变模温控制之下温度变化特性

邱彦程，王宏洲，邱显森，游朝凯，杨文贤，张荣语

（1.科盛科技股份有限公司 ，2. 国立清华大学化学工程系）

1 前言

冷却系统的设计，一向是影响射出成型成品好坏的重要因子，良好的冷却系统，可以缩短周期，同时改善产品品质。透过CAE模拟可以验证事先构想的冷却系统，并提供使用者找出最佳的设计方向。在CAE模拟之中，普遍将水管及模座的温度分布假设为稳态，并用来计算塑件随时间的变化是较为快速并且可行的，然而在动态模温的制程下，水路的温度不再保持不变，将模座假设为一稳定状态的方式已不适用，因此，模拟出模座随时间变化的温度分布情形是十分重要的。藉由暂态的模拟，方能在动态模温的制程下，清楚看出当水管设定改变时影响温度分布的情形。

在射出成型的充填过程中提高模温有许多好处，不只是提高流动性，产品的成型品质可大幅提升，融合线强度亦因而提高，然而高模温也会增加所需要用来冷却塑件的时间，因此可变模温的制程，便是兼具於充填时提高模温的优点。动态模温控制的方式包含急冷急热(Rapid Heat Cycle Molding)、脉冲式冷却(Pulsed-Cooling)、水管温度的冷热切换等。 在动态模温的制程中，比一般传统制程的模温变化更为显着的，考虑的因素也很多，像是变换模温需要多少时间，模温分布是否均匀…等等，也因此，如何控制制程以确保预定模温目标，便是值得我们去研究的课题。在本篇研究中，以水管温度的冷热切换时间点为研究对象，利用CAE工具找出加热及冷却时间的最佳切换时机，作为使用变模温制程的参考。

2 理论

2.1 能量守恒

整体的热传现象主要是由三维的Poisson方程式所控制，如下所示

其中T代表温度，t代表时间，x,y,z分别为卡氏座标中的三个向量，ρ是密度，PC是比热，k为热传系数，其中模座及塑件的热力性质均以此统御方程式来计算。

2.2 初始条件

初始模温是假设与所给定的初始设定值相同，而初始塑件温度分布则是藉由充填与保压结束时的温度分布结果所获得，如下所示

2.3 边界条件

藉由水管的流动，会带走塑件於熔融状态下的热量，而周围的空气也会藉由热对流的效应带走模座表面的热量，在此研究中，将忽略热幅射的效应，其中模座的表面及介面间的状态如下

n代表模座边界的正向，在模座外表面的边界条件:

在冷却水路表面的边界条件:

热传系数ch和airh是藉由在传输现象中的实验

公式所取得。

2.4 数值离散方法

在这份研究中，数值方式是使用有限体积法(Finite Volume Method)来计算此统御方程式，这个解算器已经成功应用在射出成型的模拟中，并藉由许多实验结果来确保其可靠性及 其效率，选择合适的解算器可以处理包含四面体、六面体、角柱体、金字塔体，当没有对网格做额外强化时，角柱体元素也被用来改善对热边界的解算，此种方法已被应用於处理百万级元素的模座冷却分析。

3 结果与讨论

在变模温制程中，管路除了通过冷却液冷却模具之外，也会利用其它高温物质如油、水蒸气来提高模具温度，本研究则是选择高温水作为加热来源，在充填及开模阶段进行加热，另外在保压及冷却阶段进行冷却。图1显示本研究的几何模型及水路设计，此模座大小为1750×2120×890mm，塑件厚度为10mm，图2显示感测点在模座的位置。

图1 模具塑件跟水管的几何形状

图2 感测点在模具中的位置

在本篇研究中，分成两个部份。先采用以固定时间控制的变模温制程，作为最佳化之前的对照组，在这个制程之中，冷却加热的切换时间，在射出之前就已经决定了，其制程温度设定列於

表1。另外一个制程，则以模温及塑件温度作为最佳化条件，针对冷热切换的时间点进行最佳化，其条件列於表2，加热温度选择120℃，以便减少加热时间，在这个分析之中将根据结果，提供一个最佳化的冷热切换时间，将于后文进一步讨论。

表1 以固定时间切换水温的变模温制程设定

表2 以温度条件切换水温的变模温制程设定

4 固定时间变模温制程

表3列出切换冷热水温的时间长度，利用这个时间设定进行分析，其分析之後的周期变化历程显示於图3，图4(a)显示在加热阶段模具的温度分布，图4(b)显示在冷却阶段模具的温度分布。

在进行以上分析之前，为了提早达到稳定周期状态，需要先对模具进行预热，让模具从室温上升达到指定初始温度，适当的预热时间可以确保在第一射就达到工作温度。如何知道所需之预热时间，让模具整体都达到指定温度，此时就可以利用CAE分析提供预测的方向，方便观察并统计模具各个位置的温度。图5即显示从室温加热至模温100℃所需时间及温度历程，此分析结果就可以知道至少要多久时间，才能开始第一次射出。

表3 以固定时间控制变模温制程，未最佳化前所设定之切换时间

图3 平均模温随周期变化(未最佳化之前)

图4 模温分布剖面

图5 从室温加热至工作温度的平均模温变化

5 时间最佳化变模温制程

变模温制程中一项重要的问题是如何决定加热与冷却的时机，而这个时机由模温决定，由於塑件接触模座的区域只有在模穴表面，因此考虑时，只需要量测模穴表面的温度变化。透过CAE分析，就能轻易地监控任意区域的温度。在加热时，可监测并统计模穴表面的温度，而在冷却时，亦可观察塑件内部的温度状态，以得知塑件整体温度是否已经降到顶出温度。利用加热及冷却的两种条件(表2所示)，CAE分析时自动调整加热及冷却时间，其分析过程的温度历程显示在图6。最後一个周期即为最佳化之加热及冷却时间，最佳时间结果列在表4。再利用此最佳化时间进行分析，其温度历程显示於图7。从表3及表4的结果得知，未最佳化前周期时间为35秒，最佳化之後时间为31秒，缩短了4秒的周期时间，提高了生产效率。图8显示靠近模穴表面的温度历程，图9显示靠近水管附近的温度历程，图10显示靠近模座表面的温度历程，由上三图比较可以知道，离水管越远，温度变化越趋缓，且变动范围并没有改变，显示以此冷热时间设定，可提供模具一个稳定的模温环境，模温变动范围不会有持续改变之虑。

表4 最佳化的预热时间, 冷却时间及加热时间

图6 寻找最佳化过程的温度历程曲线

图7 以最佳化条件计算的温度历程曲线

图8 以最佳化条件计算的感测点温度历程曲线(塑件附近)

图9 以最佳化条件计算的感测点温度历程曲线(水管附近)

图10 以最佳化条件计算的感测点温度历程曲线(模座表面附近)

6 结论

在本篇研究中，可以观测模具内任意位置之温度历程，由不同位置的温度变化可以发现不同的热传特性，进一步利用这些资讯，可以找到预热所需时间，也可找出射出所需的最佳加热冷却时间，藉此增加变模温的效率，并达到节能减碳的目的，同时也能减少周期时间，协助掌握最佳之变模温制程。

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