況。  
 
   
 
  多目標最佳化使用望小目標公式：  
   
 
 
d : 渴望值(desirability), 0 ≦ d ≦ 1
y : 品質特性
U: 品質特性上限值
T : 品質特性目標值
w: 增益權重
 
　　表二為各因子所設定之水準為水路截面形狀：圓（C）、矩形（R）、正方形（T）；產品厚度（T）：1、3、5（mm，下皆同）各3 水準；P 值與D 值下限皆取剛才結構強度極限值4mm，上限則為傳統水路設計原則之最大值（分別為8 與32）分別取5 水準，取其分析結果值進行統計，結果包含進出水溫差、達頂出溫度時間、翹曲量、表面最高溫與表面溫差。由於此四個因子間具有產生交互作用的可能，以全因子的實驗方式進行分析。分別將各厚度下之各截面形狀所得結果進行共同最佳化，所產出之結果便可得設計規範範圍如表三。
  
 
   
 
  (3) 模具建置及模流分析實驗驗證  
  　　透過第二階段建置之3D 水路設計規範，設計最佳化水路之模型進行模擬分析驗證，驗證目標包含進出水口溫度、溫度均勻性及冷卻時間減少。最後製作實體模具進行廠域驗證，以達到分析及實驗之驗證。  
  ▋ 實驗設備  
  (1) 射出成型設備  
  　　射出成型設備圖三使用的為富強鑫集團 (FCS Group) 生產的伺服節能環保型射出機150 頓級HT-150SV。  
 
   
 
  (2) 模溫控制設備  
  　　模溫機圖四為晏邦電機工業有限公司製YBMD-120-10K-D 水式模溫機。  
 
   
 
  (3) 量測設備  
  　　使用日本AVIONICS 株式会社製造IRM-R300SR 紅外線熱影像即時測溫儀圖五進行溫度量測與紀錄。  
 
   
 
  ▋ 結果與討論  
  　　模型建置階段以兩種射出成型常見產品類型( 深度比與厚度差異)，且此兩種類型最易因為積熱或冷卻差異，而使產品冷卻不均並產生缺陷問題，此階段設計之模型如圖二，尺寸為100*100*50mm，厚度為2.3~3mm 不等，而最薄區域為深入結構區域。

　　第二階段採用具深度與錐度之正圓杯形產品模型，僅建置內部水路，並於結果中使用產品中段（圖六中紅框處）水路穩定繞行的區域之表面平均溫度，做為溫度相關計算結果值。3D 水路設計規範整理結果如表三所示，可以看到在建議的對產品距離（D）中，因距產品越近可達到越好的冷卻效率，但將因水路表面形狀造成較明顯的區域溫差與冷卻後產品翹曲，故可距離產品最近的為方形，因方形水路的表面平整，比起圓形水路在貼近產品時較不易產生溫度分佈不均的情形；而最遠的為矩形，因矩形水路的冷卻效果最為優異，即使在一定距離外仍能維持有效冷卻，亦不需為了冷卻效率緊貼產品而犧牲表面溫度均勻度。而在水路間距（P）中同樣因為方形與矩形不易造成表面溫度不均而可以使用最小的間距值，而矩形冷卻效率較佳，故允許的間距範圍最大。		  
 
   
 
  　　最後階段透過實驗設計法所算出最佳設計規範，進行水路設計包含圓形及矩形兩種水路截面型式如圖八，並與圖九傳統水路設計完成分析比較，圖七為分析之結果圖，應用3D 異型水路冷卻液進出口溫差由0.26° C 降低至0.13° C，產品達頂出時間由59.81s 降低至31s，且最大表面溫差由11.98° C 降低至6.13° C，因此透過分析可以得知應用異型水路其整體效益較傳統水路有大幅提升( 表四)。  
 
 

 
 
  　　廠域驗證部分透過紅外線熱影像儀進行模內產品溫度量測驗證，圖十、十一為傳統與3D 異型水路設計模仁升溫至70 度之最終溫度分布圖與取點位置，有最終溫度分布圖可看見3D 異形水路其均勻度較傳統設計均勻，且圖十二、十三為量測點之昇溫歷程，傳統水路達70 度模溫需費時450 秒，而使用3D 異形水路僅需耗時230 秒，因此證明3D 異形對於熱量傳遞其效率較傳統水路高。

　　廠域驗證之產品模內溫度變化結果如圖十四~ 十七所示，圖十四、十六為傳統與3D 異形水路設計之間隔10 秒模內量測位置與溫度分布圖，傳統水路產品冷卻至頂出溫度需耗時79秒，而3D 異形水路僅需耗時44 秒即可頂出產品，而溫度均勻性如圖十四、十六所示選擇5 點位置進行量測其結果呈現如圖十五、十七，傳統水路設計產品冷卻過程中最大溫差達15.81℃，而3D 異形水路最大溫差僅6.15℃，因此應用3D 異型水路其產品冷卻溫差較為均勻。

　　水路進出口溫差比較如圖十九、二十，傳統水路進水口與出水口溫差最大為1.21℃，而3D 異形水路為0.99℃，因此證明水路中應用3D 異型水路其路徑過程中溫度差異較傳統水路均勻。		  
 
 







 
  ▋ 結論  
 
　　本研究中針對3D 異型水路透過實驗設計與統計學進行規範建置，不僅可大幅降低3D異形水路應用之基礎經驗門檻，同時透過廠域實際開模驗證水路規範之應用後之結果得之，產品冷卻週期可大幅降低44.3% (79s 降至44s)，於溫度均勻性方面改善61.1% ( 最大溫差15.81℃降至6.15℃ )，同時透過水路進出水溫差可以得知應用3D 異型水路其水路路徑中溫差較小代表其路徑中溫度分布較為均勻，因此本研究建置之3D 異形水路設計規範可提
供往後水路設計之快速應用。
  
 
  ▋ 謝誌  
 
　　本研究計畫承蒙經濟部能源局提供經費補助( 計畫編號110-E0204)，特此致謝。
  
  ▋ 參考文獻  
 
1. S. L.B. Woll and D. J. Cooper, “Pattern-Based Closed-Loop Quality Controlfor the Injection Molding Process”, Polymer Engineering and Science, 37, 801-812, 1997.
2. A. L. Kelly, M. Woodhead, R. M. Rose and P. D. Coates,“In Process Monitoring of Polymer Batch to Batch Variation in Injection Moulding”, Plastics, Rubber and Composites,29, 23-30, 2000.
3. A. L. Kelly, P.D. Coates and R. Evans, “Effect of Cycle Cooling on Power Consumption of the Injection Moulding Process”, SPE TechnicalPaper, 465-469, 2004.
4. Institut für Kunststoffverarbeitung (IKV)，“Principle of Variothermal Processing”，中原大學模具中心微成型與微特徵模具加工技術研討會， 臺灣， 2002.
5. Z. C. Lin and M. H. Chou, “Design of the Cooling Channels in Nonrectangular Plastic Flat Injection Mold”, Journal of Manufacturing Systems, 21, 167-186, 2002.
6. 行政院，“國家節能減碳總計畫”，民國99 年。
7. 史勇春，李捷，李選友，吳茂剛，趙改菊，尹鳳交，“過熱蒸汽乾燥技術的研究進展”，乾燥技術與設備，第10 卷，第1 期，民國101 年。
  
 

   
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