邱彥程，王宏洲，邱顯森，游朝凱，楊文賢，張榮語(yǔ)

（1.科盛科技股份有限公司 ，2. 國(guó)立清華大學(xué)化學(xué)工程系）

1 前言

冷卻系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，一向是影響射出成型成品好壞的重要因子，良好的冷卻系統(tǒng)，可以縮短周期，同時(shí)改善產(chǎn)品品質(zhì)。透過(guò)CAE模擬可以驗(yàn)證事先構(gòu)想的冷卻系統(tǒng)，并提供使用者找出最佳的設(shè)計(jì)方向。在CAE模擬之中，普遍將水管及模座的溫度分布假設(shè)為穩(wěn)態(tài)，并用來(lái)計(jì)算塑件隨時(shí)間的變化是較為快速并且可行的，然而在動(dòng)態(tài)模溫的制程下，水路的溫度不再保持不變，將模座假設(shè)為一穩(wěn)定狀態(tài)的方式已不適用，因此，模擬出模座隨時(shí)間變化的溫度分布情形是十分重要的。藉由暫態(tài)的模擬，方能在動(dòng)態(tài)模溫的制程下，清楚看出當(dāng)水管設(shè)定改變時(shí)影響溫度分布的情形。

在射出成型的充填過(guò)程中提高模溫有許多好處，不只是提高流動(dòng)性，產(chǎn)品的成型品質(zhì)可大幅提升，融合線強(qiáng)度亦因而提高，然而高模溫也會(huì)增加所需要用來(lái)冷卻塑件的時(shí)間，因此可變模溫的制程，便是兼具於充填時(shí)提高模溫的優(yōu)點(diǎn)。動(dòng)態(tài)模溫控制的方式包含急冷急熱(Rapid Heat Cycle Molding)、脈沖式冷卻(Pulsed-Cooling)、水管溫度的冷熱切換等。 在動(dòng)態(tài)模溫的制程中，比一般傳統(tǒng)制程的模溫變化更為顯著的，考慮的因素也很多，像是變換模溫需要多少時(shí)間，模溫分布是否均勻…等等，也因此，如何控制制程以確保預(yù)定模溫目標(biāo)，便是值得我們?nèi)パ芯康恼n題。在本篇研究中，以水管溫度的冷熱切換時(shí)間點(diǎn)為研究對(duì)象，利用CAE工具找出加熱及冷卻時(shí)間的最佳切換時(shí)機(jī)，作為使用變模溫制程的參考。

2 理論

2.1 能量守恒

整體的熱傳現(xiàn)象主要是由三維的Poisson方程式所控制，如下所示

其中T代表溫度，t代表時(shí)間，x,y,z分別為卡氏座標(biāo)中的三個(gè)向量，ρ是密度，PC是比熱，k為熱傳系數(shù)，其中模座及塑件的熱力性質(zhì)均以此統(tǒng)御方程式來(lái)計(jì)算。

2.2 初始條件

初始模溫是假設(shè)與所給定的初始設(shè)定值相同，而初始塑件溫度分布則是藉由充填與保壓結(jié)束時(shí)的溫度分布結(jié)果所獲得，如下所示

2.3 邊界條件

藉由水管的流動(dòng)，會(huì)帶走塑件於熔融狀態(tài)下的熱量，而周?chē)目諝庖矔?huì)藉由熱對(duì)流的效應(yīng)帶走模座表面的熱量，在此研究中，將忽略熱幅射的效應(yīng)，其中模座的表面及介面間的狀態(tài)如下

n代表模座邊界的正向，在模座外表面的邊界條件:

在冷卻水路表面的邊界條件:

熱傳系數(shù)ch和airh是藉由在傳輸現(xiàn)象中的實(shí)驗(yàn)

公式所取得。

2.4 數(shù)值離散方法

在這份研究中，數(shù)值方式是使用有限體積法(Finite Volume Method)來(lái)計(jì)算此統(tǒng)御方程式，這個(gè)解算器已經(jīng)成功應(yīng)用在射出成型的模擬中，并藉由許多實(shí)驗(yàn)結(jié)果來(lái)確保其可靠性及 其效率，選擇合適的解算器可以處理包含四面體、六面體、角柱體、金字塔體，當(dāng)沒(méi)有對(duì)網(wǎng)格做額外強(qiáng)化時(shí)，角柱體元素也被用來(lái)改善對(duì)熱邊界的解算，此種方法已被應(yīng)用於處理百萬(wàn)級(jí)元素的模座冷卻分析。

3 結(jié)果與討論

在變模溫制程中，管路除了通過(guò)冷卻液冷卻模具之外，也會(huì)利用其它高溫物質(zhì)如油、水蒸氣來(lái)提高模具溫度，本研究則是選擇高溫水作為加熱來(lái)源，在充填及開(kāi)模階段進(jìn)行加熱，另外在保壓及冷卻階段進(jìn)行冷卻。圖1顯示本研究的幾何模型及水路設(shè)計(jì)，此模座大小為1750×2120×890mm，塑件厚度為10mm，圖2顯示感測(cè)點(diǎn)在模座的位置。

圖1 模具塑件跟水管的幾何形狀

圖2 感測(cè)點(diǎn)在模具中的位置

在本篇研究中，分成兩個(gè)部份。先采用以固定時(shí)間控制的變模溫制程，作為最佳化之前的對(duì)照組，在這個(gè)制程之中，冷卻加熱的切換時(shí)間，在射出之前就已經(jīng)決定了，其制程溫度設(shè)定列於

表1。另外一個(gè)制程，則以模溫及塑件溫度作為最佳化條件，針對(duì)冷熱切換的時(shí)間點(diǎn)進(jìn)行最佳化，其條件列於表2，加熱溫度選擇120℃，以便減少加熱時(shí)間，在這個(gè)分析之中將根據(jù)結(jié)果，提供一個(gè)最佳化的冷熱切換時(shí)間，將于后文進(jìn)一步討論。

表1 以固定時(shí)間切換水溫的變模溫制程設(shè)定

表2 以溫度條件切換水溫的變模溫制程設(shè)定

4 固定時(shí)間變模溫制程

表3列出切換冷熱水溫的時(shí)間長(zhǎng)度，利用這個(gè)時(shí)間設(shè)定進(jìn)行分析，其分析之後的周期變化歷程顯示於圖3，圖4(a)顯示在加熱階段模具的溫度分布，圖4(b)顯示在冷卻階段模具的溫度分布。

在進(jìn)行以上分析之前，為了提早達(dá)到穩(wěn)定周期狀態(tài)，需要先對(duì)模具進(jìn)行預(yù)熱，讓模具從室溫上升達(dá)到指定初始溫度，適當(dāng)?shù)念A(yù)熱時(shí)間可以確保在第一射就達(dá)到工作溫度。如何知道所需之預(yù)熱時(shí)間，讓模具整體都達(dá)到指定溫度，此時(shí)就可以利用CAE分析提供預(yù)測(cè)的方向，方便觀察并統(tǒng)計(jì)模具各個(gè)位置的溫度。圖5即顯示從室溫加熱至模溫100℃所需時(shí)間及溫度歷程，此分析結(jié)果就可以知道至少要多久時(shí)間，才能開(kāi)始第一次射出。

表3 以固定時(shí)間控制變模溫制程，未最佳化前所設(shè)定之切換時(shí)間

圖3 平均模溫隨周期變化(未最佳化之前)

圖4 模溫分布剖面

圖5 從室溫加熱至工作溫度的平均模溫變化

5 時(shí)間最佳化變模溫制程

變模溫制程中一項(xiàng)重要的問(wèn)題是如何決定加熱與冷卻的時(shí)機(jī)，而這個(gè)時(shí)機(jī)由模溫決定，由於塑件接觸模座的區(qū)域只有在模穴表面，因此考慮時(shí)，只需要量測(cè)模穴表面的溫度變化。透過(guò)CAE分析，就能輕易地監(jiān)控任意區(qū)域的溫度。在加熱時(shí)，可監(jiān)測(cè)并統(tǒng)計(jì)模穴表面的溫度，而在冷卻時(shí)，亦可觀察塑件內(nèi)部的溫度狀態(tài)，以得知塑件整體溫度是否已經(jīng)降到頂出溫度。利用加熱及冷卻的兩種條件(表2所示)，CAE分析時(shí)自動(dòng)調(diào)整加熱及冷卻時(shí)間，其分析過(guò)程的溫度歷程顯示在圖6。最後一個(gè)周期即為最佳化之加熱及冷卻時(shí)間，最佳時(shí)間結(jié)果列在表4。再利用此最佳化時(shí)間進(jìn)行分析，其溫度歷程顯示於圖7。從表3及表4的結(jié)果得知，未最佳化前周期時(shí)間為35秒，最佳化之後時(shí)間為31秒，縮短了4秒的周期時(shí)間，提高了生產(chǎn)效率。圖8顯示靠近模穴表面的溫度歷程，圖9顯示靠近水管附近的溫度歷程，圖10顯示靠近模座表面的溫度歷程，由上三圖比較可以知道，離水管越遠(yuǎn)，溫度變化越趨緩，且變動(dòng)范圍并沒(méi)有改變，顯示以此冷熱時(shí)間設(shè)定，可提供模具一個(gè)穩(wěn)定的模溫環(huán)境，模溫變動(dòng)范圍不會(huì)有持續(xù)改變之慮。

表4 最佳化的預(yù)熱時(shí)間, 冷卻時(shí)間及加熱時(shí)間

圖6 尋找最佳化過(guò)程的溫度歷程曲線

圖7 以最佳化條件計(jì)算的溫度歷程曲線

圖8 以最佳化條件計(jì)算的感測(cè)點(diǎn)溫度歷程曲線(塑件附近)

圖9 以最佳化條件計(jì)算的感測(cè)點(diǎn)溫度歷程曲線(水管附近)

圖10 以最佳化條件計(jì)算的感測(cè)點(diǎn)溫度歷程曲線(模座表面附近)

6 結(jié)論

在本篇研究中，可以觀測(cè)模具內(nèi)任意位置之溫度歷程，由不同位置的溫度變化可以發(fā)現(xiàn)不同的熱傳特性，進(jìn)一步利用這些資訊，可以找到預(yù)熱所需時(shí)間，也可找出射出所需的最佳加熱冷卻時(shí)間，藉此增加變模溫的效率，并達(dá)到節(jié)能減碳的目的，同時(shí)也能減少周期時(shí)間，協(xié)助掌握最佳之變模溫制程。

[1]. R. Y. Chang and W. S. Yang, “Numerical Simulation of Mold Filling in Injection Molding Using a Three-dimensional Finite Volume Approach”, Int. J.Numer. Meth. Fluids, Vol.37, 125-148(2001)

[2]. YuFeng Chen, Venny Yang, WenHsien Yang and Rong-Yeu Chang, “Temperature characteristics of moldbase in RHCM process with 3D Fully Transient Simulation”, 1295, ANTEC 2006

[3]. J. A. Chang, S. C. Chen and J. C. Cin,“Rapid Mold Temperature Control on Micro InjectionMolded Parts with Aspect Ratio Micro-features”, 1275, ANTEC 2006

[4]. Y. C. Chiou, Y. Y. Chou, H. S. Chiu, C. K. Yu and C. H.Hsu, “Integrated true 3d simulation of rapid heat cycle molding process”, ANTEC 2007