Tag Archives: 模具開發

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異型水路與金屬3D列印應用簡介

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冷卻系統(Cooling System)是設計模具工程之一,當模具的塑膠原料加熱注入至溫度較低的模具後,需要等待模具冷卻才能取得成品,此時需仰賴著冷卻系統加以冷卻並且脫模。冷卻系統影響了脫模時間、製品品質、製品外觀等,影響品質甚鉅。

模具的冷卻系統為水路,換句話說,水路的設計影響了模具的散熱品質。水路設計的目的是使製品均勻冷卻﹐並在較短時間內頂出成型,傳統的模具冷卻(Mold Cooling)使用了簡易的方式,以直線的水路設計為主,製作較簡易,但需要的散熱時間較長。

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吹塑成型與3D列印的應用

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常見的模具製作產品的方式多達數十種,本次我們分享的主題為吹塑成型(Blow Moduling)與3D列印的應用。

吹塑成型的原理

吹塑成型主要的原理為:靠擠出或注塑製成筒型坯後,將此插入模具內,並向內吹入空氣吹脹後,最後冷卻凝固即可完成各式形狀的空心製品。產業應用很廣泛,從小型的塑膠製件如寶特瓶,到大型的製件如行李箱,吹塑可達到一定厚度,可使用的塑膠原料也非常豐富。

只要是成型技術,都會使用到模具,吹塑可減低模具大小,且合模時幾乎不永太大壓力,因此不用太模具工件便能製作。這樣的特性十分適合透過3D列印的技術,製作出小量生產的模具,進行測試與樣品生產。

3D列印的優勢

標準的模具的製作費用相當高,製作的過程也十分的漫長。以一個標準瓶子的模具來說,以CNC的方式製作至少需要一至兩週以上的時間等待。透過3D列印蠟模開發模具的技術,不僅可以減少費用的支出,取得模具的時間也僅需一兩天的時間即可。

透過3D列印SLA光固化3D列印機如Projet 3600,所生產的物件,強度、耐熱度等方面是足以滿足吹塑成型的設備所需,不過若要大量生產製造,3D列印出蠟模加工製造模具也是十分快速、更為耐用、且毫無形狀設計限制。3D Systems所生產的蠟模3D列印機系十分的齊全,當今最新的機種為Projet 3600W系列,採用SLA光固化3D列印技術,能夠列印出較大型物的3D蠟模,而小型的Projet 1200採用微型SLA技術,能夠應用於小型物件如珠寶、飾品、科技產品與牙醫用途。

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此外,若試作期間需要修改,傳統的模具就需要廢棄不使用,等於是需要在等上兩週才能取得新模具,時間成本的浪費相當可觀。相反地,3D列印可以快速生產、快速修改,即使修改設計,也可以透過CAD/CAM設計工具立刻修改,3D列印進行大約一至二天的時間,就能夠拿到新一版的吹塑模具。

3D列印-3D列印工程服務專家

不論是3D塑膠模具開發或3D列印蠟模開發模具,都已經是快速模具的新工法,隨著3D列印技術的演進,金屬3D列印技術已經嶄露頭角,可望成為未來「工業4.0」的新標準,金屬列印用於模具的開發,將有截然不同的嶄新應用。

若您所屬的單位尚無3D列印設備,馬路科技工程服務部門有豐富的模具開發經驗,完整的CAD/CAM設計團隊,以及設備完善的3D列印中心,隨時提供您最專業的支援與顧問服務。


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新世代塑膠模具產業超精密技術研討會 2016/4/20(三)台中福華大飯店

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馬路科技將將於場外提供3D掃描/3D檢測/3D列印之諮詢服務,並提供馬路科技20週年紀念品兌換活動,歡迎模具產業界的先進們蒞臨指教。

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用Flow3D做金屬壓鑄模擬分析

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模具設計是壓鑄生產的成功關鍵之一,過去我們主要依賴傳統的經驗來生產模具,對新設計概念的嘗試,並怷重視,而且傳統生產方式需要重複修改模具,模具加工週期較長。在國外的先進壓鑄技術領域,三維模流和熱場分析軟件受到高度重視,它的好處是使工程師能夠看到鑄造時模具內部的真實流動和凝固情況,從而優化模具設計和工藝。

目前市場有不少可供選擇的金屬鑄造仿真軟件,應用於不同的鑄造工藝,如半固態、重力、低壓、離心、擠壓、消失模等。和其它工藝不同,壓鑄的特點是高速的液態流動、壁厚比較平均,因此預測充填過程中產生的雜渣和卷氣非常重要,但要準確預測並不容易。

FLOW-3D 是Flow Science Inc.的軟件產品,它用來模擬金屬鑄造的流動和熱傳導。該軟件是使用計算流體力學技術,直接讀入三維計算機數據並進行計算。由1985年推出迄今,在壓鑄仿真領域佔有重要地位,創辦人Dr. C.W. Hirt是計算流體力學研究領域的表表者,發表過眾多重要著述,包括VOF自由流體表面跟蹤法等。

軟件介紹

和其它壓鑄仿真軟件比較,FLOW-3D在三方面有明顯的優越性,第一方面是它獨有的部分面積/體積表示方法(FAVOR),是使用有限差分/體積控制的數學模型,模具被細分成若干可計算的方形小塊,FLOW-3D用將幾何圖形鑄插入網格中。用這種方法型腔被分成若干可計算單元,部分地阻塞它們的體積,這種網格剖分法要比傳統的有限差分的結果要好,它令型腔內部的流動和熱傳導精度得到改善。

第二是Volume of Fluid(VOF)自由流體表面跟蹤法,它是目前被廣為採用的表面流體計算法。在計算過程中,當流體元素分裂或聚合時,流體表面會自動出現、溶合或消失,這對計算高速流動狀態最為適合。Flow3D使用專利的TruVOF計算法,提供最完整精確的結果。

第三是使用獨有的缺陷跟蹤法(Defect Prediction Model),來判斷缺陷的位置。

壓鑄過程產生的缺陷

壓鑄過程中會產生的怷同的缺陷。在壓鑄週期的初段,沖頭要把金屬液盡快推入模腔,速度太慢會使金屬液溫度下降而產生冷流,太快會引起卷氣,Flow3D可以檢視沖頭狀態,幫助建立理想的壓射曲線。

氧化皮的產生是不可避免的,這些雜渣缺陷會在填充過程中(包括卷氣或夾在兩股相遇的金屬液)困在鑄件內部,Flow3D可以追蹤氧化皮的形成和運動軌跡。此外,填充過程的卷氣最終會形成內在氣泡,Flow3D也可以預測氣泡的形成和運動軌跡。

壓鑄件在填充時的溫差會產生冷流,在冷卻過程中會產生縮孔,Flow3D的熱場仿真可以找出冷流或縮孔形成的位置,協助用戶決定合適的冷熱管佈置。

案例模擬

這裡,我們將會敘述三個模擬形態:.第一,一個顯示模具內部的熱量分佈的模具熱循環的計算模型,該模型為第二個填充模擬的初始條件.最後,第三個模擬是冷卻,凝固和金屬內部的縮孔分佈。

模熱循環:

首先是做模溫循環,共計算十個模熱週期。模具的初始溫度為177℃,填充和保壓時間為23秒,噴塗時間為5秒,停留時間為7秒。主要參數輸入綜合如下:

-初始金屬溫度-718℃

-金屬/模具熱傳係數h.t.c-5x106erg/sec cm2 C

-噴塗溫度-30℃

-噴塗/模具熱傳係數h.t.c-5x106erg/sec cm2 C

-環境大氣溫度為-30℃

-空氣/模具熱傳係數 h.t.c.-5x105erg/sec cm2 C

下以兩張圖像顯示模擬的結果,左圖顯示模具總熱量和時間的關係,從圖上可清楚看出,即使十模之後模溫仍然未能達到一個穩定的狀態。由於沒有放置冷卻水,模具冷卻就只靠噴塗脫模劑和開模時候的空氣冷卻。右圖顯示第十次開模時候,模具內部的熱分佈。熱節點都分佈在流道和模具型腔之間,溫度最低的部分是在排氣槽的地方,該地區冷卻比例較高,所以這裡噴塗冷卻比模具的其它地方有效。

填充模擬:
以上模熱循環仿真得出的模具溫度結果做為填充時的初始條件。填充時間大約為25毫秒,相應的固定沖頭速度為500cm/sec。澆入的金屬液溫度為718℃。填充時的金屬液/模具熱傳導係數為5x106erg/sec cm2 C 。
卷氣的反壓力將會由FLOW-3D的隔熱氣泡模型來計算,卷氣的反壓力和它們的體積成為反比,排氣處的周圍環境的氣壓通常被設為空氣壓力。FLOW-3D 獨有的缺陷跟蹤模型會用來預測鑄件的卷氣和氧化皮層的出現位置,基於流道裡的雷氏數據,我們選用一個固定的粘度係數來代表紊流。
右圖顯示填充時的一些重要現象。在初始的填充過程中,流體在流道處出現偏流(a),這將會導致在流道裡產生卷氣和氧化皮層。一個大且穩定的氣泡在圓形型腔中生成(b),這將會使鑄件成形後形成氣孔。然後當金屬填充至畢直的型腔部分,一個回流在該區域產生(c),這將使型腔裡面的殘餘氣體推向內澆口。最後,當型腔被完全充滿,大量的金屬液通過溢流槽旁的排氣槽(d),這表明也許排氣槽的尺寸太大。
下圖預測缺陷應用於填充時卷氣和氧化物,藍色部分代表潔淨的金屬表面,黃色和紅色則表示為缺陷。

它 顯示填充完成之後鑄件表面形成的卷氣和氧化皮層,這種缺陷使鑄件產生氣孔並且使鑄件的機械性能減弱,在理想情況下,卷氣和氧化金屬物應產生在模具型腔的溢 流槽裡,例如溢流槽裡卷有雜渣,流道的末端應卷有很多從壓室捲入模具後產生的原始的氧化物。不過仿真結果預測缺陷在圓形腔體的位置形成,這預測與填充模式(b)是一致的,結果同時顯示截面的是另一邊是乾淨的金屬,這是由於金屬液流暢地通過型腔和排氣口。

冷卻,凝固和收縮模擬:

在這裡,我們把填充仿真得到的金屬和模具溫度,做為冷卻和凝固模擬的初始條件,金屬/模具熱傳係數和填充時的數據一樣。預測凝固時間為16.5秒,假設有足夠的增壓力通過澆道補充模腔的凝固收縮,一旦內澆口冷凍,這縮孔的補充就會停止,右圖顯示最後凝固的部位,該部位會產生一些縮孔(有別於卷氣產生的氣孔)。

結論

對於工程師來講,利用計算流體力學(CFD)模擬來設計流道、內澆口和排氣系統是一個非常有價值的工具。CFD分析使工程師看到填充時模具內部的情況,並且對模具設計提供溫度,壓力和流動訊息,可以預測該設計的潛在問題,基於這些資料,工程師可以作出針對性調整以便加速壓鑄件生產週期,和傳統的反覆試驗方法相比較,可以為公司節省了大量的時間和金錢。FLOW-3D提供最精確的計算方法,再加上它獨有的特點,如缺陷跟蹤,可以提高使用CFD的好處。


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ATOS 3D掃描之模具檢測、修改

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在這個工商競爭的年代中,凡事講求高效率、低成本,但要如何達到這樣的結果,卻又不失水平,相信對所有的企業主都是一大考驗!

眾多企業為了能降低開發成本,紛紛將模具開發的工作移往中國發展,如此確實達到開發成本的降低,但是卻也衍生出模具開發品質參差不齊的窘境;為了解決這樣的狀況,逆向工程的點群掃描加上電腦輔助檢測系統便成了最理想的解決之道!

非接觸式光學3D掃描系統

ATOS 3D掃描儀簡介

ATOS 3D掃描儀又稱非接觸式光學量測系統是由德國的Gom所設計及生產製造!Gom成立於1990,在歐洲地區已有6個分公司,全球則超過30個經銷據點。ATOS 非接觸式光學量測系統目前廣泛的被應用在航太、汽車、3C產業等各個不同領域,全球的運用總數超過1500套!

ATOS 量測原理

ATOS 測頭主要由光柵投影設備及兩個工業級的CCD Camera所構成,如同人類的眼睛一般,藉由光柵投影在被測物表面,以相位粗細變化及位移,配合CCD Camera將所擷取的數位影像透過電腦運算,即可得到所要的3D外型。

ATOS 3D掃描儀的特性

整個量測系統可裝進於一個行李箱中,便於搬運、攜帶。而且藉由更換不同倍率的鏡頭組合即可變化不同量測範圍,所以ATOS 3D掃描儀無論是大型或小型的工件都可以很方便的量測。

ATOS 使用Linux作業系統加上搭載伺服器等級的PC(雙顆64Bit CPU、4G Ram),再大量的量測資料也能夠輕而易舉的處理。使用者只須專注於從各個不同角度對物件進行量測,經過不到5秒的時間,高精度及密度的點資料便呈現在電腦上,且所有的定位工作皆由電腦自動運算完成,操作者完全不用操心最麻煩的定位工作。

ATOS 3D掃描儀應用實例

逆向工程

逆向工程(Reverse Engineering)-根據現有的實體,3D掃描其外觀形狀的點群資料,然後根據所得的點資料建構工件的曲面幾何模型。有了這些CAD Datas之後,便能方便於CNC加工或3D列印等製造應用。

電腦輔助檢測

CAV (Computer Aided Verification 電腦輔助檢測),是目前最熱門的應用領域;透過ATOS 3D掃描設備取得點資料,然後與原始CAD Datas 定位成同一座標系後,將兩筆資料做一比對,如此便可得到二者的差異,例如:形變的量測,結構上的缺陷…等。

電腦輔助檢測對於產品開發或品質管理來說,皆可以大幅度減少偵錯(Debug)的時間。透過CAV的方式來作檢驗的工作,可以在短時間內查出問題點所在(干涉、工件變形、尺寸錯誤等問題),有效的縮短產品的研發及偵錯的時間,提升產品上市速度,對於成本降低及產品線競爭力,是一大利機。

模具修改

經由CAV比對檢測的結果,可以清楚的瞭解到模具生產的錯誤,然後透過色譜圖的顏色顯示分析,便可對模具做修改處理,以達到所要求的精密度。其作業流程如下:

Step1. 利用ATOS 3D量測模具的點群資料

Step2. 點資料與CAD Datas 做比對檢測

Step3. 利用各式加工工具對實體模具做修改

Step4. 修改完成的實體模具

結語

逆向工程量測加上CAV電腦輔助檢測比對,可謂是目前品質管理的最佳解決之道,不但能有效率的降低產品開發及偵錯時間,更能替企業主省下不少有形、無形的成本,提升企業競爭力。

而馬路科技顧問股份有限公司更是這方面的先驅,致力於3D列印+3D掃描(RE+RP)的一條龍技術整合,提供客戶這方面的技術顧問及相關的工程服務。


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ATOS 3D掃描儀在模具上的應用

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ATOS是非接觸光學照相式3D掃瞄儀,主要由光柵投影設備及兩個工業級的CCD Camera所構成,由光柵投影在待測物上,並加以粗細變化及位移,配合CCD Camera將所擷取的數字影像透過計算機運算處理,即可得知待測物的實際3D外型。ATOS 3D掃描儀使用白光源,如果被測物體是透明,反光或深色系的需要在被測物體錶面上噴塗上一層薄薄白色粉。

在3D掃瞄過程中,透過轉動被測物體不同角度,讓投影光柵打在錶面上,通過貼在被測物上的標簽點全自動拼接出物體實際3D外形,如果是大型工件,如模具,汽車油泥模型做檢測或逆向工程時。可以移動ATOS 3D掃描儀測頭圍繞著工件轉動掃瞄,從而得到被測物的3D形狀。

馬路科技代理德國GOM的光學非接觸式照相3D掃瞄系統,是目前全世界精度最高的白光掃瞄系統,因為其精度高,所以除了應用在目前比較成熟的逆向工程/抄數設計外,慢慢開始應用在產品的外型檢測方面,也就是我們所說的CAV,ATOS因其方便攜帶和無床台特性,可以把設備帶到車間對模具進行掃瞄,得到加工出來的模具實際3D形狀數據,再跟當初設計的模具CAD作比對,看實際上加工和裝配出來的模具誤差,所以該3D檢測方法逐漸成為模具外發商作為驗收模具的一個必要方法。

我們知道製造模具過程中存在很多因素會造成模具的報廢或要修模,例如加工程式,機床的操作員疏忽,放電加工座標放偏,彈刀或漏放縮水,滑塊裝配不到位等不容易發現錯誤。這時侯我們就需要用到ATOS 3D掃描儀掃瞄得到跟模具實際上形狀一樣的STL數據去跟CAD作比對分析誤差,以彩圖的方式顯示模具的精度,瞭解模具實際情況。

另外我們對一些無法預料到的問題,需要提高銑削質量比如下圖,

使用直徑6mm的球刀銑削R3的圓弧.

刀具負擔太重 !

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