运用3D光学量测于金属3D列印射出成型模具
射出成型模具可以藉由设置异形冷却水路来缩短冷却时间。本研究运用金属3D列印机台，以麻时效钢粉末制作具有轮廓异形冷却水路，以及圆形冷却水路之射出成型模具，....
射出成型模具可以藉由设置异形冷却水路来缩短冷却时间。本研究运用金属3D列印机台，以麻时效钢粉末制作具有轮廓异形冷却水路，以及圆形冷却水路之射出成型模具，并且实际运用于低压射蜡射出成型实验。最后藉由3D光学量测技术来量测射出成型件的尺寸与分析。
在工业界，为了提高生产效率，必须减少塑胶射出成型的冷却时间，传统水路减少塑胶射出成型的冷却时间有限，因此，发展出异形冷却水路（conformal cooling channels） [1-5]，此种水路可以完全浮贴产品几何外型分佈，因此可以均匀且有效率的将模具热量带走，以提高塑胶射出成型件的生产效率。
本研究团队于快速模具内部制作具有几何形状复杂的异形冷却水路，并运用热压印成型及于低压射蜡成型。美国、德国、日本、瑞士、香港及英国等国家虽有异形冷却水路设计技术，但都是以个別产品为导向，而且所具有的技术，均为各公司之经验技术（know-how）。
因此，本研究运用金属3D列印机以麻时效钢（maraging stainless steel）粉末，制作具有圆形冷却水路以及轮廓异形冷却水路之射出成型模具（injection molding tool），并且实际运用于低压射蜡射出成型实验，并藉由德国3D光学量测系统（ATOS Core 80,Road Ahead Technologies lnc.）来量测射出成型件的尺寸与分析。
实验方法与步骤
本研究所使用材料涵盖麻时效钢粉末，如图1所示、丙烯?-丁二烯-苯乙烯共聚物（Acrylonitrile Butadiene Styrene；ABS）以及蜡（K512, Kato Inc.）。本研究所使用软体包括SolidWorks （2014 SPO）、Moldex 3D（R14）以及Cura切层软体。
至于使用硬体与设备包括金属3D列印机（ProX 100）、uPrint 3D列印机，如图2所示、场效发射式扫描电子显微镜（field-emission scanning electron microscope, FE-SEM）、X光绕射仪（X-ray Diffractometer；XRD、万能试验机、红外缐温度感测仪（infrared temperature sensor）、金相显微镜（M835）、白光干涉仪（White Light Interferometers, WLI ）、能量色散X-射缐光谱仪（energy-dispersive X-ray spectroscopy；EDS）、精密电子秤、金相显微镜（M835）、数位多段式真空注蜡机（0660）以及3D光学量测。
麻时效钢是一种具有高强度韧性及延展性的钢，麻时效钢的强度主要来自数种金属化合物，其中的主要合金元素为15%的20%的镍。麻时效钢金属粉末，主要成分为约17-19% Ni、8-10% Co以及4.5-5.2% Mo。本研究选用的射出产品为一个水杯，其厚度为2 mm，高度为30 mm，杯口顶部外径与底部外径分为30 mm与20 mm，研究载具的体积约为4687.8 mm3。
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成果讨论
@内文:图3为麻时效钢射出成型模具所制作的低压射蜡成品实体图。图4为于不同冷却液温度条件下所制作的蜡型。结果发现，当冷却液温度越低，产品的冷却时间越短，但是冷却液温度为摄氏20度时，所制作的蜡型表品具有大量收缩孔，主要的原因为蜡型的冷却速率太快，当冷却液温度范围为摄氏25度至30度时，可以制作合格的蜡型，考量蜡型制作效率，本研究发现摄氏26度为冷却液最适温度。
当不同冷却液温度条件下的实验所得到的产品冷却时间，与模拟所得到的产品冷却时间进行比较，冷却液温度摄氏20度、21度、22度、23度、24度、25度、26度、27度、28度、29度及30度的冷却时间误差率约为19.23%、8.18%、12.02%、15.86%、18.09%、28.89%、31.32%、33.23%、37%、45.5%以及23.7%，平均误差率约为21.33%，误差率产生来源涵盖模拟与实际实验条件的差异性及实验量测误差。
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@内文:图5为运用具有轮廓异形冷却水路麻时效钢进行射出成型，于不同冷却液温度所制作射出成品的底部外径量测结果，其所设计的射出成品底部外径为19.42 mm，结果显示，当冷却液温度为摄氏20度时，射出成品的底部外径为19.08 mm，射出成品的收缩率约为1.75%，当冷却液温度设定为摄氏30度时，射出成品的底部外径为19.25 mm，射出成品的收缩率约为0.88%。
图6为运用具有轮廓异形冷却水路麻时效钢进行射出成型，于不同冷却液温度所制作射出成品的底部内径量测结果，所设计的射出成品底部内径为16.13 mm。结果显示，当冷却液温度为20℃时，射出成品的底部内径为16.05 mm，射出成品的收缩率约为0.5%，当冷却液温度设定为摄氏30度时，射出成品的底部内径为16.05mm，射出成品的收缩率约为0.5%。
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图7为运用具有轮廓异形冷却水路麻时效钢进行射出成型，于不同冷却液温度所制作射出成品的顶部外径量测结果，所设计的射出成品顶部外径为30 mm，结果显示，当冷却液温度为摄氏20度时，射出成品的顶部外径为29.64mm，射出成品的收缩率约为1.2%，当冷却液温度设定为摄氏30度时，射出成品的顶部外径为29.86 mm，射出成品的收缩率约为0.47%。
图8为运用具有轮廓异形冷却水路麻时效钢进行射出成型，于不同冷却液温度所制作射出成品的顶部内径量测结果，所设计的射出成品顶部内径为26 mm，结果显示，当冷却液温度为摄氏20度时，射出成品的顶部内径为25.53mm，射出成品的收缩率约为1.81%，当冷却液温度设定为摄氏30度时，射出成品的顶部内径为25.85 mm，射出成品的收缩率约为0.58%。
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图9为运用具有轮廓异形冷却水路麻时效钢进行射出成型，于不同冷却液温度所制作射出成品的高度量测结果，所设计的射出成品高度为30 mm，结果显示，当冷却液温度为摄氏20度时，射出成品的高度为29.68mm，射出成品的收缩率约为1.07%，当冷却液温度设定为摄氏30度时，射出成品的高度为29.97mm，射出成品的收缩率约为0.1%。
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图10为运用具有圆形异形冷却水路麻时效钢进行射出成型，于不同冷却液温度所制作射出成品的底部外径量测结果，所设计的射出成品底部外径为19.42 mm，其结果显示，当冷却液温度为摄氏20度时，射出成品的底部外径为19.02 mm，射出成品的收缩率约为2.06%，当冷却液温度设定为摄氏30度时，射出成品的底部外径为19.27 mm，射出成品的收缩率约为0.77%。
图11为运用具有圆形异形冷却水路麻时效钢进行射出成型，于不同冷却液温度所制作射出成品的底部内径量测结果，所设计的射出成品底部内径为16.13 mm，其结果显示，当冷却液温度为摄氏20度时，射出成品的底部内径为16.02 mm，射出成品的收缩率约为0.68%，当冷却液温度设定为摄氏30度时，射出成品的底部内径为16.08 mm，射出成品的收缩率约为0.31%。
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图12为运用具有圆形异形冷却水路麻时效钢进行射出成型，于不同冷却液温度所制作射出成品的顶部外径量测结果，所设计的射出成品顶部外径为30 mm，其结果显示，当冷却液温度为摄氏20度时，射出成品的顶部外径为29.51mm，射出成品的收缩率约为1.63%，当冷却液温度设定为摄氏30度时，射出成品的顶部外径为29.63 mm，射出成品的收缩率约为1.23%。
图13为运用具有轮廓异形冷却水路麻时效钢进行射出成型，于不同冷却液温度所制作射出成品的顶部内径量测结果，所设计的射出成品顶部内径为26 mm，其结果显示，当冷却液温度为摄氏20度时，射出成品的顶部内径为25.64mm，射出成品的收缩率约为1.38%，当冷却液温度设定为摄氏30度时，射出成品的顶部内径为25.88mm，射出成品的收缩率约为0.46%。
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图14为运用具有圆形异形冷却水路麻时效钢进行射出成型，于不同冷却液温度所制作射出成品的高度量测结果，所设计的射出成品高度为30 mm，其结果显示，当冷却液温度为摄氏20度时，射出成品的高度为29.78mm，射出成品的收缩率约为0.73%，当冷却液温度设定为摄氏30度时，射出成品的高度为29.96 mm，射出成品的收缩率约为0.13%。
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结论
本研究成果具备产业利用性与工业实用价值，可以将技术落实于新产品研发所需的快速模具制程上。此技术可以提供机械、光电、半导体与医疗产业所需的精密快速模具开发技术，协助相关厂商降低新产品的模具研发成本，提升国际竞争力。
本研究具有两大特色：
一、科学化异形冷却水路研究与分析：本研究运用Moldex 3D模流分析对于异形冷却进行研究与分析，提出最适化的异形冷却水路，以减少实作成本与时间。
二、运用积层制造技术制作轮廓异形冷却水路：由于积层制造技术可以制作几何形状复杂和特殊断面的3D实体模型，因此可以胜任几何形状复杂以及特殊断面的异形冷却水路制作。
（本文作者郭启全1,2、江子凡3、陈威桦3、朱益均3、吴佳其3、邱绍轩3、许定洋4、杨欣宜5为1明志科技大学 机械工程系暨2智慧医疗研究中心教授、3机械工程系研究生、4工业设计系助理教授、5工业设计系研究生）
参考文献
[1] A. Armillotta, R. Baraggi, S. Fasoli,” SLM tooling for die casting with conformal cooling channels,”The International Journal of Advanced Manufacturing Technology, Volume 71, Issue 1, 2015, Pages 573–583.
[2] Z. Shayfull, S. Sharif, Azlan Mohd Zain, R. Mohd Saad & M. A. Fairuz,” Milled Groove Square Shape Conformal Cooling Channels in Injection Molding Process,” Materials and Manufacturing Processes, Volume 28, Issue 8, 2013, Pages 884-891.
[3] Alban Agazzi, Vincent Sobotka, Ronan LeGoff, Yvon Jarny,”Optimal cooling design in injection moulding process–A new approach based on morphological surfaces,” Applied Thermal Engineering, Volume 52, Issue 1, 2013, Pages 170-178.
[4] D.E. Dimla, M. Camilotto, F. Miani,”Design and optimisation of conformal cooling channels in injection moulding tools ,” Journal of Materials Processing Technology, Volumes 164–165, 2005, Pages 1294-1300.
[5] Y. Wang, K. M. Yu, C. C.L. Wang, Y. Zhang,”Automatic design of conformal cooling circuits for rapid tooling,”Computer-Aided Design, Volume 43, Issue 8, 2011, Pages 1001-1010.