有效評估模溫機 掌握這些原則就對了

射出成型的模具溫度控制,通常利用冷卻液不斷通過模具,來確保模具保持在固定溫度。 如果冷卻液通過模具的流量不足或是水溫不如預期,就無法有效將模具保持在指定溫度。模溫機廠商可以根據模座與塑件的尺寸大小,換算出適當模溫機規格;然而射出成型CAE模擬的使用者,要如何評估模溫機有足夠能力維持模溫?以下將說明使用模流分析軟體評估模溫機的原則。

圖一 模溫機與模具水管示意圖

水管的流量與壓力關係

模擬過程中要控制冷卻水路的液體流動,通常可以設定兩種邊界條件種類:流量或壓力。在流量方面,當冷卻液在水管內流動時,進水口與出水口的流量必定是相等的,使用者只要量測水管一端流量,就可知另一端流量,所以流量是較容易掌握的水管邊界條件。至於壓力方面,水管進水口壓力會大於出水口壓力,便是此壓力差才產生流動現象。使用Moldex3D模流分析軟體,出水口壓力默認值則為零,使用者只需要設定進水口的壓力邊界,此壓力值就會等於進出水口壓力差。如果繪製水管流量與壓力關係圖,可以看見壓力差越大、流量就越大,大約呈現正比關係(如圖二)。

圖二 水管流量與壓力關係

除了壓力差之外,流動阻力也是影響流量的因素之一,流動阻力會隨著幾種條件改變,例如:水管管徑、水管長度、管壁光滑度、冷卻液性質及流量等等。這些關係可以參考達西–威斯巴哈方程式(Darcy–Weisbach equation)的各種參數得知(圖三)。

圖三 達西─威斯巴哈方程式

模溫機的流量與壓力關係

模溫機是幫助冷卻液流動,並且穩定冷卻液溫度的機器。模溫機裡面裝有幫浦,是推動冷卻液流動的動力來源。與水管流量壓力關係不同,模溫機幫浦輸出壓力越大,流量輸出越小;流量越大,輸出壓力就越小。當我們在閱讀模溫機規格書時,可以看見最大流量及最大壓力值,須注意這兩個條件並不會同時發生。 如果繪製模溫機流量與壓力關係圖,可以看見壓力與流量呈現反比(如圖四)。

圖四 模溫機幫浦流量與壓力關係

從射出成型模擬找出模溫機需求

在射出成型模擬之中進行水管分析,可以取得每根水管的流量與壓力差。水管的總流量代表模溫機必須提供的流量;而水管之中的最大壓力差,代表模溫機必須提供的最小壓力。評估時我們將水管總流量及最大壓力差的座標位置,標在模溫機流量與壓力關係圖中。這個座標位置如果落在模溫機流量與壓力關係線之下,代表模溫機可以提供足夠流量及壓力;這個座標位置如果落在關係線之上,代表模溫機無法提供足夠流量及壓力(圖五)。Moldex3D最新發布的R17版本中已可提供冷卻水管的流量、壓降以及模具散熱的資料,藉由應用幫浦性能曲線,也可進一步評估模溫機的性能是否足夠。

圖五 模溫機可負載區域

模擬注意事項

在射出成型模擬過程之中,往往使用大流量作為理想水管條件;如果換算模溫機需求,將會得到一個很大量值。所以如果想要精確換算,最好參考自家模溫機流量規格,作為水管邊界條件值,避免預估過大。 除了流量壓力之外,模溫機冷卻與加熱能力也是評估模溫機的參數。模擬過程中,使用者可以查閱水管的熱負載量值,比對模溫機規格書內的冷卻與加熱能力,只要模溫機冷卻能力大於模擬水管的熱負載量值,或是模溫機加熱能力大於模擬水管的負數熱負載值,就可以視為符合需求。Moldex3D提供查閱功能,使用者可在CSV檔取得整理過後的需求資訊(圖六)。模擬技術可為使用者提供一定的參考值,在實務上評估模溫機有很大的幫助。

圖六 Moldex3D水管壓力、流量及冷卻能力需求