以Moldex3D优化异型水路 提高70%冷却效率

 

客户简介

明志科技大学设有工程学院、环境资源学院、管理暨设计学院等三个学院,十一个研究所硕士班、一个博士班与十个系之规模,目前所有系所皆通过中华工程教育学会(IEET)、华文商管学院(ACCSB)等国际教育认证,教育制度与国际接轨。(来源: https://www.mcut.edu.tw/)

大纲

在当今的制造业中,时间就是金钱;对塑料射出产业而言更是如此,许多厂商都希望能够缩短射出制程中的冷却时间,将成本降到最低,故冷却系统的重要性不言而喻。本项目中,明志科技大学团队利用Moldex3D来优化异型水路设计,以改善冷却时间、温度差异和产品变形问题。实验结果显示,相较于传统水路,异型水路能够带来更好的效果,缩短70%的冷却时间。

挑战

  • 快速模具(rapid tooling)造成之产品变形
  • 提升冷却效率
  • 试误成本高且耗时

解决方案

明志科大团队使用Moldex3D冷却仿真功能,评估不同水路设计(包括传统水路、异型水路以及无冷却水路)对于产品成型的影响, 找出最佳的水路设计及制程参数,成功提升产品质量,优化成型周期。

效益

  • 缩短70%冷却时间
  • 改善变形56%
  • 验证异型水路的冷却效率
  • 缩短冷却时间,节省打样成本

案例研究

在整个射出成型周期中,冷却时间就占据了70%。若要缩短冷却时间、又要同时维持产品质量,使用传统水路系统是很难办到的。因此若要解决此问题,就须考虑改用异型水路。

本案例的目标是透过仿真来找出最佳的冷却时间,并透过实验来验证模拟结果。同时也会针对如何缩短成型周期、温度差异和产品位移进行研究。

本案例产品为一个大小60x30x60mm、厚度2mm的蜡制杯子,直接经由2mm的针点浇口射出,并未经过流道系统。利用Moldex3D eDesign建构网格时,在产品表面设置感应节点,以侦测温度和冷却时间。研究设计并比较了45种不同尺寸之异型水路,并将最佳结果与传统水路和无水路系统做比较(图一)。

图一 左:(a)无水路系统、(b)传统水路、(c)异型水路的CAD模型右:感应节点设置

由第一项评估,可得知最佳的异型水路其冷却时间可达最短的92.73秒(图二),其水路设计具有最小直径(4mm)和最小的间距(6mm),水路中心线至产品表面的距离也是最短(8mm)。此设计可以达到总长度最长的水路,以及最大的水路表面积,使得冷却效率相当高。此外,模拟分析结果也指出,若间距增加,会导致较长的冷却时间;以及当产品温度差异和模具表面温度差异越小,产品位移情况也会越轻微。

图二 异型水路的冷却时间比较

 

在第二项评估中,则得知最佳异型水路的冷却效率优于传统水路以及无水路系统。与传统水路和无水路系统相较,最佳异型水路分别可缩短70.03%与90.26%的冷却时间(图三),此外还可将温度差异缩到最小,使杯子底部的内外侧温度皆可均匀分布(图四)。此外其模腔壁的上部和下部的温度差异,与无水路系统相比,也减少了99.5%(图五)。更重要的是,最佳异型水路的产品翘曲位移在三个轴向及总位移的量值都是最轻微的,分别比传统水路及无水路系统还要改善了24.05%及56.01%(图六)。

图三 不同水路系统在达到脱模温度时的冷却时间比较

 

图四 不同水路系统下,杯子内部的产品温度差异:(a)无水路、(b)传统水路、(c)异型水路

图五 不同水路系统中的模具温度差异:(a)无水路、(b)传统水路、(c)异型水路

图六 不同水路系统在三个方向位移之比较:(a)X轴位移、(b)Y轴位移、(c)Z轴位移、(d)整体位移

为验证模拟结果,便以填铝环氧树脂来制作模具和冷却系统。传统水路由K512蜡制造;异型水路则分别尝试以ABS、PLA和蜡线制造。实验中使用水作为冷却液(图七)。此外并在模具设置感应节点,以侦测表面温度、产品温度和冷却时间。

图七 左:(a)K512蜡制造的传统水路、(b)ABS异型水路、(c)PLA异型水路、(d)蜡线异型水路
右:低压射出成型的蜡制产品

本实验以蜡射出成型技术来进行,使用低压射出机将蜡射出至模具中。融胶温度和冷却液温度分别设定为82 °C和27 °C。成型周期重复10次,以检视实验结果和确保准确性。

Moldex3D模拟与实验结果呈现高度相符(图八)。如模拟结果所示,相较于传统水路,异型水路可改善69.61%的冷却时间。

图八 实验和模拟结果比较:(a)传统水路的冷却时间、(b)异型水路的冷却时间

结果

透过以上的研究得知,Moldex3D对于优化异型水路是非常有用的工具。此研究结果可帮助明志科大团队了解异型水路可同时有效改善冷却时间、温度差异和产品变形。实验结果也验证,异型水路确实比传统水路更能提高冷却效率。

 

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