Moldex3D模流分析之Cool Process Characteristics

冷却系统设计影响熔胶固化过程及塑料产品翘曲变形，并且冷却时间占总周期时间70%-80%。因此，一个良好的冷却系统，可以大幅缩短塑件成型时间，帮助增加生产效率及成品质量。更进一步来说，良好冷却系统提供了均匀冷却环境，能够让帮助塑件均匀收缩，减少翘曲温度，并能确保熔胶能够顺利充满模穴之中。

冷却系统图解

透过冷却系统机制，塑件热量持续地被冷却液及空气带走，直到塑件温度低于顶出温度，就能让塑件顶出。顶出后的塑件仍持续会被空气温度影响，直到与空气温度相同。刚开始前几个周期，模温会受到熔胶影响，让模具温度变化会较为剧烈，直到周期数目够多之后，模温会近似稳态变化，单一周期内变化幅度不超过摄氏5度甚至更少，因此，可以把模温以周期时间平均，视为稳态温度。然而，在模温变化较为剧烈的特殊制程，例如变模温制程，单一周期内有很大温度变化振福，此时就不能把模温视为稳态温度，而必须要以瞬时方式观察每一个时间变化。

典型的模温变化周期

此外，当塑件冷却到顶出阶段时，其温度应低于材料热变形的温度 (deflection temperature)，如此才可以避免变形的发生，否则，有可能因为脱模时的外力而发生残留应力的释放，或翘曲变形等严重的问题。

在现实中，模温呈现稳态周期性变化，冷却分析模块可以周期平均方式仿真稳态温度，也可以瞬时方式模拟模温每一个时间变化。

典型模温变化周期

Moldex3D/Shell-Cool主要应用Fast Finite Element(FFEM)作为主要冷却计算架构，以2.5D薄壳模型为基础再配合2.5D Hele-Shaw流动模型作为填充结果，透过几何转换对应3D网格以进行3D冷却分析，相对于传统边界元素法(Boundary Element Method, BEM)，FFEM具有节省内存、计算快速准确、容易收敛…等优点。使用FFEM可以在数分钟之内完成任何复杂模具的冷却分析，而BEM法则容易出现计算不收敛、计算时间过长(通常需要数小时以上)、计算内存过大…等问题。

Moldex3D/Solid-Cool为真实三维实体模流分析技术，使用High Performance Finite Volume Method(HPFVM)作为数值解法，同时配合3D模型充填分析结果进行计算，针对真实3D模流冷却分析提供一个高效率的算法。包含塑件、冷却水管与模座，均为三维实体元素。Moldex3D/Solid-Cool另有Fast-Cool计算模块可利用近似 Shell 模块之水管元素，无需产生模座实体元素，此可大幅简化几何建模产生网格之负担并提高求解效率，可适用于快速之水管设计评估验证。

模具冷却中用到的组件有许多种，在此介绍几种基本组件。

模具冷却系统

•一般水管

一般水管位于模座内部，用于维持模座温度。

• 软管

软管被用于串接一般水管，预设为绝热。

• 岐管

负责连接模温机及模具水管，将一根分歧成多根水管，或者集中多根水管成为一根。

隔板与喷泉式水路

•隔板式水路

这种水路组件是在水管孔洞中，放入一个隔板，将圆形的孔洞隔成两个半圆形水管。隔板式水路通常被用来冷却塑件中心却没有足够的空间钻出U形水路。

•喷流式水路

类似隔板式水路，这种水路组件是在钻出的圆孔中，在孔内再放入一根圆管，流体先流进圆管内，再从环形管流出。喷流式水路通常被用来冷却塑件中心却没有足够的空间钻出U形水路。

• 模温控制

模温控制是透过冷却液与模具之间热量交换，藉由冷却液流动强制使模具与冷却液温度相同，这热传现象可用以下数学式表示：

其中hf 为热对流系数，Tw 为冷却液与模座交界面温度，Tc 为冷却液温度，Nu 为纽赛尔数 (Nusselt number) ，do 为湿周长 (Wetted perimeter)，k 为热传导系数。

假设冷却液流动为完全开展流，并且水管管壁为光滑表面。所需之纽赛尔数，可利用迪特司-鲍尔特方程式 (Dittus –Boelter equation) 换算[1]。

Nu = 0.023Re4/5 Prn

其中加热时 n=0.4，冷却时n=0.3，Re 为雷诺数 (Reynolds number)，Pr 为普朗特数 (Prandtl number)。