為了改善運(yùn)用環(huán)氧樹(shù)脂製作具有異形冷卻水路的矽膠模具時(shí)的熱傳導(dǎo)率，本文敘述以快速模具技術(shù)來(lái)開(kāi)發(fā)射出成型模具，能夠提升射出成型件品質(zhì)與減少冷卻時(shí)間。

提到金屬3D列印技術(shù)，包括直接金屬堆積技術(shù)（Direct Metal Deposition；DMD）、直接金屬雷射燒結(jié)技術(shù)（Direct Metal Laser Sintering；DMLS）、選擇性雷射熔融方式（Selective Laser Melting；SLM）或選擇性雷射燒結(jié)方式（Selective Laser Sintering；SLS）等，可以快速製作具有異形冷卻水路的射出成型模具。然而，金屬3D列印機(jī)於市場(chǎng)上的能見(jiàn)度低，歸納主要的原因如下：

（a）機(jī)臺(tái)售價(jià)昂貴，至少千萬(wàn)元以上；

（b）機(jī)臺(tái)維護(hù)成本高於一般3D列印機(jī)；

（c）材料選擇自由度低，以原廠材料居多；

（d）材料售價(jià)昂貴，至少萬(wàn)元以上；

（e）機(jī)臺(tái)置放位置與環(huán)境要求較高，溫濕度與振動(dòng)條件要求高；

（f）有粉塵爆炸的危險(xiǎn)因子；

（g）模具以及製作元件的後處理曠日廢時(shí)，而且需要以線切割加工將所製作模具以及元件從平臺(tái)移除。此外，去除模具以及元件內(nèi)部的支撐結(jié)構(gòu)，過(guò)程也很繁瑣。

本研究以快速模具技術(shù)（rapid tooling technology）來(lái)開(kāi)發(fā)可以提升射出成型件品質(zhì)與減少冷卻時(shí)間的射出成型模具。快速模具最常使用的兩種材料為金屬樹(shù)脂（aluminum-filled epoxy resin）與矽膠（silicone rubber），本研究已經(jīng)成功[1,2]運(yùn)用這兩種材料製作出具有幾何形狀複雜異形冷卻水路的快速模具，但是主要缺點(diǎn)為金屬樹(shù)脂快速模具的熱傳導(dǎo)（thermal conductivity）差，因此提升產(chǎn)品的冷卻效率有極限。

為了改善環(huán)氧樹(shù)脂快速模具的熱傳導(dǎo)率，提升產(chǎn)品的冷卻效率，本研究於具有異型冷卻環(huán)氧樹(shù)脂快速模具分別添加鋁粉（Al powder）、鐵粉（Fe powder）、銅粉（Cu powder）以及石墨粉（Graphite powder）研究產(chǎn)品的冷卻效益研究。首先運(yùn)用Moldex 3D模流分析軟體來(lái)分析產(chǎn)品的冷卻時(shí)間、產(chǎn)品的溫度差異、模具表面溫度差異，以及射出成型品在x方向、y方向、z方向的位移以及總位移量（total displacement），並運(yùn)用ATOS 3D檢測(cè)技術(shù)研究快速模具製作蠟型關(guān)鍵尺寸的變化。

實(shí)驗(yàn)方法與步驟

本研究使用的硬體與設(shè)備，包括uPrint 3D列印機(jī)、場(chǎng)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(wàn)能試驗(yàn)機(jī)、紅外線溫度感測(cè)儀、金相顯微鏡、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、數(shù)位多段式真空注蠟機(jī)以及3D光學(xué)檢測(cè)。本研究所使用材料涵蓋金屬樹(shù)脂、酒精、聚乙烯醇縮丁醛樹(shù)脂（polyvinyl butyral；PVB）以及蠟。

本研究所使用軟體包括SolidWorks、Moldex 3D以及Cura切層軟體。本研究分四個(gè)方向同時(shí)進(jìn)行：

（a）第一個(gè)方向?yàn)楫a(chǎn)品設(shè)計(jì)、異形冷卻水路設(shè)計(jì)、異形冷卻水路製作、快速模具設(shè)計(jì)以及中介模具設(shè)計(jì)；

（b）第二個(gè)方向?yàn)橹薪槟＞哐u作；

（c）第三個(gè)方向?yàn)榄h(huán)氧樹(shù)脂主劑與硬化劑混合物調(diào)配，主劑與硬化劑的重量比例為2：1、添加四種粉末於混合物，四種粉末分別為鋁粉、鐵粉、銅粉以及石墨粉末、研究添加重量比例上限、製作熱傳導(dǎo)試片、檢測(cè)熱傳導(dǎo)係數(shù)、製作含不同粉末的矽膠模具、移除異形冷卻水路、完成具有異形冷卻水路矽膠模具製作，最後進(jìn)行含不同粉末的具有異形冷卻水路矽膠模具的冷卻效益研究；

（d）第四個(gè)方向?yàn)檫\(yùn)用Molex模流分析軟體進(jìn)行產(chǎn)品冷卻水路、模具表面溫度差異、產(chǎn)品表面溫度差異以及射出產(chǎn)品在x方向、y方向、z方向的位移以及總位移量。

圖1為鋁粉、鐵粉、銅粉、石墨粉與碳黑粉粉末的實(shí)體圖，鋁粉、鐵粉、銅粉以及石墨粉末的平均粒徑分別為48 μm、48 μm、75 μm以及13 μm。鋁粉、鐵粉、銅粉以及石墨粉末的價(jià)格分別為NTD 0.5/g、0.19/g、0.9/g以及0.8/g。鋁粉、鐵粉、銅粉及石墨粉粉為第一化工行所生產(chǎn)，碳黑粉粉為所生產(chǎn)。

本研究的射出產(chǎn)品為管路端蓋（pipe end cap），選擇管路端蓋為射出成型的產(chǎn)品，主要原因?yàn)殪豆苈范松w的頂部杯緣設(shè)定為分模面，容易拆解出公模仁與母模仁。而且公模仁與母模仁內(nèi)部所設(shè)計(jì)的異形冷卻幾何外形又不具重疊性。因此，選擇管路端蓋為射出成型的產(chǎn)品，可以彰顯具異形冷卻水路快速模具的實(shí)質(zhì)效益。管路端蓋的相關(guān)尺寸為外徑32 mm、內(nèi)徑27 mm、厚度2.5 mm及高度17.5 mm，拔模角約3°，圖2為射出產(chǎn)品的3D CAD模型與幾何尺寸。

圖1 : 粉末的實(shí)體圖（a）鋁粉、（b）銅粉、（c）鐵粉以及（d）石墨粉[3]

圖2 : 射出產(chǎn)品的3D CAD模型與幾何尺寸[3]

圖3為ATOS 3D光學(xué)掃描系統(tǒng)的實(shí)體圖，表1為ATOS 3D光學(xué)掃描系統(tǒng)的規(guī)格表。此設(shè)備的檢測(cè)光源為藍(lán)光，此設(shè)備短時(shí)間可以掃描巨量資料（big data），即1-2秒內(nèi)即可以掃描1200萬(wàn)點(diǎn)資料（point data）。

圖3 : ATOS 3D光學(xué)掃描系統(tǒng)的實(shí)體圖

結(jié)果與討論

圖4為環(huán)氧樹(shù)脂添加不同重量比例的鋁粉、銅粉、鐵粉與石墨粉末，所製作快速模具進(jìn)行低壓射出成型品的射出成型品實(shí)體圖。

圖4 : 環(huán)氧樹(shù)脂添加不同重量比例鋁粉、銅粉、鐵粉與石墨粉末所製作快速模具進(jìn)行低壓射出成型品的射出成型品實(shí)體圖[3]

圖5為實(shí)驗(yàn)與運(yùn)用模流分析軟體所預(yù)測(cè)射出成型品的冷卻時(shí)間。運(yùn)用Moldex3D模流軟體所預(yù)測(cè)環(huán)氧樹(shù)脂添加鋁粉40 wt.%、50 wt.% 與60 wt.% 所製作快速模具，射出產(chǎn)品的冷卻時(shí)間分別約為324秒、263秒以及206秒；實(shí)驗(yàn)所得到射出成型品的冷卻時(shí)間分別約為288秒、208秒以及134秒，實(shí)驗(yàn)與運(yùn)用模流分析軟體所預(yù)測(cè)射出成型品冷卻時(shí)間的誤差率分別為12.61%、27.15%以及54.35%，平均誤差率約為31.37%；運(yùn)用Moldex3D模流軟體所預(yù)測(cè)環(huán)氧樹(shù)脂添加銅粉50 wt.%、60 wt.%與70 wt.%所製作快速模具，射出產(chǎn)品的冷卻時(shí)間分別約為317秒、246 秒以及201秒。

實(shí)驗(yàn)所得到射出成型品的冷卻時(shí)間分別約為283秒、201秒以及131秒，實(shí)驗(yàn)與運(yùn)用模流分析軟體所預(yù)測(cè)射出成型品冷卻時(shí)間的誤差率分別為12.26%、23.17%以及54.19%，平均誤差率約為29.87%；運(yùn)用Moldex3D模流軟體所預(yù)測(cè)環(huán)氧樹(shù)脂添加鐵粉60 wt.%、70 wt.%與80 wt.%所製作快速模具，射出產(chǎn)品的冷卻時(shí)間分別約為309秒、236 秒以及211 秒。

實(shí)驗(yàn)所得到射出成型品的冷卻時(shí)間分別約為289秒、204秒以及152秒，實(shí)驗(yàn)與運(yùn)用模流分析軟體所預(yù)測(cè)射出成型品冷卻時(shí)間的誤差率分別為6.98%、15.67%以及38.26%，平均誤差率約為20.31%；

運(yùn)用Moldex3D模流軟體所預(yù)測(cè)環(huán)氧樹(shù)脂添加石墨粉10 wt.%、15 wt.% 與20 wt.% 所製作快速模具，射出產(chǎn)品的冷卻時(shí)間分別約為405秒、347秒以及311 秒；實(shí)驗(yàn)所得到射出成型品的冷卻時(shí)間分別約為394秒、328秒以及275 秒，實(shí)驗(yàn)與運(yùn)用模流分析軟體所預(yù)測(cè)射出成型品冷卻時(shí)間的誤差率分別為2.75%、5.86%以及13.05%，平均誤差率約為7.22%。

根據(jù)以上結(jié)果，運(yùn)用Moldex3D模流軟體所預(yù)測(cè)的低壓射出成型品冷卻時(shí)間與實(shí)驗(yàn)結(jié)果非常接近，誤差率約為2.75-54.35%，平均誤差率約為22%。產(chǎn)生誤差可能的原因?yàn)槟Ａ鬈涹w所選用的成型材料特性、模具材料特性、成型參數(shù)以及機(jī)臺(tái)響應(yīng)與實(shí)驗(yàn)的間的差異。這一些差異包括: 材料熔點(diǎn)、比重、線性收縮、黏度、比容、熱容量以及黏彈性、熱傳導(dǎo)；模具材料特性，例如:密度、彈性模數(shù)、浦松比以及線性熱膨脹係數(shù)（coefficient of linear thermal expansion）。

圖5 : 實(shí)驗(yàn)與運(yùn)用模流分析軟體所預(yù)測(cè)射出成型品的冷卻時(shí)間[3]

圖6為ATOS 3D檢測(cè)過(guò)程，涵蓋：

（a）前處理（pretreatment）：工件洗乾淨(jìng)後，噴塗混合物使工件不會(huì)反光，以利提升掃描資料的正確性，混合物是以TiO2粉末與酒精以1：4重量比例來(lái)調(diào)配；

（b）貼定位點(diǎn)（positioning point）：貼貼定位點(diǎn)，以利掃描光源能以定位點(diǎn)的座標(biāo)位置來(lái)運(yùn)算工件的幾何形狀（geometry）；

（c）掃描作業(yè)（scanning）：運(yùn)用ATOS於工件進(jìn)行掃描

（d）檢測(cè)（inspection）：運(yùn)用GOM軟體進(jìn)行檢測(cè)結(jié)果進(jìn)行研究與分析，並比對(duì)尺寸的誤差量（error）。

圖7為運(yùn)用ATOS 3D掃描環(huán)氧樹(shù)脂添加最高比例粉末製作射出成型模具，所射出蠟型的尺寸分析，於圖中紅色表示大於CAD的尺寸，藍(lán)色表示小於CAD尺寸。冷卻效果由高至低分別為環(huán)氧樹(shù)脂添加70wt.%銅粉、環(huán)氧樹(shù)脂添加60wt.%鋁粉、TE-375、環(huán)氧樹(shù)脂添加80wt.%鐵粉、環(huán)氧樹(shù)脂添加20wt.%石墨粉。根據(jù)檢測(cè)結(jié)果發(fā)現(xiàn)，冷卻效果越好時(shí)產(chǎn)品變形量則會(huì)越高，此趨勢(shì)與模擬結(jié)果相符。圖8為運(yùn)用ATOS 3D掃描環(huán)氧樹(shù)脂添加三種不同重量比例銅粉所製作射出成型模具所射出蠟型的尺寸分析。根據(jù)檢測(cè)結(jié)果發(fā)現(xiàn)，當(dāng)環(huán)氧樹(shù)脂添加銅粉重量比例越高時(shí)，其所射出蠟型的尺寸變形量也越大。

圖6 : ATOS 3D檢測(cè)過(guò)程

圖7 : 運(yùn)用ATOS 3D掃描環(huán)氧樹(shù)脂添加最高比例粉末所製作射出成型模具所射出蠟型的尺寸分析[3]

圖8 : 運(yùn)用ATOS 3D掃描環(huán)氧樹(shù)脂添加三種不同重量比例銅粉所製作射出成型模具所射出蠟型的尺寸分析

圖9為運(yùn)用ATOS 3D掃描環(huán)氧樹(shù)脂添加最高比例粉末，製作射出成型模具所射出蠟型的外徑。運(yùn)用環(huán)氧樹(shù)脂添加70wt.%銅粉、環(huán)氧樹(shù)脂添加60wt.%鋁粉、TE-375、環(huán)氧樹(shù)脂添加80wt.%鐵粉、環(huán)氧樹(shù)脂添加20wt.%石墨粉以及商業(yè)金屬樹(shù)脂所製作射出成型模具所射出蠟型的外徑分別約為32.02 mm、32.038 mm、31.994 mm、31.948 mm以及32.012 mm。根據(jù)檢測(cè)結(jié)果發(fā)現(xiàn)，冷卻效果越好時(shí)產(chǎn)品變形量則會(huì)越高，此趨勢(shì)與模擬結(jié)果相符。

圖10為運(yùn)用ATOS 3D掃描環(huán)氧樹(shù)脂添加最高比例粉末，製作射出成型模具所射出蠟型的高度。運(yùn)用環(huán)氧樹(shù)脂添加70wt.%銅粉、環(huán)氧樹(shù)脂添加60wt.%鋁粉、TE-375、環(huán)氧樹(shù)脂添加80wt.%鐵粉、環(huán)氧樹(shù)脂添加20wt.%石墨粉以及商業(yè)金屬樹(shù)脂，製作射出成型模具所射出蠟型的高度分別約為17.816 mm、17.716 mm、17.892 mm、17.944 mm以及17.862 mm。根據(jù)檢測(cè)結(jié)果發(fā)現(xiàn)，冷卻效果越好時(shí)產(chǎn)品變形量則會(huì)越高，此趨勢(shì)與模擬結(jié)果相符。

圖9 : 運(yùn)用ATOS 3D掃描環(huán)氧樹(shù)脂添加最高比例粉末製作射出成型模具，所射出蠟型的外徑

圖10 : 運(yùn)用ATOS 3D掃描環(huán)氧樹(shù)脂添加最高比例粉末製作射出成型模具，所射出蠟型的高度

圖11為運(yùn)用ATOS 3D掃描環(huán)氧樹(shù)脂添加最高比例粉末所製作射出成型模具所射出蠟型的角度。運(yùn)用環(huán)氧樹(shù)脂添加70wt.%銅粉、環(huán)氧樹(shù)脂添加60wt.%鋁粉、TE-375、環(huán)氧樹(shù)脂添加80wt.%鐵粉、環(huán)氧樹(shù)脂添加20wt.%石墨粉以及商業(yè)金屬樹(shù)脂所製作射出成型模具所射出蠟型的角度分別約為3.548°、3.746°、3.096°、2.922以及3.258°。根據(jù)檢測(cè)結(jié)果發(fā)現(xiàn)，冷卻效果越好時(shí)產(chǎn)品變形量則會(huì)越高，此與模擬結(jié)果相符。

圖12為運(yùn)用ATOS 3D掃描環(huán)氧樹(shù)脂添加50、60與70 wt.%銅粉所製作射出成型模具所射出蠟型的外徑。運(yùn)用環(huán)氧樹(shù)脂添加50、60與70 wt.%銅粉所製作射出成型模具所射出蠟型的外徑分別約為31.976 mm、31.994 mm以及32.038 mm。根據(jù)檢測(cè)結(jié)果發(fā)現(xiàn)，冷卻效果越好時(shí)所射出蠟型的外徑則會(huì)越大，此與模擬結(jié)果相符。

圖13為運(yùn)用ATOS 3D掃描環(huán)氧樹(shù)脂添加50、60與70 wt.%銅粉所製作射出成型模具所射出蠟型的高度。運(yùn)用環(huán)氧樹(shù)脂添加50、60與70 wt.%銅粉所製作射出成型模具所射出蠟型的高度分別約為18.07 mm、17.81 mm以及17.716 mm。根據(jù)檢測(cè)結(jié)果發(fā)現(xiàn)，冷卻效果越好時(shí)所射出蠟型的高度則會(huì)越小，此與模擬結(jié)果相符。

圖14為運(yùn)用ATOS 3D掃描環(huán)氧樹(shù)脂添加50、60與70 wt.%銅粉所製作射出成型模具所射出蠟型的角度。運(yùn)用環(huán)氧樹(shù)脂添加50、60與70 wt.%銅粉所製作射出成型模具所射出蠟型的角度分別約為3.178°、3.426 °以及3.746°。根據(jù)檢測(cè)結(jié)果發(fā)現(xiàn)，冷卻效果越好時(shí)所射出蠟型的角度則會(huì)越大，此與模擬結(jié)果相符。

圖11 : 運(yùn)用ATOS 3D掃描環(huán)氧樹(shù)脂添加最高比例粉末製作射出成型模具，所射出蠟型的角度

圖12 : 運(yùn)用ATOS 3D掃描環(huán)氧樹(shù)脂添加50 、 60與70 wt.%銅粉製作射出成型模具，所射出蠟型的外徑

圖13 : 運(yùn)用ATOS 3D掃描環(huán)氧樹(shù)脂添加50 、 60與70 wt.%銅粉，製作射出成型模具所射出蠟型的高度

圖14 : 運(yùn)用ATOS 3D掃描環(huán)氧樹(shù)脂添加50 、 60與70 wt.%銅粉，製作射出成型模具所射出蠟型的角度

綜觀結(jié)果分析，本研究發(fā)現(xiàn)運(yùn)用ATOS 3D檢測(cè)技術(shù)研究快速模具製作蠟型關(guān)鍵尺寸的趨勢(shì)與模擬結(jié)果相符，具備產(chǎn)業(yè)利用性與工業(yè)實(shí)用價(jià)值，由於本研究成果可以提供新產(chǎn)品於研發(fā)階段所需的快速模具。本研究成果如與研究相關(guān)的進(jìn)行比較，本研究兼具模流分析軟體、射出成型模具設(shè)計(jì)、射出成型模具製作及進(jìn)行低壓射出成型等四大特色。本研究成果除了可以應(yīng)用於低壓射蠟成型之外，未來(lái)還可以應(yīng)用於不同種類的模具，例如金屬粉末射出成型模具、塑膠射出成型模具、粉末冶金成型模具、壓鑄模具以及沖壓成型模具等[4-8]。

結(jié)論

模具產(chǎn)業(yè)可以代表一個(gè)國(guó)家興衰的指標(biāo)，若一個(gè)國(guó)家的模具產(chǎn)業(yè)篷勃發(fā)展，表示該國(guó)家的經(jīng)濟(jì)根基非常穩(wěn)固。而且3D量測(cè)比2D量測(cè)更可以完成複雜物體的精準(zhǔn)尺寸量測(cè)作業(yè)。本研究應(yīng)用電腦輔助檢測(cè)技術(shù)研究低壓射出成型的蠟型關(guān)鍵尺寸，研究結(jié)論如下：

1.環(huán)氧樹(shù)脂添加70 wt.%銅粉為製作高冷卻效率射出成型模具的配方。如與運(yùn)用商業(yè)金屬樹(shù)脂所製作快速模具的材料成本比較，運(yùn)用環(huán)氧樹(shù)脂添加60wt.%鋁粉所製作的快速模具，可以節(jié)省材料成本約為86%。

2.如與運(yùn)用商業(yè)金屬樹(shù)脂所製作快速模具射出產(chǎn)品的冷卻時(shí)間進(jìn)行比較，運(yùn)用環(huán)氧樹(shù)脂添加60wt.%鋁粉所製作的快速模具射出產(chǎn)品，其冷卻效率約可以再提升6%。

3.運(yùn)用環(huán)氧樹(shù)脂添加70wt.% 銅粉所製作的快速模具，可以節(jié)省材料成本約70%。

4.如與運(yùn)用商業(yè)金屬樹(shù)脂所製作快速模具射出產(chǎn)品的冷卻時(shí)間進(jìn)行比較，運(yùn)用環(huán)氧樹(shù)脂添加70wt.%銅粉所製作的快速模具射出產(chǎn)品，其冷卻效率約可以再提升8%。

（本文作者郭啟全¹、吳佳其²、徐敬硯³為明志科技大學(xué)¹機(jī)械工程系機(jī)械與機(jī)電工程碩士班教授、²機(jī)械工程系研究生、³ 工業(yè)管理系專題生）

參考文獻(xiàn)

[1] Chil-Chyuan Kuo, Wei-Hua Chen, Wen-Cung Xu, “A cost-effective approach for rapid manufacturing wax injection molds with complex geometrical shapes of cooling channels,” The International Journal of Advanced Manufacturing Technology, 2017, Volume 91, Issue 5–8, Pages 1689–1695.

[2] Chil-Chyuan Kuo, Wei-Hua Chen, Jeng-Went Zhang, Dang-Awer Tsai, Yegy-Llon Cao, “A new method of manufacturing a rapid tooling with different cross-sectional cooling channels,” The International Journal of Advanced Manufacturing Technology, Volume 92, Issue 9–12, 2017, Pages 3481–3487.

[3] Chil-Chyuan Kuo, Jia-Qi Wu,” Development of a low-cost epoxy resin mold with high cooling efficiency” The International Journal of Advanced Manufacturing Technology, 2021, Volume 113, Issue 7–8, Pages 2065–2086.

[4] K. Krebelj, M. Halilovi?, N. Mole,” The cooling rate dependence of the specific volume in amorphous plastic injection molding,” The International Journal of Advanced Manufacturing Technology, 2019, Volume 103, Issue 1–4, Pages 1175–1184.

[5] A. Li, Q. Lan, D. Dong, Z. Liu, Z. Li, Y. Bian,” Integrated design and process analysis of a blow molding turbo-charged pipe,” The International Journal of Advanced Manufacturing Technology, 2014, Volume 73, Issue 1–4, Pages 63–72.

[6] A. Safarian, M.Suba?i, C. Karata?,” The effect of sintering parameters on diffusion bonding of 316L stainless steel in inserted metal injection molding,” The International Journal of Advanced Manufacturing Technology, 2017, Volume 89, Issue 5–8, Pages 2165–2173.

[7] T. Ramesh, M. Prabhakar, R. Narayanasamy,” Workability studies on Al–5%SiC powder metallurgy composite during cold upsetting,” The International Journal of Advanced Manufacturing Technology, 2009, Volume 44, Issue 3–4, Pages 389–398.

[8] S. I. Jeong, C. K. Jin, H. Y. Seo, J. D. Kim, C. G. Kang,” Mold structure design and casting simulation of the high-pressure die casting for aluminum automotive clutch housing manufacturing,” The International Journal of Advanced Manufacturing Technology, 2016, Volume 84, Issue 5–8, Pages 1561–1572.