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研究生:徐瑋聰
研究生(外文):HSU, WEI-TSONG
論文名稱:具異型冷卻水路之快速模具研製與應用
論文名稱(外文):Development and Application of Rapid Tooling with Conformal Cooling Channels
指導教授:郭啟全郭啟全引用關係
指導教授(外文):KUO, CHIL-CHYUAN
口試委員:謝政道劉福興
口試委員(外文):HSIEH, CHENG-TIAOLIU, FWU-HSING
口試日期:2018-06-19
學位類別:碩士
校院名稱:明志科技大學
系所名稱:機械工程系機械與機電工程碩士班
學門:工程學門
學類:機械工程學類
論文種類:學術論文
論文出版年:2018
畢業學年度:106
語文別:中文
論文頁數:86
中文關鍵詞:金屬樹脂快速模具冷卻水路射蠟模具
外文關鍵詞:Metallic ResinRapid ToolingCooling ChannelWax-Injection Mold
相關次數:
  • 被引用被引用:3
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由於金屬樹脂快速模具的熱傳導性能不佳,因此產品成型週期時間比傳統鋼質模具長。為了改善此缺點,本研究提出一個整合3D列印和快速模具技術用以製作內部具有幾何形狀複雜冷卻水路射蠟模具新技術,透過3D列印的技術製作出水路支撐模型,在製作快速模具時將水路支撐模型一併埋入,最後使用丙酮將水路支撐模型去除即可得到一具有異型冷卻水路射蠟模具。
在確認本實驗的可行性後,本實驗將製作不同的冷卻方式模具來驗證本實驗成果的實際應用,分別製作四組低壓射臘矽膠模具為無水路模具、傳統水路模具、具並聯式異型水路模具與具串聯式異型水路模具並且對不同的冷卻方式模具進行射蠟溫度量測實驗。實驗結果發現無水路模具達到開模溫度的時間:150分鐘、傳統水路模具達到開模溫度的時間:54分鐘、並聯水路模具達到開模溫度的時間:21分鐘、串聯水路模具達到開模溫度的時間:14分鐘。如果使用無水路模具為基礎來比較各冷卻水路產生的冷卻效率:傳統水路模具節省時間為63%、並聯水路模具節省時間為86%與串聯水路模具節省時間為91%。
以上的數據表明了異型水路比起傳統水路冷卻效率更好,而串聯式異型水路模具比並聯式異型水路模具對模具的散熱效果更優良。

Since metallic-resin rapid tooling has poor thermal conductivity, the product made with such mold tends to have longer molding cycle comparing with that made with conventional steel mold. To overcome this challenge, a novel wax-injection mold with cooling channels of complicated geometry was designed in this study by integrating 3D printing and rapid tooling technologies. During the fabrication of rapid tooling, cooling channel supporting model was included. In the end, acetone was used to remove the cooling channel supporting model, forming a wax-injection mold with conformal cooling channels.
After evaluating the feasibility of experiments which will be carried out in this study, molds with different cooling designs will be fabricated to verify their practical applications. In this study, four low-pressure, wax-injection silicon molds, namely no-cooling mold, traditional cooling mold, parallel-connected conformal cooling mold and serial-connected conformal cooling mold, will be fabricated and wax-injection temperature experiments will be carried out for these four types of molds.From the experimental results, it is found that the time to reach mold-opening temperature is 150 minutes for no-cooling mold, 54 minutes for traditional cooling mold, 21 minutes for parallel-connected conformal cooling mold and 14 minutes for serial-connected conformal cooling mold.If no-cooling mold is used as the base to compare the cooling efficiency of various molds with different cooling designs, the operation time saved is 63% for traditional cooling mold, 86% for parallel-connected conformal cooling mold and 91% for serial-connected conformal cooling mold.
The above result suggests that conformal cooling design produces better cooling efficiency than traditional cooling design, while serial-connected conformal cooling mold gives better cooling efficiency than parallel-connected conformal cooling mold.

明志科技大學碩士學位論文指導教授推薦書 i
明志科技大學碩士學位論文口試委員會審定書 ii
誌謝 iii
摘要 iv
Abstract v
目 錄 vi
圖目錄 ix
表目錄 xiii
第一章 緒論 1
1.1 前言 1
1.2 研究動機與目的 3
1.3 論文架構 4
第二章 文獻回顧 5
2.1 快速模具技術簡介 5
2.1.1 直接造模法 6
2.1.2 間接造模法 10
2.2 冷卻水路設計簡介 13
2.2.1應用異型水路設計改善楔型導光板射出成型品質之研究 14
2.2.2塑料注射成型中的螺旋和異型冷卻水路 15
2.2.3 專為快速模具設計的具有支撐結構的異型冷卻水路 18
2.2.4 金屬沉積製程用於模具的異型冷卻 22
2.2.5 生產具有圓形和異型冷卻水路通道的含鋁環氧樹脂注塑模具和實驗分析 29
2.2.6 鑄造快速模具之預鑄冷卻水道成形方法 41
第三章 實驗規劃與方法 42
3.1 實驗材料 44
3.1.1 熱塑性材料ABS 44
3.1.2 模型蠟 45
3.1.3 環氧樹脂 46
3.1.4 離型劑 47
3.1.5 矽膠主劑與硬化劑 48
3.2 實驗設備 49
3.2.1 真空注型機 49
3.2.2 烤箱 50
3.2.3 3D列印系統 51
3.2.4 精密電子秤 52
第四章 具異型冷卻水路之快速模具研製與應用 53
4.1 前言 53
4.2 實驗過程 53
4.2.1 研究載具設計 53
4.2.2 快速模具製作前準備 54
4.3 結果與討論 58
4.4 結論 60
第五章 異型冷卻水路之串連與並連水路其冷卻速率的比較 62
5.1 前言 62
5.2 實驗過程 63
5.2.1 研究載具設計 63
5.2.2 實驗模具及水路規劃圖 63
5.2.3 中介模具-金屬樹脂模具製作流程規劃 65
5.2.4 實驗模具製作流程規劃圖 66
5.2.5 注臘射出溫度量測規劃圖 68
5.3 結果與討論 69
5.4 結論 82
第六章 結論與未來展望 84
6.1 結論 84
6.2 未來展望 86
參考文獻 87

圖目錄
圖2.1 快速模具技術之種類 6
圖2.2 SLS示意圖 7
圖2.3 DMLS示意圖 8
圖2.4 SDM之加工示意圖 9
圖2.5 LENS之加工過程示意圖 10
圖2.6 3D Keltool之加工示意圖 11
圖2.7 金屬樹脂快速模具製作示意圖 12
圖2.8 NCC示意圖 13
圖2.9 Spray Metal-Faced Tooling示意圖 13
圖2.10 水路分布圖 15
圖2.11 通過使用(a)基於VD-based產生的冷卻通道與(b)通過本文提出的方法產生的螺旋通道來顯示塑料部件冷卻時間到開模溫度的顏色圖。 16
圖2.12 用於虛擬案例的矩形外殼 19
圖2.13 CS1冷卻後的模具溫度(左)和CS2(右) 21
圖2.14 CS3冷卻後的模具溫度可見(左)和隱藏冷卻層(右) 21
圖2.15 (a)CAD模具設計(b)具有預定層高的切片資料圖型 22
圖2.16 冷卻通道設計(a) 噴水式冷卻通道(bubbler cooling channels)、(b) 擋板冷卻通道(baffle cooling channel) 23
圖2.17 具有噴水式冷卻通道模具通過金屬沉積製程製作圖 25
圖2.18 具有擋板式冷卻通道模具通過金屬沉積製程製作圖 26
圖2.19 冷卻設備安裝規劃圖 26
圖2.20 噴水式冷卻的模具冷卻溫度分布圖 27
圖2.21 擋板冷卻的模具冷卻溫度分布圖 28
圖2.22 異型冷卻通道 30
圖2.23 傳統和異型冷卻通道 30
圖2.24 圓形和異型通道 31
圖2.25 圓形通道圖案示意圖 31
圖2.26 鑄造框架內的圓形通道組裝 32
圖2.27 異型通道圖案示意圖 32
圖2.28 鑄造框架內的異型通道組裝. 32
圖2.29 模芯的蠟型態. 33
圖2.30 環氧樹脂模具.. 33
圖2.31 CAD模型和蠟模. 34
圖2.32 接口用異型水路模腔螺栓連接 34
圖2.33 熱電偶安裝圖 35
圖2.34 環氧樹脂模具與熱電偶和冷卻管連接器 36
圖2.35 CCCC和PCCC模具冷卻時間比較 37
圖2.36 圓形水路和異型水路模具冷卻時間比較 39
圖2.37 圓形水路和異型水路模具剖面 40
圖2.38 射出成型件 40
圖2.39 鑄造快速模具之預鑄冷卻水道成型方法示意圖 41
圖 3. 1 實驗規劃流圖 43
圖 3. 2 積層製造材料(a)熱塑性建構材及(b)可溶性支撐材 44
圖 3. 3 模型蠟實體圖 .45
圖 3. 4 模具製作材料 (a) 環氧樹脂主劑與硬化劑及(b)再生金屬樹脂粉末 46
圖 3. 5 離型劑實品圖 47
圖 3. 6 矽膠與硬化劑 48
圖3.7 真空注型機 49
圖3.8 烤箱 50
圖3.9 uPrint 3D列印系統實體圖 511
圖3.1 精密電子秤 52
圖4.1 電腦輔助製圖設計流程 54
圖4.2 車輪部位封閉示意圖 55
圖4.3 水路實體固定板安裝示意圖 (a)公模實體水路固定模擬 (b)母模實體水路固定模擬 56
圖4.4 模板規劃示意圖 56
圖4.5 具有異型水路汽車模型外殼金屬樹脂模具之詳細流程示意圖 57
圖4. 6 (a)母模模具剖面圖示意圖與(b)公模模具剖面示意圖 58
圖4. 7 模具製作流程 59
圖4. 8 模具成品圖與剖面圖 60
圖5. 1 研究載具-管路端蓋規劃圖 63
圖5. 2 實驗模具及水路規劃圖 (a)無水路模具 (b)傳統水路模具 (C)並連水路模具 (d)串水路模具 64
圖5.3 中介模具製作流程規劃 65
圖5.4 無水路模具製作流程規劃圖 66
圖5.5 傳統水路模具製作流程規劃圖 66
圖5.6 並聯異型模具製作流程規劃圖 67
圖5.7 串聯異型水路模具製作流程規劃圖 67
圖5.8 注臘射出溫度量測規劃圖 68
圖5.9 金屬樹脂中介模具製作流程 69

圖5.10製作完成之低壓射蠟快速模具實體圖(a)不具冷卻水路 (b)具傳統冷卻水路 (c)具並聯式冷卻水路 (d)具串聯式冷卻水路 70
圖5.11具冷卻水路之低壓射蠟快速模具實體圖 (a)不具冷卻水路,(b)具傳統冷卻水路,(c)具並聯式冷卻水路以及(d)具串聯式冷卻水路 71
圖5.12 傳統水路模具水流測詴實驗(a)傳統水路模具水流實驗照片(b)傳統水路水流路徑圖 73
圖5.13 並聯水路模具水流測詴實驗(a)並聯水路模具水流實驗照片(b)並聯水路水流路徑圖 73
圖5.14 串聯水路模具水流測詴實驗(a)串聯水路模具水流實驗照片(b)串聯水路水流路徑圖 73
圖5.15 運用紅外線溫度感測儀所拍攝之蠟型表面溫度分部情形(a)不具冷卻水路,(b)具傳統冷卻水路,(c)具並聯式冷卻水路以及(d)具串聯式冷卻水 75
圖5.16 運用紅外線溫度感測儀所拍攝之蠟型表面溫度冷卻時間關係圖 76
圖5.17熱電偶擺置於快速模具內部之示意圖 78
圖5.18四種具有不同形式冷卻水路快速模具之產品溫度與冷卻時間關係圖 80
圖5.19四種具有不同形式冷卻水路快速模具進行低壓射蠟十次之冷卻時間 81
圖5.20不同流量冷卻液對具串聯式冷卻水路快速模具冷卻時間關係圖 81
圖5.21低壓射臘實品圖 83


表目錄
表3.1 積層製造建構材料特性表 44
表3.2 模型蠟規格表 45
表3.3 環氧樹脂174規格表 46
表3.4 矽膠KE-1310ST規格表 48
表3.5 真空注型機F-600規格表 49
表3.6 烤箱DH400規格表 50
表3.7 3D列印系統規格表 51
表4.1 原型製作參數 55
表5.1 快速模具製作參數 72
表5.2 四種具有不同形式冷卻水路快速模具進行低壓射蠟十次之冷卻時間 80
表5.3 四種具有不同形式冷卻水路快速模具之產品溫度冷卻時間比較 81
表6.1 具異型水路模具研究相關之參考比較 85


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