射出成型模具可以藉由設置異形冷卻水路來縮短冷卻時間。本研究運用金屬3D列印機台，以麻時效鋼粉末製作具有輪廓異形冷卻水路，以及圓形冷卻水路之射出成型模具，並且實際運用於低壓射蠟射出成型實驗。最後藉由3D光學量測技術來量測射出成型件的尺寸與分析。

在工業界，為了提高生產效率，必須減少塑膠射出成型的冷卻時間，傳統水路減少塑膠射出成型的冷卻時間有限，因此，發展出異形冷卻水路（conformal cooling channels） [1-5]，此種水路可以完全浮貼產品幾何外型分佈，因此可以均勻且有效率的將模具熱量帶走，以提高塑膠射出成型件的生產效率。

本研究團隊於快速模具內部製作具有幾何形狀複雜的異形冷卻水路，並運用熱壓印成型及於低壓射蠟成型。美國、德國、日本、瑞士、香港及英國等國家雖有異形冷卻水路設計技術，但都是以個別產品為導向，而且所具有的技術，均為各公司之經驗技術（know-how）。

因此，本研究運用金屬3D列印機以麻時效鋼（maraging stainless steel）粉末，製作具有圓形冷卻水路以及輪廓異形冷卻水路之射出成型模具（injection molding tool），並且實際運用於低壓射蠟射出成型實驗，並藉由德國3D光學量測系統（ATOS Core 80,Road Ahead Technologies lnc.）來量測射出成型件的尺寸與分析。

實驗方法與步驟

本研究所使用材料涵蓋麻時效鋼粉末，如圖1所示、丙烯?-丁二烯-苯乙烯共聚物（Acrylonitrile Butadiene Styrene；ABS）以及蠟（K512, Kato Inc.）。本研究所使用軟體包括SolidWorks （2014 SPO）、Moldex 3D（R14）以及Cura切層軟體。

至於使用硬體與設備包括金屬3D列印機（ProX 100）、uPrint 3D列印機，如圖2所示、場效發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、萬能試驗機、紅外線溫度感測儀（infrared temperature sensor）、金相顯微鏡（M835）、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（M835）、數位多段式真空注蠟機（0660）以及3D光學量測。

麻時效鋼是一種具有高強度韌性及延展性的鋼，麻時效鋼的強度主要來自數種金屬化合物，其中的主要合金元素為15%的20%的鎳。麻時效鋼金屬粉末，主要成分為約17-19% Ni、8-10% Co以及4.5-5.2% Mo。本研究選用的射出產品為一個水杯，其厚度為2 mm，高度為30 mm，杯口頂部外徑與底部外徑分為30 mm與20 mm，研究載具的體積約為4687.8 mm³。

圖1 : 麻時效鋼粉末實體圖

圖2 : 金屬3D列印機台實體圖

成果討論

@內文:圖3為麻時效鋼射出成型模具所製作的低壓射蠟成品實體圖。圖4為於不同冷卻液溫度條件下所製作的蠟型。結果發現，當冷卻液溫度越低，產品的冷卻時間越短，但是冷卻液溫度為攝氏20度時，所製作的蠟型表品具有大量收縮孔，主要的原因為蠟型的冷卻速率太快，當冷卻液溫度範圍為攝氏25度至30度時，可以製作合格的蠟型，考量蠟型製作效率，本研究發現攝氏26度為冷卻液最適溫度。

當不同冷卻液溫度條件下的實驗所得到的產品冷卻時間，與模擬所得到的產品冷卻時間進行比較，冷卻液溫度攝氏20度、21度、22度、23度、24度、25度、26度、27度、28度、29度及30度的冷卻時間誤差率約為19.23%、8.18%、12.02%、15.86%、18.09%、28.89%、31.32%、33.23%、37%、45.5%以及23.7%，平均誤差率約為21.33%，誤差率產生來源涵蓋模擬與實際實驗條件的差異性及實驗量測誤差。

圖3 : 麻時效鋼射出成型模具所製作的低壓射蠟成品實體圖

圖4 : 於不同冷卻液溫度條件下所製作的蠟型，冷卻液溫度為攝氏（a）20度,（b）21度,（c）22度,（d）23度,（e）24度,（f）25度,（g）26度,（h）27度,（i）28度,（j）29度及（k）30度

@內文:圖5為運用具有輪廓異形冷卻水路麻時效鋼進行射出成型，於不同冷卻液溫度所製作射出成品的底部外徑量測結果，其所設計的射出成品底部外徑為19.42 mm，結果顯示，當冷卻液溫度為攝氏20度時，射出成品的底部外徑為19.08 mm，射出成品的收縮率約為1.75%，當冷卻液溫度設定為攝氏30度時，射出成品的底部外徑為19.25 mm，射出成品的收縮率約為0.88%。

圖6為運用具有輪廓異形冷卻水路麻時效鋼進行射出成型，於不同冷卻液溫度所製作射出成品的底部內徑量測結果，所設計的射出成品底部內徑為16.13 mm。結果顯示，當冷卻液溫度為20℃時，射出成品的底部內徑為16.05 mm，射出成品的收縮率約為0.5%，當冷卻液溫度設定為攝氏30度時，射出成品的底部內徑為16.05mm，射出成品的收縮率約為0.5%。

圖5 : 運用具有輪廓異形冷卻水路麻時效鋼進行射出成型，於不同冷卻液溫度所製作射出成品的底部外徑量測結果。

圖6 : 運用具有輪廓異形冷卻水路麻時效鋼進行射出成型，於不同冷卻液溫度所製作射出成品的底部內徑量測結果。

圖7為運用具有輪廓異形冷卻水路麻時效鋼進行射出成型，於不同冷卻液溫度所製作射出成品的頂部外徑量測結果，所設計的射出成品頂部外徑為30 mm，結果顯示，當冷卻液溫度為攝氏20度時，射出成品的頂部外徑為29.64mm，射出成品的收縮率約為1.2%，當冷卻液溫度設定為攝氏30度時，射出成品的頂部外徑為29.86 mm，射出成品的收縮率約為0.47%。

圖8為運用具有輪廓異形冷卻水路麻時效鋼進行射出成型，於不同冷卻液溫度所製作射出成品的頂部內徑量測結果，所設計的射出成品頂部內徑為26 mm，結果顯示，當冷卻液溫度為攝氏20度時，射出成品的頂部內徑為25.53mm，射出成品的收縮率約為1.81%，當冷卻液溫度設定為攝氏30度時，射出成品的頂部內徑為25.85 mm，射出成品的收縮率約為0.58%。

圖7 : 運用具有輪廓異形冷卻水路麻時效鋼進行射出成型，於不同冷卻液溫度所製作射出成品之頂部外徑量測結果。

圖8 : 運用具有輪廓異形冷卻水路麻時效鋼進行射出成型，於不同冷卻液溫度所製作射出成品的頂部內徑量測結果。

圖9為運用具有輪廓異形冷卻水路麻時效鋼進行射出成型，於不同冷卻液溫度所製作射出成品的高度量測結果，所設計的射出成品高度為30 mm，結果顯示，當冷卻液溫度為攝氏20度時，射出成品的高度為29.68mm，射出成品的收縮率約為1.07%，當冷卻液溫度設定為攝氏30度時，射出成品的高度為29.97mm，射出成品的收縮率約為0.1%。

圖9 : 運用具有輪廓異形冷卻水路麻時效鋼進行射出成型，於不同冷卻液溫度所製作射出成品的高度量測結果。

圖10為運用具有圓形異形冷卻水路麻時效鋼進行射出成型，於不同冷卻液溫度所製作射出成品的底部外徑量測結果，所設計的射出成品底部外徑為19.42 mm，其結果顯示，當冷卻液溫度為攝氏20度時，射出成品的底部外徑為19.02 mm，射出成品的收縮率約為2.06%，當冷卻液溫度設定為攝氏30度時，射出成品的底部外徑為19.27 mm，射出成品的收縮率約為0.77%。

圖11為運用具有圓形異形冷卻水路麻時效鋼進行射出成型，於不同冷卻液溫度所製作射出成品的底部內徑量測結果，所設計的射出成品底部內徑為16.13 mm，其結果顯示，當冷卻液溫度為攝氏20度時，射出成品的底部內徑為16.02 mm，射出成品的收縮率約為0.68%，當冷卻液溫度設定為攝氏30度時，射出成品的底部內徑為16.08 mm，射出成品的收縮率約為0.31%。

圖10 : 運用具有圓形異形冷卻水路麻時效鋼進行射出成型，於不同冷卻液溫度所製作射出成品的底部外徑量測結果。

圖11 : 運用具有圓形異形冷卻水路麻時效鋼進行射出成型，於不同冷卻液溫度所製作射出成品的底部內徑量測結果。

圖12為運用具有圓形異形冷卻水路麻時效鋼進行射出成型，於不同冷卻液溫度所製作射出成品的頂部外徑量測結果，所設計的射出成品頂部外徑為30 mm，其結果顯示，當冷卻液溫度為攝氏20度時，射出成品的頂部外徑為29.51mm，射出成品的收縮率約為1.63%，當冷卻液溫度設定為攝氏30度時，射出成品的頂部外徑為29.63 mm，射出成品的收縮率約為1.23%。

圖13為運用具有輪廓異形冷卻水路麻時效鋼進行射出成型，於不同冷卻液溫度所製作射出成品的頂部內徑量測結果，所設計的射出成品頂部內徑為26 mm，其結果顯示，當冷卻液溫度為攝氏20度時，射出成品的頂部內徑為25.64mm，射出成品的收縮率約為1.38%，當冷卻液溫度設定為攝氏30度時，射出成品的頂部內徑為25.88mm，射出成品的收縮率約為0.46%。

圖12 : 運用具有圓形異形冷卻水路麻時效鋼進行射出成型，於不同冷卻液溫度所製作射出成品的頂部外徑量測結果

圖13 : 運用具有輪廓異形冷卻水路麻時效鋼進行射出成型，於不同冷卻液溫度所製作射出成品的頂部內徑量測結果。

圖14為運用具有圓形異形冷卻水路麻時效鋼進行射出成型，於不同冷卻液溫度所製作射出成品的高度量測結果，所設計的射出成品高度為30 mm，其結果顯示，當冷卻液溫度為攝氏20度時，射出成品的高度為29.78mm，射出成品的收縮率約為0.73%，當冷卻液溫度設定為攝氏30度時，射出成品的高度為29.96 mm，射出成品的收縮率約為0.13%。

圖14 : 運用具有圓形異形冷卻水路麻時效鋼進行射出成型，於不同冷卻液溫度所製作射出成品的高度量測結果。

結論

本研究成果具備產業利用性與工業實用價值，可以將技術落實於新產品研發所需的快速模具製程上。此技術可以提供機械、光電、半導體與醫療產業所需的精密快速模具開發技術，協助相關廠商降低新產品的模具研發成本，提升國際競爭力。

本研究具有兩大特色：

一、科學化異形冷卻水路研究與分析：本研究運用Moldex 3D模流分析對於異形冷卻進行研究與分析，提出最適化的異形冷卻水路，以減少實作成本與時間。

二、運用積層製造技術製作輪廓異形冷卻水路：由於積層製造技術可以製作幾何形狀複雜和特殊斷面的3D實體模型，因此可以勝任幾何形狀複雜以及特殊斷面的異形冷卻水路製作。

（本文作者郭啟全^1,2、江子凡³、陳威樺³、朱益均³、吳佳其³、邱紹軒³、許定洋⁴、楊欣宜⁵為¹明志科技大學 機械工程系暨²智慧醫療研究中心教授、³機械工程系研究生、⁴工業設計系助理教授、⁵工業設計系研究生）

參考文獻

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[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.

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