科盛科技技術支援處 工程師 林明瑜

大綱

本研究以熱像儀搭配壓力/流量計構成的監測系統，對積層製造（3D列印）製作的鑲件之表面溫度及異型水路的流量效能進行即時監控，並與相同條件下的Moldex3D模擬結果進行比對，結果顯示模擬與實際測試一致，能有效降低複雜產品的開發成本。

挑戰

• 評估在投入生產前設計不鏽鋼異型水路取代鈹銅高導熱的效益
• 模擬結果須與真實匹配性高
• 測試系統做為3D列印異型水路模具的效能驗證工具

解決方案

利用模座預熱模組重現異型水路模具的熱成像溫度分布

效益

• 模擬與實際測試結果一致
• 模具壽命增加一倍
• 模具製造成本為原本鈹銅模具的一半

案例研究

水路設計對於塑膠成型的模溫差與翹曲的影響甚為重要，而以積層製造/3D列印方式製造的異型水路能夠改善傳統水路的缺點，包括降低熱點溫度、減少製程週期時間等。但異型水路製作成本較高，需要搭配精確的模擬分析以提高應用普及度。本研究建立一測試系統，監控模具溫度場及流場，並根據實際熱傳效能來輔助模型建立與參數設定，提高異型水路的設計效能。

原始水路設計如圖一所示，材料為鈹銅，雖具有高導熱的優點，但有環保的疑慮，且因射出件的材料含有玻璃纖維，鈹銅的耐磨性不足容易降低模具壽命，進而提高製造成本。

圖一、原始水路設計

綜合上述，將使用3D列印的方式製造另一兼具使用壽命長與優異冷卻效率的模具，選用的模具材質為高硬度的不鏽鋼，在3D列印生產前，先使用Moldex3D模擬結果協助客戶判斷模具的特定關鍵區域是否達到預期，評估項目包括溫度分布及異型水路的流場效能，分析條件如圖二所示。

圖二、設定水路模擬條件

分析完成後，由圖三水路的速度模擬結果可知，出水口流速約84.35cm/s，經由換算得到流量為3.97L/min，而實際測量的流量值為3.80L/min，兩者結果相當接近。

圖三、出水口速度模擬結果 vs. 實際流量

實驗進一步使用熱像儀紀錄模具升溫過程的溫度分布。由圖四比較溫度結果可知，模擬與實際測試的結果一致，呈現相同的分布趨勢，且隨時間增加，溫度分布逐漸趨於均勻。將熱像儀測得的數據製成溫度曲線並與模擬結果比較，如圖五所示，趨勢基本上相符，只是在前期的數值上有些誤差，若以最後一秒的溫度來比較，實驗與模擬的溫差約為1.3°C。

圖四、各時間點的溫度分布比對

圖五、實際（IR）與模擬（CAE）的溫度歷程比對

比較原始設計的鈹銅材質與優化設計的不銹鋼材質(圖六)，儘管不銹鋼的熱傳效果未及鈹銅，但異型水路設計彌補了這個缺點。此外，不銹鋼高硬度的性質大幅提升了模具的耐磨性，延長模具壽命。經由客戶端測試，模具在相同的週期時間可達到相同的冷卻效果，且優化設計後的模溫變得更均勻，而均勻的溫度分布可減少產品因模溫差造成的翹曲。

圖六、原始設計（鈹銅） vs. 優化設計（不鏽鋼）

結果

本研究利用 Moldex3D 預測異型水路的溫度場與流場，並與實際現場數據進行驗證，成功將高成本的鈹銅模具替換為製造成本更低的不銹鋼模具。不僅降低對環境的影響，模具壽命更提升至原來的兩倍，同時使模具的溫度分布更加均勻。由於高階產品的開發難度和模具成本較高，Moldex3D 模流分析在模具開發與優化方面提供了重要支持，能有效縮短開發時程，降低開發失誤，並提升整體效率。