1. 首頁
  2. 期刊
  3. 技術通報 288期_三維異型水路分析與設計技術 協助橡塑膠產業節能

技術通報 288期_三維異型水路分析與設計技術 協助橡塑膠產業節能 2022.07.11

  三維異型水路分析與設計技術
協助橡塑膠產業節能		  
  文／中原大學 機械工程學系 馮競德  
 
　　近年射出成型隨著技術的進步產品的要求也日益提升，逐漸朝向尺寸精確與產品外觀等高標準邁進，同時須兼顧時間週期，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。3D 異型水路依產品外形環繞，深入傳統水路無法進入之角落，水路與模面距離一致的特性可達到快速模具溫度控制之目的及有效縮短冷卻週期。此外，現行射出成型領域當中模流分析是不可或缺的預測工具，有別於傳統以製造試誤法產生的高額成本。

　　本研究將分析結合3D 異型水路應用，冷卻水流率、水路接觸面積、導熱係數材質對冷卻效率之影響程度，並嘗試以3D 異型水路結合對應之最佳化設計的方式，使差異厚度件能有效被均勻冷卻，建立相關之關係模型，成功驗證最適合選用之材質。
  
 
      前言
 
 
　　自二十世紀末高分子聚合物發明以來，塑膠製品因其質輕、易加工、材料特性多元等特性，應用日漸廣泛。而其中射出成形因為製程重覆性高、生產快速、大量生產時成本低廉、可生產相對複雜產品等優勢，為生產塑膠產品最常被選用的製程，且佔所有塑膠製品產量約33%，為塑膠製造中相當重要的一種製程[1]。而近代由於材料與製程控制技術皆逐漸成熟，塑膠製品逐漸往3C、精密光學、醫療用品等高端應用發展，對表面品質、產品尺寸精度、生產環境等要求極高，甚至需通過相關認證才能進入市場，為塑膠製造產業帶來了新的目標與挑戰。
  
 
      射出成型冷卻階段
 
 
　　傳統射出成型製程中，冷卻時間可佔據高達50~70% 的整體週期時間[2]，故改善冷卻效率為縮短射出成型週期時間、提升製程效率最有效的方法。高溫熔膠充填入模穴接觸模壁後形成凝固層(Frozen Layer) 並影響後續熔膠的流動與分子拉伸的情況：在凝固層過厚時將產生較大阻力，且流動時產生較大幅度的分子拉伸，造成較大產品收縮量，並容易導致保壓不足造成產品尺寸不穩定，甚至因阻力過大而直接造成短射。因此，試圖僅透過過低的模具溫度設定來加快溫度傳遞速度、降低冷卻時間來增加生產效率將是不切實際的。更甚者，射出時的模具溫度、溫度分布均勻度、以及冷卻過程模具的散熱均勻性與速度都將直接影響生產出產品的尺寸精密度(Dimension Accuracy)、表面光澤度(Surface Gloss)、殘留應力(Residual Stress)、產品頂出後後續的收縮(Shrinkage) 和翹曲變形(Warpage) 等品質特性[3]，模具冷卻設計在射出成型製程中是相當重要的一部份。

　　因冷卻系統在射出成型模具設計上的重要性，對於傳統水路在簡單幾合形狀的產品上應使用的相關尺寸已有設計原則可遵循。然而，為承受射出機鎖模力反覆加載與射出保壓時的熔膠衝擊擠壓，也使模穴表面無接縫痕跡，維持產品外觀平整，模具多以整塊鋼材加工而成，使得傳統水路路徑設計受到鑽孔方向限制，而對於現今幾何形狀多為連續複雜變化的塑膠產品有所不足。

　　但近幾年得益於3D 列印技術的發展，3D 金屬列印已成為可穩定生產製造之技術，故透過3D 金屬列印這類增材製造(Additive Manufacturing, AM) 方法沒有進刀位置限制的特性，設計出完全依照產品外形環繞，並依照產品厚薄變化改變管徑，利於深入傳統水路無法進入之角落冷卻的3D 異型水路，透過水路與模面距離一致的特性不僅達到快速模具溫度控制之目的，可減少冷卻不均造成各種缺陷的可能性，進一步提升產品生產良率，改善生產製造時產能因良率不穩定難以預測的問題，更可直接影響生產週期時間，透過更好的冷卻效率使週期時間有效縮短[4-5]，也提升射出成型產業整體的能源使用效率。

　　然而射出成型用模具對表面品質與強度的高度當昂貴，且3D 異形水路主要作用原理在於透過其設計靈活性來盡可能貼近複雜幾合之產品，以確保冷卻均勻，對於差異厚度產品產生熱量差異所造成的冷卻不均，能產生的改善較為有限，應用於當今多元產品略有不足。

　　以冷卻水路設計變更來改善差異厚度產生冷卻差異方法之間效率優劣，本研究將分析結合3D 異型水路應用時，冷卻水流率、水路接觸面積、導熱係數材質對冷卻效率之影響程度，並嘗試以3D 異型水路結合對應之最佳化設計的方式，使差異厚度件能有效被均勻冷卻，讓3D 異形水路技術可適用於更多種類的產品，同時建立相關之關係模型，提供設計者參考應用。
  
 
      研究方法
 
 
　　本研究先探討厚度差產品對影響局部3D 異型水路配合控制因素，再探討影響性最大因素與厚度差對溫度均勻性分析，並建立應用於不同厚度差異時適合影響性最大因素的預測函數。分析產品圖形（如圖一），及本研究架構圖（如圖二），整體流程可將其簡化為三部分，（1）可改善表面溫差之因素影響率，（2）熱傳導係數與厚度差對溫度均勻性，（3）迴歸分析及驗證。
  
 
 
 
  
 
(1) 可改善表面溫差之因素影響率
  
 
　　主要影響表面溫差三個因素為水路接觸面積、冷卻水流率及異材質嵌件熱傳導係數，利用田口法探討其對產品表面溫差影響程度，影響程度越大越能控制表面溫度影響性越高。

　　因主要影響因子僅三種，且目的為進行影響性分析，故選擇L4 直交表。從Minitab 分析軟體取得L4 直交表（如表一），利用所獲得直交表參數分析於Moldflow 中取得其頂出時間，因塑膠產品在熔融狀態完成射出後須冷卻至硬度足夠始可頂出，此過程預計耗時即為分析軟體中呈現之頂出時間，故以頂出時間進行冷卻效率之比較指標。

　　三個因素為使測試中邊界條件一致，分析上直接於產品表面設定進澆點進行充填且無流道設計，所使用模型為簡易方型盒子，幾何長100mm、寬50mm 與高50mm，並分為2 區塊，左側厚度為0.8mm，右側厚度則為3mm。模座260*130*80mm 並依水路設計規範設計水路（如圖三），水路配置分成傳統水路與異型水路，其中傳統水路又分成產品內部左側與外部，而異型水路位於產品內部右側。傳統水路位於產品內部左側時，水路設計間距為26mm，水路距模面為9mm；傳統水路位於產品外部時，水路設計間距為28mm，水路距模面為12mm；異型水路位於產品內部時，水路設計水路直徑4mm 及8mm， 間距為16mm， 水路距模面為9mm，以相同的水路路徑對不同水路直徑4mm 及8mm 分別為為水路接觸面積7278mm3 及30320mm3。傳統水路與異型水路流速一致分別為5lit/min 及50lit/min（模溫機常見流率範圍）。嵌件47.5*47*100mm位於異型水路處（如圖三），嵌件材質使用熱傳導係數50 及388（軟體中最高熱傳導係數材質）。
  
 
   
 
 
(2) 熱傳導係數與厚度差對溫度均勻性
  
 
　　由上階段知道影響性最大異材質嵌件熱傳導係數。
　　本階段將針對產品厚度差進行高導熱係數材質結合3D 異型水路嵌件分析，建立嵌件應用於不同厚度差異時適合之熱傳導係數規範。主要利用數值化模擬分析技術──專業模流分析軟體Moldflow 針對模具溫度均勻性及冷卻效益等結果進行預測評估，以及專業統計軟體MINITAB 針對田口分析之結果進行分析及進行回歸分析來建立預測模型。

　　使用模流分析進行兩部分實驗。

　　一、熱傳導係數對各產品厚度分布均勻性探討，透過不同產品厚度之模型中使用不同熱傳導係數之模具嵌件材質（嵌件位置如圖三），並擷取全程溫度各時間點之厚部與薄部中央的表面溫度（圖四、表二至六），比較冷卻全程之中厚部與薄部中央表面平均溫差，並歸納出各厚度下適合的嵌件材質。

　　二、各產品厚度分布均勻性對冷卻差異收縮探討，此產品其厚度不均勻易發生不均勻的冷卻現象，即表面平均溫差大，造成因冷卻不均局部差異收縮，而使產品出現翹曲問題。故本研究亦將比較冷卻結束時厚部與薄部中央的體積收縮率差值，以確認使用此方法進行表面溫度控制後，確實是有效改善產品差異收縮。

　　模流分析軟體中使用有限元素法，故須針對不同特徵產品進行細部網格調整，確保所有網格節點都連接於一起。網格節點如未能夠連接將會使得分析無法進行，因每一節點之公式計算結果必須能夠與下一點之節點串連才得以將計算好的結果作為初始條件帶入下一階段計算式中。另此研究因著重在於冷卻水路對於模具及產品的暫態變化過程，故在網格部分也必須將整體冷卻水路進行網格細緻化。

　　為使測試中邊界條件一致，產品、模座及傳統水路設置如前段所示，異型水路設計水路直徑8mm。流速一致為10 lit/min。嵌件材質除了和模具一樣之材質P20（熱傳導係數29）外，還有熱傳導係數50、106、153、250 及388（軟體中最高熱傳導係數材質）。
  
 
 







 
 
 
(3) 迴歸分析及驗證
  
 
　　使用迴歸分析可了解多個變數間相關方向與強度，並建立數學模型來預測數值。對熱傳導、熱擴散係數與厚度差、厚度進行回歸分析，找出厚度差與表面溫度均勻度相關性較高的材料係數，並產生設計規範（公式1），最後以此規範設計產品進行驗證分析。
  
 
      實驗設備
 
 
(1) 實驗材料
  
   
 
(2) 分析軟體
  
 
　　本研究中所使用的模流分析軟體為Moldflow 2021 及統計分析軟體Minitab。
  
 
(3) 使用模型
  
 
　　本研究中所使用模型為簡易方型盒子，幾何長100mm、寬50mm 與高50mm，並分為2區塊（如圖一），左側厚度為0.8mm，右側厚度則分為1、1.5、2、2.5、3mm 五種不同設計。
  
 
      結果與討論
 
 
(1) 可改善表面溫差之因素影響率
  
 
　　影響程度大小依序為熱傳導係數、冷卻水流率、水路接觸面積（如圖五）。
  
 
 
  
 
(2) 熱傳導係數與厚度差對溫度均勻性
  
 
　　一、熱傳導係數對各產品厚度分布均勻性探討，從Moldflow 2021 分析軟體中取得不同厚度各時間之各點溫度如下：
  
 
 
  
 
　　表二至表六中A 代表傳統表面溫度，B 代表異形表面溫度，A-B 為表面溫差。

　　由結果可知確實可透過嵌件材質改變使冷卻過程中產品厚處與薄處之表面溫差下降（如表八），且厚度差異提升時，所需最佳材質熱傳導係數有上升趨勢，因為在厚度差異較小的產品上使用熱傳導係數過高的材質，將導致嵌件處過快冷卻，因而重新產生較大溫差，故可知並非高熱傳導係數嵌件便適用於所有厚度差的產品設計。

由以上結果可歸納出不同厚度差對應在各熱傳導係數之最小平均值（如表八紅字處）。

　　二、各產品厚度分布均勻性對冷卻差異收縮探討，從Moldflow 分析軟體中取得不同厚度冷卻結束時各點之收縮率結果的比較如下：
  
 
 
 
  
 
 
　　收縮率結果中亦可以見到較接近使用對應的熱傳導係數材質時，厚處與薄處收縮率差異最小（如表九），證明此方式可有效使冷卻不均導致之差異收縮減少。
  
 
 

 
 
(3) 迴歸分析及驗證
  
 
　　將各模型厚度差對其對應之最佳材質進行回歸分析，了解厚度差異處冷卻均勻性對不同熱傳導率之模具材質影響。在材料數值中，以熱傳導係數與熱擴散係數與散熱速度最為相關，熱傳導係數代表材料傳熱能力；熱擴散係數則代表材料傳熱至穩態的速度，因此以此二項做為預測標的。另因產品厚度與冷卻能力需求為指數關係，故選擇嘗試以二次方程與自然指數函數，將產品厚度差對材料之熱傳導係數與熱擴散係數分別嘗試進行回歸分析，建立關係式。
圖五至十為數值分析軟體Minitab 中所進行回歸之結果，可見R-sq 值皆可超過90，模型可建立明確相關性，且從相關可知厚度或厚度差與適合之材料系數皆成相同關係，故選擇以較具一般性的厚度差作為輸入標的。接著以厚度或厚度差使用二次方程或自然指數函數進行預測熱擴散係數或熱傳導係數，熱擴散係數之R-sq 值皆略低於熱傳導係數（如表十），故後續仍選擇以熱傳導係數做為材料性能標的進行驗證。另二次方程回歸所得之結果因函數特性，於接近無厚度差異時產生回升的趨勢，與現實物理現象預期趨勢有所衝突，故以指數函數結果做為驗證分析所使用之預測函數。

利用右側厚度為2.1mm 產品做為驗證，其最小溫差為1.78（圖十二），發生在使用材質為AMPCOLOY 83（熱傳導係數106）時。而使用指數函數結果之預測函數（式1）預測出最佳熱傳導係數為106.79，可證明準確度是相當高的。

最佳熱傳導係數預測公式：

K=6.44017×e^((1.37489×T_d ) ) （1）
K: 熱傳導係數
T_d: 厚度差
  
 
 













 
 
      結論
 
 
　　本研究找出影響表面溫差因素最顯著為熱傳導係數，並將熱傳導係數結合3D 異形水路，透過分析中表面溫度結果之趨勢找出最佳冷卻均勻性之準則。

　　結果已證明產品厚度差異小於2.2mm 且最大厚度小於3mm 時，結合3D 異形水路之不同材質嵌件可對產品表面溫度進行有效控制，並改善冷卻不均產生之差異收縮。

嵌件材質關鍵因子以及針對不同厚度差異適合之嵌件材質預測模型亦成功建立，並在驗證分析中證明有效，可做為應用此類設計時之參考。
  
 
      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111-E0204），特此致謝。
  
 
      資料來源
 
 
1. Z. Chen and L.S. Turng, “A Review of Current Developments in Process and Quality Control for Injection Moldig”, Advances in Polymer Technology, Vol. 24（3）, pp.165-182 （2005）.
2. M. Vishnuvarthanan, Rajesh Panda and S. Ilangovan, “Optimization of injection molding cycle time using moldflow analysis”, Middle-East Journal of Scientific Research, Vol. 13（7）, pp. 944-946 （2013）
3. R. Sánchez, J. Aisa and A. Martinez, “On the relationship between cooling setup and warpage in injection molding”,Vol. 45（5）, pp. 1051-1056 （2012）
4. C.L. Li, “A feature-based approach to injection mould cooling system design”, Computer-Aided Design, Vol. 33, pp. 1073-1090 （2001）
5. K.P. Reddya, B. Panitapub, “High thermal conductivity mould insert materials for cooling time reduction in thermoplastic injection moulds”, Materials Today: Proceedings, Vol. 4, pp. 519-526 （2017）
  
 

   
返回

Copyrights © 財團法人精密機械研究發展中心 All Rights Reserved.