具是賦予成品固定的幾何形狀?用以重複大量生產成品的工具。
除了產品外形、肉厚設計?還需要考慮澆口位置?流道排列?冷卻管路配置?滑塊、頂針、機構等。
模具設計準則
傳統上在模具設計?首先考慮的是機構因素?安排分模面、軸向位置、滑塊頂針、澆口位置、流道排列等?最後才想到塑料應如何充填。
但通常模具設計者本身並不具備成型的概念?不了解究竟多少壓力差才能填滿整組模穴?為了確保成型性?一般均採取較謹慎保守的方式-加大流道面積?加多澆口數目等?當有了成型問題?塑料跑不到的地方再多開一個澆口...這個現象今天在台灣依然普遍。
要得到良好成品,需要了解模具內部的流動行為: 塑料在高溫下熔融成液態?射出機台賦予一股壓力?熱熔體會因壓力差由高壓往低壓方向流動。模壁兩側速度較中央為慢?是因受到反方向的摩擦力所致。
事實上?在射出充填階段?仍然可以細分成兩部份:
1. 流動:塑料由噴嘴流出?經主澆道至流道、澆口而注入模穴?由流動起始至剛充滿模穴的瞬間?視為流動階段。
2. 保壓:當完全填滿整個模穴后?由於塑料熔體具有可壓縮性?來自於射座螺桿的壓力持續增加時?此壓力升高可以多填入額外約15%的物料。之後?由於冷卻造成體積收縮?保壓後段更隨時填入新塑料以補償收縮減少的體積?正常情況下可填入約25%的額外體積?這約等於熔融熱塑料與冷固態塑料的體積變化。
模具設計正確觀念
傳統進行一項塑料製品生產前?造形設計人員首先描繪出抽象的外形?以手工捏制出黏土模型?決定了尺寸后?再交由模具設計人員進行成品圖與模具圖繪製?完成後再去加工模具。
接下來?也許三個月後試模?試模結果經常是發現成型問題?需要反覆修模?修的不好還需補模?等試好一個產品時?有時模具已是千瘡百孔?而中間過程所浪費的人力與時間更是難以估計！而我們的希望是一次試模就能夠得到良好的產品。
為什麼需要試模? --因為沒有人能準確預測塑料在模具內部的成型情況?而這一部份因素卻決定了產品質量。當得到的產品不是原先所預期而有缺陷時?只能加以修改?以求得較好的產品。
我們能控制的是射出機台上的操作參數?如溫度、射速、壓力、時間等?當完成射出程序后?得到的成品?我們期望是個良好的產品''表面美觀?沒有成型缺陷?尺寸安定?沒有凹陷變形等。但在模具內部看不到的黑盒子內?到底發生了什麼?中間過程這一部份是我們不了解的?為什麼有的產品質量良好?有的卻不良率很高呢?
為達到最佳設計?設計人員應該先了解模具內部的成型情形?在模具設計前就先把相關因素考慮進來?才能獲致良好成品?而CAE正是解讀模具內部成型所有信息的有效工具。
冷卻分析
流動分析?可以幫助我們了解塑料在模穴內部的成型情況?用以找出適當成型條件及生產良好產品?冷卻分析?則在於設計有效冷卻管路與控制冷卻條件?縮短成型周期。對大部份產品?冷卻時間約佔了七成?若能縮減這一部份時間損耗?對生產力來說是大幅提升。
進行有效冷卻設計之前?應該先了解相關觀念: 模具可以視為一個熱交換系統?熱量來源是熔融熱塑料所帶進來的熱量?再以幾種方
冷卻機構主要為:
1. 金屬模板熱傳導。
2. 對流及非常小部份的輻射散到大氣中。
冷卻水在管路中的流動形態可以分為層流與亂流?亂流才能有效帶走熱量?因此冷卻液流率需控制在亂流範圍內。下圖是層流與亂流時?管內液體與金屬模壁間的溫度梯度?由左圖可以了解?層流時模壁溫度較高?是效率差的設計方式。
冷卻速率快慢?則影響到內部的分子配向性與結晶性。均勻的冷卻?能產生均勻的收縮?是最理想的設計方式。但由於幾何上的非對稱?產品內外容易形成不同熱集中區?該區是最慢才冷卻的?也因此造成了收縮較大?成品翹曲。
每一條冷卻水路所涵蓋的有效區域則應加以考慮?例如下圖左?對同一個平面?兩個大管徑產生的效果?並不會比圖右開五個小管來得均勻。
同樣的?相同管徑?但也要考慮熱量集中程度?而需有位置上的調整?下圖T型對象?兩面相交處是熱集中點?因此肋部背後是較多熱量的位置?此處水路應靠近些?而內部兩個角落處?則適合加開兩個小管?才能有效達到均勻冷卻。
水流的安排?則有串聯與並聯兩種基本型式。但因為並聯方式管中流量被分散?效率會降低?一般均採用串聯式。
對某些長深區域?水管能加工區域有限?則採用導管或擋板方式(bubbler & buffle)?增加接觸面積?以提高冷卻效率。
最新的冷卻模塊?則更考慮了詳細的各部機構?例如分模面?鑲入件(insert)?模座大小等。
應用冷卻分析前?一些基本的物理名詞應當先行了解:
熱量:使一公克的水升高溫度1℃所需的熱量為1卡(Cal)。 使一公斤的水升高攝氏1℃所需的熱量為1千卡(Kcal)。 比熱(specific heat):水的熱值設定為1 Cal/g℃?則其它物質的熱值?相對於水的比值稱為比熱?這數字顯示了該物質一克升高攝氏1℃所需要的能量。
熱容量Cp (heat capacity)[Cal/cm^3℃]=比重ρ?[g/cm^3] x比熱[Cal/g℃]?這數字錶示物質1單位體積升高溫度1℃時?所包容的能量。相同體積下?熱容量高的物質?升高相同溫度差時?所吸收的能量較高。當考慮不同材質?如鋼材?塑料?冷卻液等?因其比重比熱各不相同?熱容量各異?表現出來的溫度便有差異。
要完整考慮各成份間的熱傳情況?除了熱容量(吸收能量多少)外?還需考慮熱量傳遞速度(熱傳導度)?才能計算出最佳的冷卻設計及控制參數。 熱傳導度κ(Thermo-Conductivity): [W/M/℃]?表示材質傳導熱量快慢的能力。熱傳導度大的物質?吸熱快散熱也快。
真正決定全組模具不同材質間的熱傳特性需包括了兩方面?一是熱容量?一是熱傳係數?在此又另外定義一個參數表示二者的關係: 熱擴散度α(heat diffusivity)= 熱傳導度/熱容量 (α=κ/ρCp) 。 熱擴散度大的物質?表示熱傳導度大(散熱快)且熱容量小(吸熱少)?便能有效散熱。舉例來說?水與塑料、模具鋼材的熱物性分別是:
材質 | 比重ρ g/cm^3 | 比熱 Cal/g℃ | 熱容量Cp Cal/cm^3℃ | 熱傳係數κ Kcal/M.Hr.℃ | 熱擴散度α M^2/Hr |
塑料 | 0.95 | 0.47 | 0.447 | 0.12 | 0.0003 |
鐵 | 7.9 | 0.11 | 0.87 | 45 | 0.0517 |
熱擴散度的比值?鐵與塑料約為0.517/0.0003=172?相差172倍。
翹曲分析
翹曲主要是因為收縮不均所造成的?收縮均勻的成品只是尺寸變小?若不均則成品產生扭曲。在一個成品?收縮性的變化可能有幾種型式:
1. 區域性(region to region):平面位置不同。
2. 厚度層(through the thickness):厚度位置不同。
3. 方向性:平行/垂直分子方向
基本影響收縮的因素?則有：
1. 自由體積收縮: 此為P-V-T實驗量測得到的數據。
2. 結晶性:材料在結晶過程產生相變化?結晶性高的物料收縮會較大。
3. 模具限制:模壁若阻隔了塑料自由收縮?則收縮量會變小。
4. 分子配向性:在流動過程產生的方向性?若不及釋放?則平行於分子主要配向與垂直方向會有不同收縮值。
為了控制翹曲?首先要了解影響收縮率的操作參數有:
歸納翹曲的主要因素?可以分成三大類:
1. 冷卻性差異(differential cooling):冷卻效率所影響?冷麵會先收縮?但很快固化?收縮量固定?但熱面緩慢收縮?分子有較長時間重排?收縮量會更大。
2. 區域收縮性差異(differential shrinkage):隨厚度或位置而有不同?隨保壓效率所決定。
3. 分子配向性差異(orientation):澆口位置?流動方向等是主要因素。例如下例為一中央進料圓盤?流動方向主要是延半徑輻射方向?當此徑向收縮大於其垂直方向時?產品會發生圖上馬鞍狀翹曲?若收縮是垂直方向大於半徑方向時?則發生圖下鐘形翹曲。
收縮分析─ 讀取流動、冷卻分析結果，配合材料物性，計算成品之:
a. 各方向收縮率
b. 分子配向性（ORIENTATION）
c. 面積收縮率
d. 體積收縮率
e. 進行單變數分析
翹曲─ 讀取收縮分析結果，限定邊界條件，計算因收縮不均所造成的各方向翹曲率。詳細功能再細分為線性、非線性、挫曲分析與單變數分析等。
翹曲的型態與計算方式?則可以再區分為線性與非線性兩種?線性關係是翹曲值與收縮量成線性比例?非線性關係則是因為材料產生挫曲 (Buckling)與永久變形?變形量與收縮負荷呈非線性比例?需另外以不同數值解法計算(大位移變形)。
以軟體計算翹曲值?首先需進行挫曲分析計算?求得特徵值(Eigenvalue)?判斷變形形態是線性或非線性。特徵值是表示在當時收縮負荷下?會發生挫曲的比例值?當此特徵值大於一時?表示在全部(百分之百)負荷收縮範圍內?成品不會發生挫曲?計算翹曲只需要以線性比例描述。若特徵值小於一?產品在收縮負荷內就會發生挫曲?產生非線性變形。
挫曲分析:應先判斷為線性或非線性
小位移分析:計算線性變形
大位移分析:計算非線性變形
Constrain:不同限制點選擇方式則會影響表現出的翹曲形狀
