變模溫控制之下溫度變化特性

邱彥程，王宏洲，邱顯森，游朝凱，楊文賢，張榮語

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

1 前言

冷卻系統(tǒng)的設(shè)計，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，同時改善產(chǎn)品品質(zhì)。透過CAE模擬可以驗證事先構(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)，并用來計算塑件隨時間的變化是較為快速并且可行的，然而在動態(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，方能在動態(tài)模溫的制程下，清楚看出當(dāng)水管設(shè)定改變時影響溫度分布的情形。

在射出成型的充填過程中提高模溫有許多好處，不只是提高流動性，產(chǎn)品的成型品質(zhì)可大幅提升，融合線強度亦因而提高，然而高模溫也會增加所需要用來冷卻塑件的時間，因此可變模溫的制程，便是兼具於充填時提高模溫的優(yōu)點。動態(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間點為研究對象，利用CAE工具找出加熱及冷卻時間的最佳切換時機，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代表時間，x,y,z分別為卡氏座標(biāo)中的三個向量，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)御方程式來計算。

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，會帶走塑件於熔融狀態(tài)下的熱量，而周圍的空氣也會藉由熱對流的效應(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)象中的實驗

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)來計算此統(tǒng)御方程式，這個解算器已經(jīng)成功應(yīng)用在射出成型的模擬中，并藉由許多實驗結(jié)果來確保其可靠性及 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)沒有對網(wǎng)格做額外強化時，角柱體元素也被用來改善對熱邊界的解算，此種方法已被應(yīng)用於處理百萬級元素的模座冷卻分析。

3 結(jié)果與討論

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

圖1 模具塑件跟水管的幾何形狀

圖2 感測點在模具中的位置

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

表1。另外一個制程，則以模溫及塑件溫度作為最佳化條件，針對冷熱切換的時間點進行最佳化，其條件列於表2，加熱溫度選擇120℃，以便減少加熱時間，在這個分析之中將根據(jù)結(jié)果，提供一個最佳化的冷熱切換時間，將于后文進一步討論。

表1 以固定時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 固定時間變模溫制程

表3列出切換冷熱水溫的時間長度，利用這個時間設(shè)定進行分析，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。

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

表3 以固定時間控制變模溫制程，未最佳化前所設(shè)定之切換時間

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 時間最佳化變模溫制程

變模溫制程中一項重要的問題是如何決定加熱與冷卻的時機，而這個時機由模溫決定，由於塑件接觸模座的區(qū)域只有在模穴表面，因此考慮時，只需要量測模穴表面的溫度變化。透過CAE分析，就能輕易地監(jiān)控任意區(qū)域的溫度。在加熱時，可監(jiān)測并統(tǒng)計模穴表面的溫度，而在冷卻時，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分析時自動調(diào)整加熱及冷卻時間，其分析過程的溫度歷程顯示在圖6。最後一個周期即為最佳化之加熱及冷卻時間，最佳時間結(jié)果列在表4。再利用此最佳化時間進行分析，其溫度歷程顯示於圖7。從表3及表4的結(jié)果得知，未最佳化前周期時間為35秒，最佳化之後時間為31秒，縮短了4秒的周期時間，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，溫度變化越趨緩，且變動范圍并沒有改變，顯示以此冷熱時間設(shè)定，可提供模具一個穩(wěn)定的模溫環(huán)境，模溫變動范圍不會有持續(xù)改變之慮。

表4 最佳化的預(yù)熱時間, 冷卻時間及加熱時間

圖6 尋找最佳化過程的溫度歷程曲線

圖7 以最佳化條件計算的溫度歷程曲線

圖8 以最佳化條件計算的感測點溫度歷程曲線(塑件附近)

圖9 以最佳化條件計算的感測點溫度歷程曲線(水管附近)

圖10 以最佳化條件計算的感測點溫度歷程曲線(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，進一步利用這些資訊，可以找到預(yù)熱所需時間，也可找出射出所需的最佳加熱冷卻時間，藉此增加變模溫的效率，并達到節(jié)能減碳的目的，同時也能減少周期時間，協(xié)助掌握最佳之變模溫制程。

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