模流分析之冷卻分析

1. 概述

射出模的冷卻系統設計，是判斷模具設計是否成功的關鍵因素之一，因為它直接影響塑膠製品的品質與生產效率。在射出成型過程中，塑膠製品在模穴內的冷卻時間約占整個成型週期的60%至80%（圖1），而冷卻的速度與均勻性更直接左右製品的最終性能。若冷卻系統設計不良，不僅會導致成型週期過長、提高生產成本，還可能因冷卻不均造成熱應力分佈不平衡，進而引發產品翹曲、變形等品質問題。

2. 冷卻分析技術的作用

衡量模具冷卻系統設計優劣的標準主要有兩項：第一，能使製品的冷卻時間最短；第二，確保製品各部位能均勻冷卻。影響冷卻效能的因素眾多，除了塑膠製品的幾何形狀、冷卻介質的種類、流量與溫度外，冷卻水路的佈局、模具材料、塑膠熔體溫度、模具溫度以及脫模時的頂出溫度，甚至塑膠與模具之間的非穩態熱傳遞行為，皆會對冷卻效果造成影響。

由於以實驗方式測試各種冷卻系統對冷卻時間與製品品質的影響不僅困難，且不切實際，因此傳統冷卻系統設計多依賴經驗。然而，這樣的做法往往難以達到最佳化效果，無法實現高效率且均勻的冷卻，不僅拉長了成型週期，亦可能導致產品因冷卻不均而產生翹曲變形。

相較之下，利用電腦進行模流分析與模擬，是進行冷卻系統設計預測的理想工具。透過模流分析可優化冷卻水路的佈局與邊界條件，進而實現更均勻的冷卻效果，縮短成型週期，降低成型後的內應力，提升產品品質，同時有效降低生產成本。

3. 冷卻系統設計原則

(3-1) 射出模的熱傳輸

在射出成型過程中，主要涉及四種基本的熱傳輸方式：強制對流、自然對流、熱傳導與熱輻射。如(圖2)所示，射出模具中的熱量傳遞可分為輸入與輸出兩部分。塑膠熔體在注入模穴的同時，將大量熱能帶入模具，其中約80%至95%的熱量會經由模具金屬傳導至冷卻水管壁，進而由冷卻水帶走。

其餘約5%至15%的熱量則分別傳導至射出機模板或透過模具表面與周圍空氣進行自然對流，這部分的熱量損失相對較小，影響有限。至於熱輻射對熱量傳遞的貢獻，僅在模具表面溫度超過85°C時才具有實質意義。

另外，在採用熱流道系統的情況下，系統本身也會向模具持續輸入熱量。此外，若冷卻液的溫度高於環境溫度，甚至可能反向將熱量傳入模具，導致冷卻效果不彰，進而影響成型品質與週期。

(3-2) 熱積聚

在射出模具中常會出現熱量積聚現象，這些熱積聚點會造成模具成型面溫度分佈不均，進而導致塑件冷卻不一致，產生翹曲變形。

造成熱積聚的原因主要有兩個：其一，是塑料在注入模具過程中的流動不均，導致熱負荷變化，這通常與材料在流動時產生的不適當摩擦熱或由於塑件壁厚不均所引發的熱傳導差異有關；其二，則與模具本身的幾何結構有關，特別是在模具的角落區域。這些區域的外部雖冷卻充分，但內部卻易形成熱積聚，導致冷卻效果不均。

如(圖3)所示，即為模具角落因熱積聚造成塑件變形的情況。在此情況下，模具型芯側會因角落區域的熱積聚而產生明顯的溫度梯度，進一步影響成品的尺寸穩定性與外觀品質。

(3-3) 冷卻系統的設計

冷卻系統的設計主要包括冷卻水道的佈置和冷卻參數(如冷卻液的溫度和壓力)的設置。

(3-3-1) 物理尺寸及冷卻回路的設置

冷卻系統的實體設計常受到多種因素的限制，包括模具的幾何尺寸、分模面位置、公模與母模的結構配置、以及頂針機構的干涉等。因此，無法制定一套絕對適用的設計規則。

對於結構簡單且壁厚均勻的製品，採用規律且均勻的冷卻管道佈置，通常可達成良好的冷卻效果。然而，在實際應用中，大多數零件具有不均勻的壁厚，且常包含筋條等加強結構，這些特徵容易造成局部熱積聚，導致冷卻不均與製品變形等問題。

針對此類情況，冷卻管道應盡量靠近壁厚較大或具有肋條的區域，並可視需求增加輔助冷卻水路，如(圖4)所示，以改善冷卻效率與溫度分佈的均勻性，進而提升產品品質。

冷卻水孔與型腔表面之間的距離對冷卻效果有重要影響。距離越遠，模具成型面上的溫度分佈會越均勻，但由於冷卻水吸收的熱量減少，導致冷卻效率降低、冷卻時間延長。在一般情況下，冷卻水孔與型腔之間的距離建議為冷卻水管直徑的 2 至 3 倍，以兼顧溫度均勻性與冷卻效率。

冷卻水從入口進入水路後，會沿途不斷吸收模具的熱量，造成水溫逐漸升高，這將降低其冷卻能力。因此，為保持良好的冷卻效率，冷卻管的進出口水溫差應儘量控制在 3°C 以內。

冷卻水管越長，被冷卻的模具面積越大，因此，(圖5)中(b)比(a)好，但冷卻水管越長，管路上的壓力降越大，冷卻管進出口水的溫差越大，可採用(c)。冷卻水管之間的最佳距離取決於冷卻水孔直徑和塑件的壁厚，如(圖6)所示。

(3-3-2) 特殊冷卻形式

在某些特殊應用中，為提升冷卻效率，可採用如(圖7)所示的特殊冷卻結構，包括隔板式（Baffle）與噴管式（Bubbler）冷卻設計。這類冷卻方式能在模具內部增加冷卻水與模具內壁的接觸面積，從而獲得更理想的冷卻效果，特別適用於空間受限或熱積聚嚴重的區域。

(3-3-3) 模具材料

選用高導熱係數的模具材料（例如鈹銅BeCu(圖8)）有助於提升模具的整體熱傳導效率。特別是在無法設置冷卻水路的區域，採用此類材料可有效將熱量快速傳導至鄰近的冷卻區域，從而改善局部冷卻效果，降低熱積聚現象，有助於縮短成型週期並提升製品品質。

(3-3-4) 冷卻參數

冷卻系統的關鍵參數主要包括：冷卻液的流量、冷卻管道的入口溫度、冷卻液在管路中的壓力降，以及冷卻液的種類等。為確保形成紊流以提高熱交換效率，冷卻液的流量應足以使管內的雷諾數大於10,000。一般而言，冷卻管道的入口溫度應比模具所需的控制溫度低約10°C至30°C，以維持有效的冷卻差。

冷卻液在管路上的壓力降則取決於管道的長度、直徑以及流速；管路越長、直徑越小或流速越高，壓力降就越明顯，需適當評估設計以避免流量不足。常見的冷卻液種類包括：自來水、冷卻機提供的冷卻水、添加防凍劑的水，以及特殊用途下使用的導熱油等，應根據實際應用條件與溫度需求進行選擇。

(3-3-5) 冷卻線路類型

冷卻線路類型通常分為並聯與串聯，如(圖9)所示。

5. 案例

(5-1) 模分析應用案例(按圖超連結)

模流分析，通俗地說，是為產品與模具進行一次預測性的評估。透過參考過往類似產品與模具的經驗（可視為它們的「前世」），結合目前設計與製造的條件（即它們的「現狀」），模流分析協助我們預測產品在實際生產時可能出現的品質問題與結果。

☆ 其他參考資料及文章

★ 【模流分析之冷卻分析的層流/湍流(紊流)/雷諾數基本概念】