射出成型模具可以藉由設(shè)置異形冷卻水路來縮短冷卻時(shí)間。本研究運(yùn)用金屬3D列印機(jī)臺(tái)，以麻時(shí)效鋼粉末製作具有輪廓異形冷卻水路，以及圓形冷卻水路之射出成型模具，並且實(shí)際運(yùn)用於低壓射蠟射出成型實(shí)驗(yàn)。最後藉由3D光學(xué)量測技術(shù)來量測射出成型件的尺寸與分析。
在工業(yè)界，為了提高生產(chǎn)效率，必須減少塑膠射出成型的冷卻時(shí)間，傳統(tǒng)水路減少塑膠射出成型的冷卻時(shí)間有限，因此，發(fā)展出異形冷卻水路（conformal cooling channels） [1-5]，此種水路可以完全浮貼產(chǎn)品幾何外型分佈，因此可以均勻且有效率的將模具熱量帶走，以提高塑膠射出成型件的生產(chǎn)效率。
本研究團(tuán)隊(duì)於快速模具內(nèi)部製作具有幾何形狀複雜的異形冷卻水路，並運(yùn)用熱壓印成型及於低壓射蠟成型。美國、德國、日本、瑞士、香港及英國等國家雖有異形冷卻水路設(shè)計(jì)技術(shù)，但都是以個(gè)別產(chǎn)品為導(dǎo)向，而且所具有的技術(shù)，均為各公司之經(jīng)驗(yàn)技術(shù)（know-how）。
因此，本研究運(yùn)用金屬3D列印機(jī)以麻時(shí)效鋼（maraging stainless steel）粉末，製作具有圓形冷卻水路以及輪廓異形冷卻水路之射出成型模具（injection molding tool），並且實(shí)際運(yùn)用於低壓射蠟射出成型實(shí)驗(yàn)，並藉由德國3D光學(xué)量測系統(tǒng)（ATOS Core 80,Road Ahead Technologies lnc.）來量測射出成型件的尺寸與分析。
實(shí)驗(yàn)方法與步驟
本研究所使用材料涵蓋麻時(shí)效鋼粉末，如圖1所示、丙烯?-丁二烯-苯乙烯共聚物（Acrylonitrile Butadiene Styrene；ABS）以及蠟（K512, Kato Inc.）。本研究所使用軟體包括SolidWorks （2014 SPO）、Moldex 3D（R14）以及Cura切層軟體。
至於使用硬體與設(shè)備包括金屬3D列印機(jī)（ProX 100）、uPrint 3D列印機(jī)，如圖2所示、場效發(fā)射式掃描電子顯微鏡（field-emission scanning electron microscope, FE-SEM）、X光繞射儀（X-ray Diffractometer；XRD、萬能試驗(yàn)機(jī)、紅外線溫度感測儀（infrared temperature sensor）、金相顯微鏡（M835）、白光干涉儀（White Light Interferometers, WLI ）、能量色散X-射線光譜儀（energy-dispersive X-ray spectroscopy；EDS）、精密電子秤、金相顯微鏡（M835）、數(shù)位多段式真空注蠟機(jī)（0660）以及3D光學(xué)量測。
麻時(shí)效鋼是一種具有高強(qiáng)度韌性及延展性的鋼，麻時(shí)效鋼的強(qiáng)度主要來自數(shù)種金屬化合物，其中的主要合金元素為15%的20%的鎳。麻時(shí)效鋼金屬粉末，主要成分為約17-19% Ni、8-10% Co以及4.5-5.2% Mo。本研究選用的射出產(chǎn)品為一個(gè)水杯，其厚度為2 mm，高度為30 mm，杯口頂部外徑與底部外徑分為30 mm與20 mm，研究載具的體積約為4687.8 mm3。
| 圖2 : 金屬3D列印機(jī)臺(tái)實(shí)體圖 |
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成果討論
@內(nèi)文:圖3為麻時(shí)效鋼射出成型模具所製作的低壓射蠟成品實(shí)體圖。圖4為於不同冷卻液溫度條件下所製作的蠟型。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，當(dāng)冷卻液溫度越低，產(chǎn)品的冷卻時(shí)間越短，但是冷卻液溫度為攝氏20度時(shí)，所製作的蠟型表品具有大量收縮孔，主要的原因?yàn)橄炐偷睦鋮s速率太快，當(dāng)冷卻液溫度範(fàn)圍為攝氏25度至30度時(shí)，可以製作合格的蠟型，考量蠟型製作效率，本研究發(fā)現(xiàn)攝氏26度為冷卻液最適溫度。
當(dāng)不同冷卻液溫度條件下的實(shí)驗(yàn)所得到的產(chǎn)品冷卻時(shí)間，與模擬所得到的產(chǎn)品冷卻時(shí)間進(jìn)行比較，冷卻液溫度攝氏20度、21度、22度、23度、24度、25度、26度、27度、28度、29度及30度的冷卻時(shí)間誤差率約為19.23%、8.18%、12.02%、15.86%、18.09%、28.89%、31.32%、33.23%、37%、45.5%以及23.7%，平均誤差率約為21.33%，誤差率產(chǎn)生來源涵蓋模擬與實(shí)際實(shí)驗(yàn)條件的差異性及實(shí)驗(yàn)量測誤差。
| 圖3 : 麻時(shí)效鋼射出成型模具所製作的低壓射蠟成品實(shí)體圖 |
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| 圖4 : 於不同冷卻液溫度條件下所製作的蠟型，冷卻液溫度為攝氏（a）20度,（b）21度,（c）22度,（d）23度,（e）24度,（f）25度,（g）26度,（h）27度,（i）28度,（j）29度及（k）30度 |
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@內(nèi)文:圖5為運(yùn)用具有輪廓異形冷卻水路麻時(shí)效鋼進(jìn)行射出成型，於不同冷卻液溫度所製作射出成品的底部外徑量測結(jié)果，其所設(shè)計(jì)的射出成品底部外徑為19.42 mm，結(jié)果顯示，當(dāng)冷卻液溫度為攝氏20度時(shí)，射出成品的底部外徑為19.08 mm，射出成品的收縮率約為1.75%，當(dāng)冷卻液溫度設(shè)定為攝氏30度時(shí)，射出成品的底部外徑為19.25 mm，射出成品的收縮率約為0.88%。
圖6為運(yùn)用具有輪廓異形冷卻水路麻時(shí)效鋼進(jìn)行射出成型，於不同冷卻液溫度所製作射出成品的底部內(nèi)徑量測結(jié)果，所設(shè)計(jì)的射出成品底部內(nèi)徑為16.13 mm。結(jié)果顯示，當(dāng)冷卻液溫度為20℃時(shí)，射出成品的底部內(nèi)徑為16.05 mm，射出成品的收縮率約為0.5%，當(dāng)冷卻液溫度設(shè)定為攝氏30度時(shí)，射出成品的底部內(nèi)徑為16.05mm，射出成品的收縮率約為0.5%。
| 圖5 : 運(yùn)用具有輪廓異形冷卻水路麻時(shí)效鋼進(jìn)行射出成型，於不同冷卻液溫度所製作射出成品的底部外徑量測結(jié)果。 |
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| 圖6 : 運(yùn)用具有輪廓異形冷卻水路麻時(shí)效鋼進(jìn)行射出成型，於不同冷卻液溫度所製作射出成品的底部內(nèi)徑量測結(jié)果。 |
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圖7為運(yùn)用具有輪廓異形冷卻水路麻時(shí)效鋼進(jìn)行射出成型，於不同冷卻液溫度所製作射出成品的頂部外徑量測結(jié)果，所設(shè)計(jì)的射出成品頂部外徑為30 mm，結(jié)果顯示，當(dāng)冷卻液溫度為攝氏20度時(shí)，射出成品的頂部外徑為29.64mm，射出成品的收縮率約為1.2%，當(dāng)冷卻液溫度設(shè)定為攝氏30度時(shí)，射出成品的頂部外徑為29.86 mm，射出成品的收縮率約為0.47%。
圖8為運(yùn)用具有輪廓異形冷卻水路麻時(shí)效鋼進(jìn)行射出成型，於不同冷卻液溫度所製作射出成品的頂部內(nèi)徑量測結(jié)果，所設(shè)計(jì)的射出成品頂部內(nèi)徑為26 mm，結(jié)果顯示，當(dāng)冷卻液溫度為攝氏20度時(shí)，射出成品的頂部內(nèi)徑為25.53mm，射出成品的收縮率約為1.81%，當(dāng)冷卻液溫度設(shè)定為攝氏30度時(shí)，射出成品的頂部內(nèi)徑為25.85 mm，射出成品的收縮率約為0.58%。
| 圖7 : 運(yùn)用具有輪廓異形冷卻水路麻時(shí)效鋼進(jìn)行射出成型，於不同冷卻液溫度所製作射出成品之頂部外徑量測結(jié)果。 |
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| 圖8 : 運(yùn)用具有輪廓異形冷卻水路麻時(shí)效鋼進(jìn)行射出成型，於不同冷卻液溫度所製作射出成品的頂部內(nèi)徑量測結(jié)果。 |
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圖9為運(yùn)用具有輪廓異形冷卻水路麻時(shí)效鋼進(jìn)行射出成型，於不同冷卻液溫度所製作射出成品的高度量測結(jié)果，所設(shè)計(jì)的射出成品高度為30 mm，結(jié)果顯示，當(dāng)冷卻液溫度為攝氏20度時(shí)，射出成品的高度為29.68mm，射出成品的收縮率約為1.07%，當(dāng)冷卻液溫度設(shè)定為攝氏30度時(shí)，射出成品的高度為29.97mm，射出成品的收縮率約為0.1%。
| 圖9 : 運(yùn)用具有輪廓異形冷卻水路麻時(shí)效鋼進(jìn)行射出成型，於不同冷卻液溫度所製作射出成品的高度量測結(jié)果。 |
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圖10為運(yùn)用具有圓形異形冷卻水路麻時(shí)效鋼進(jìn)行射出成型，於不同冷卻液溫度所製作射出成品的底部外徑量測結(jié)果，所設(shè)計(jì)的射出成品底部外徑為19.42 mm，其結(jié)果顯示，當(dāng)冷卻液溫度為攝氏20度時(shí)，射出成品的底部外徑為19.02 mm，射出成品的收縮率約為2.06%，當(dāng)冷卻液溫度設(shè)定為攝氏30度時(shí)，射出成品的底部外徑為19.27 mm，射出成品的收縮率約為0.77%。
圖11為運(yùn)用具有圓形異形冷卻水路麻時(shí)效鋼進(jìn)行射出成型，於不同冷卻液溫度所製作射出成品的底部內(nèi)徑量測結(jié)果，所設(shè)計(jì)的射出成品底部內(nèi)徑為16.13 mm，其結(jié)果顯示，當(dāng)冷卻液溫度為攝氏20度時(shí)，射出成品的底部內(nèi)徑為16.02 mm，射出成品的收縮率約為0.68%，當(dāng)冷卻液溫度設(shè)定為攝氏30度時(shí)，射出成品的底部內(nèi)徑為16.08 mm，射出成品的收縮率約為0.31%。
| 圖10 : 運(yùn)用具有圓形異形冷卻水路麻時(shí)效鋼進(jìn)行射出成型，於不同冷卻液溫度所製作射出成品的底部外徑量測結(jié)果。 |
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| 圖11 : 運(yùn)用具有圓形異形冷卻水路麻時(shí)效鋼進(jìn)行射出成型，於不同冷卻液溫度所製作射出成品的底部內(nèi)徑量測結(jié)果。 |
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圖12為運(yùn)用具有圓形異形冷卻水路麻時(shí)效鋼進(jìn)行射出成型，於不同冷卻液溫度所製作射出成品的頂部外徑量測結(jié)果，所設(shè)計(jì)的射出成品頂部外徑為30 mm，其結(jié)果顯示，當(dāng)冷卻液溫度為攝氏20度時(shí)，射出成品的頂部外徑為29.51mm，射出成品的收縮率約為1.63%，當(dāng)冷卻液溫度設(shè)定為攝氏30度時(shí)，射出成品的頂部外徑為29.63 mm，射出成品的收縮率約為1.23%。
圖13為運(yùn)用具有輪廓異形冷卻水路麻時(shí)效鋼進(jìn)行射出成型，於不同冷卻液溫度所製作射出成品的頂部內(nèi)徑量測結(jié)果，所設(shè)計(jì)的射出成品頂部內(nèi)徑為26 mm，其結(jié)果顯示，當(dāng)冷卻液溫度為攝氏20度時(shí)，射出成品的頂部內(nèi)徑為25.64mm，射出成品的收縮率約為1.38%，當(dāng)冷卻液溫度設(shè)定為攝氏30度時(shí)，射出成品的頂部內(nèi)徑為25.88mm，射出成品的收縮率約為0.46%。
| 圖12 : 運(yùn)用具有圓形異形冷卻水路麻時(shí)效鋼進(jìn)行射出成型，於不同冷卻液溫度所製作射出成品的頂部外徑量測結(jié)果 |
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| 圖13 : 運(yùn)用具有輪廓異形冷卻水路麻時(shí)效鋼進(jìn)行射出成型，於不同冷卻液溫度所製作射出成品的頂部內(nèi)徑量測結(jié)果。 |
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圖14為運(yùn)用具有圓形異形冷卻水路麻時(shí)效鋼進(jìn)行射出成型，於不同冷卻液溫度所製作射出成品的高度量測結(jié)果，所設(shè)計(jì)的射出成品高度為30 mm，其結(jié)果顯示，當(dāng)冷卻液溫度為攝氏20度時(shí)，射出成品的高度為29.78mm，射出成品的收縮率約為0.73%，當(dāng)冷卻液溫度設(shè)定為攝氏30度時(shí)，射出成品的高度為29.96 mm，射出成品的收縮率約為0.13%。
| 圖14 : 運(yùn)用具有圓形異形冷卻水路麻時(shí)效鋼進(jìn)行射出成型，於不同冷卻液溫度所製作射出成品的高度量測結(jié)果。 |
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結(jié)論
本研究成果具備產(chǎn)業(yè)利用性與工業(yè)實(shí)用價(jià)值，可以將技術(shù)落實(shí)於新產(chǎn)品研發(fā)所需的快速模具製程上。此技術(shù)可以提供機(jī)械、光電、半導(dǎo)體與醫(yī)療產(chǎn)業(yè)所需的精密快速模具開發(fā)技術(shù)，協(xié)助相關(guān)廠商降低新產(chǎn)品的模具研發(fā)成本，提升國際競爭力。
本研究具有兩大特色：
一、科學(xué)化異形冷卻水路研究與分析：本研究運(yùn)用Moldex 3D模流分析對(duì)於異形冷卻進(jìn)行研究與分析，提出最適化的異形冷卻水路，以減少實(shí)作成本與時(shí)間。
二、運(yùn)用積層製造技術(shù)製作輪廓異形冷卻水路：由於積層製造技術(shù)可以製作幾何形狀複雜和特殊斷面的3D實(shí)體模型，因此可以勝任幾何形狀複雜以及特殊斷面的異形冷卻水路製作。
（本文作者郭啟全1,2、江子凡3、陳威樺3、朱益均3、吳佳其3、邱紹軒3、許定洋4、楊欣宜5為1明志科技大學(xué) 機(jī)械工程系暨2智慧醫(yī)療研究中心教授、3機(jī)械工程系研究生、4工業(yè)設(shè)計(jì)系助理教授、5工業(yè)設(shè)計(jì)系研究生）
參考文獻(xiàn)
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