注射模具组件及设计其的方法

摘要

一种用于注射成型物体的注射模具组件，包括：具有第一工具表面的第一模具工具和具有第二工具表面的第二模具工具。第一和第二工具表面配合配置以限定所述工具表面之间的用于注射成型所述物体的模具型腔。所述第一模具工具具有工具元件，该工具元件具有带有第一工具表面的第一侧部和与所述第一侧部相对的第二侧部。多个散热片从所述工具元件的第二侧部延伸。底座支撑所述散热片。所述工具元件、所述散热片和所述底座在所述工具元件的所述第二侧部处限定冷却剂流动腔室。还公开了一种设计所述模具组件的方法。

说明书

技术领域

本教导总体地包括一种注射模具组件和一种设计注射模具组件的方法。

背景技术

注射成型部件通常在第一模具工具和第二模具工具之间形成的模具型 腔内成型。第一模具工具有时被称为型腔侧模具工具，第二模具工具有时被 称为型芯侧模具工具。塑料被在模具型腔中熔化，并且必须在分离模具工具 和脱出成型部件之前充分冷却。成型部件的冷却通过流经在第一和第二模具 工具内钻出的冷却管路的冷却剂，例如水来实现。模具工具通常是相对硬的 工具钢。因此，钻出的通道通常被钻出为一系列直节段。如果成型部件具有 复杂或弯曲的外表面，随着冷却通路穿过工具，直通道距离部件的距离将不 相等，造成工具表面的不同部分不均匀冷却。因此，成型部件的生产周期取 决于工具表面的距离冷却通道最远的那些部分，并被增大直到实现所需的冷 却。

一个已知的方法，称为直接金属激光烧结，提供可以从工具表面等距离 间隔的适形冷却通道，以实现更加均匀的冷却。适形冷却通道通过利用聚焦 光束局部融化金属粉末逐层实现。这种方法是昂贵的，因为它是相对慢的， 并且需要独特的设备和大多数模具制造者不具备的培训。

另外，冷却通道的布局通常根据试错迭代过程进行，该试错迭代过程取 决于每一个冷却通道的迭代布局的工具设计者的技术水平。具体地，设计者 选择初始冷却通道布置模式并将该布局输入实施显示所得工具表面温度分 布的工具设计程序的计算机。如果温度分布不令人满意，则设计者基于有根 据的猜测重新配置冷却通道布局，将修改后的冷却通道布局输入到计算机中， 然后工具设计程序确定温度分布是否充分改善。但是这个过程根据需要被重 复多次，是费时的，并且始终获得满意的最终结果是有些不确定的，因为这 通常取决于设计者的技术。

发明内容

提供一种注射模具组件，相较于先前的模具组件的冷却结构，能够实现 成型部件的充分均匀冷却。此外，模具组件可被设计为带有冷却通道，冷却 通道根据通过将模具工具表面温度分布和冷却通道性能相关满足最终冷却 通道布局要求的自动方法定位冷却通道位置的每一次迭代由以前的模具表 面温度分布和优化算法驱动。

更具体地，一种用于注射成型物体的注射模具组件包括：具有第一工具 表面的第一模具工具和具有第二工具表面的第二模具工具。第一和第二工具 表面配合配置以限定所述工具表面之间的用于注射成型物体的模具型腔。所 述第一模具工具具有带有第一侧部和与第一侧部相对的第二侧部的第一工 具元件，该第一侧部具有第一工具表面。多个散热片从所述工具元件的第二 侧部延伸。底座支撑所述散热片。工具元件、散热片和底座在所述工具元件 的第二侧部限定冷却剂流动腔室，以使冷却剂流动腔室内的冷却剂接触所述 工具元件的第二侧部。换句话说，暴露在散热片之间的所述工具元件的整个 第二侧部与冷却剂流动腔室内的冷却剂接触。所述工具元件可配置为在所述 第一侧部和所述第二侧部之间具有大致均匀的厚度，以使与所述第二侧部接 触的冷却剂处于距离所述第一工具表面均匀间隔处，最小化生产时间并且提 高冷却均匀性。本文所使用的“大致均匀的厚度”是遍及所述第一工具表面 的所述工具元件的厚度，该厚度变化不大于预定量，例如为在形成的工具元 件的尺寸公差内或不超过待解决的客户需求的5％到10％的量。

一种设计注射模具组件的方法，包括提供所选数量的冷却通道的初始布 局。每个冷却通道由所选数量的冷却元件模拟。每个冷却通道接触被冷却侧 上的具有轮廓的表面并与该具有轮廓的表面一致。

该方法包括计算模具元件的与被冷却侧部相对的工具表面侧部上的工 具表面的工具表面元件的温度。所述工具表面元件在空间上与冷却元件对应， 并且通过冷却通道内的冷却剂流经由经过工具元件的热传导而被冷却。根据 该方法，通过计算工具表面元件的温度确定是否满足预定条件。如果不满足 预定条件，则根据使用工具表面元件的计算的温度的优化模块生成修改的冷 却通道的布局。该方法迭代冷却通道的布局直到满足预定条件。具体地，计 算与从之前的迭代修改的冷却通道布局中的冷却元件对应的工具表面元件 温度，确定是否满足预定条件，以及重复生成修改的冷却布局，直到满足预 定条件。满足预定条件的冷却通道布局是最终的冷却通道布局。然后，提供 具有与最终冷却通道布局对应的工具元件和冷却通道以及被冷却侧部的注 射模具组件。

该迭代过程是自动的，因为它是通过计算机实施的算法执行的。计算工 具表面元件的温度的算法的一部分可以通过单独的工具设计软件执行。通过 将工具设计软件与自动的和优化的冷却通道迭代连接，工具设计时间减少， 并且所产生的冷却通道布局能够实现更均匀的工具表面温度分布。

根据一方面，提供一种用于注射成型物体的注射模具组件，所述注射模 具组件包括：

第一模具工具，具有第一工具表面；

第二模具工具，具有第二工具表面；其中，所述第一工具表面和所述第 二工具表面配合配置以限定所述工具表面之间的用于注射成型所述物体的 模具型腔；

其中，所述第一模具工具具有：

工具元件，具有带有第一工具表面的第一侧部和与所述第一侧部相 对的第二侧部；和

多个散热片，从所述工具元件的第二侧部延伸；和

底座，支撑所述散热片；其中，所述工具元件、所述散热片和所述 底座在所述工具元件的所述第二侧部限定冷却剂流动腔室。

优选地，其中，所述第一侧部和所述第二侧部之间的工具元件的厚度在 所述第一工具表面上维持在预定范围内。

优选地，其中，所述冷却剂流动腔室内的所述多个散热片的位置和所形 成的冷却流动通路根据与冷却元件的位置相关的优化算法确定，冷却元件的 位置与根据热传递的第一工具表面上的工具元件的温度分布相关，使得所述 工具元件的所述第二侧部处的冷却剂流促进所述第一工具表面的均匀冷却。

优选地，其中，所述散热片中的每个具有从底座到工具元件的第二侧部 的相应高度；且其中，所述散热片中的至少一些具有垂直于所述高度的翼型 形状的横截面。

优选地，其中，所述散热片中的每个具有与所述冷却剂流动腔室内的冷 却流体接触的外表面和从底座到工具元件的第二侧部的相应的高度；且其中， 所述散热片中的至少一些每一个取向为围绕相应的沿着所述高度的纵向轴 线，使得所述外表面引导冷却流体流以促进在所述第一工具表面处的均匀的 温度分布。

优选地，其中，所述工具元件为工具钢；且其中，所述散热片为铝。

优选地，其中，所述散热片与所述工具元件为一体的。

优选地，其中，所述散热片与所述底座为一体的。

根据另一方面，提供一种用于注射成型物体的注射模具组件，所述注射 模具组件包括：

第一模具工具，具有第一工具表面；

第二模具工具，具有第二工具表面；其中，所述第一工具表面和所述第 二工具表面配合配置以限定所述工具表面之间的用于注射成型所述物体的 模具型腔；

其中，所述第一模具工具具有：

工具元件，具有带有第一工具表面的第一侧部和与所述第一侧部相 对的第二侧部；

多个散热片，连接到所述工具元件的第二侧部并且从其延伸；和

底座，支撑所述散热片；其中，所述工具元件、所述散热片和所述 底座在所述工具元件的第二侧部处限定冷却剂流动腔室；

其中，所述工具元件被配置为在所述第一工具表面和所述冷却腔室 之间具有大致均匀的厚度；和

其中，所述多个散热片被定位以建立根据优化算法设置的和基于所 述第一工具表面的相关联温度分布的冷却流动通路。

优选地，其中，所述冷却流动通路位于所述散热片中的相邻散热片之间 并且具有的宽度配置为使所述工具元件的拉伸应力、剪切应力和挠度低于预 定的最大限值。

根据又一方面，提供一种设计注射模具组件的方法，包括：

提供预定数量的代表冷却流动通路的冷却通道的初始布局；其中，每个 冷却通道由所选数量的冷却元件模拟；其中，每个冷却通道与模具工具元件 的被冷却侧部上的具有轮廓的表面接触，并且与该具有轮廓的表面一致；

计算与被冷却侧部相对的模具工具元件的工具表面侧上的工具表面的 工具表面元件温度；其中，所述工具表面元件在空间上与所述冷却元件对应， 并且通过冷却通道内的冷却剂流经由经过所述工具元件的热传导而被冷却；

确定是否工具表面元件的计算温度满足预定条件；

当没有满足所述预定条件时，根据使用所述工具表面元件的计算温度的 优化算法，产生所述冷却通道的修改的布局；和

重复所述计算、确定和产生步骤直到满足所述预定条件；和

在所述冷却侧部提供形成冷却腔室的工具元件和散热片，该冷却腔室具 有的冷却剂流动通路对应于满足所述预定条件的修改的布局的冷却通道。

优选地，其中，每个工具表面元件定位在垂直于所述冷却元件的相应的 不同一个的工具表面上。

优选地，其中，所述温度基于通过所述工具元件的稳态热传导计算。

优选地，其中，所述冷却通道的修改的布局这样建立：重新定位所述冷 却元件，使得所述冷却元件的相邻的冷却元件的布置模式被保持。

优选地，其中，所述预定条件为所有所述工具表面元件的温度在预定温 度范围之内。

优选地，其中，所述预定条件为所述计算温度的迭代的预定次数。

优选地，其中，所述优化算法基于以下至少一个：工具表面元件的温度 分布、冷却循环时间的最小化、从在型腔侧的塑料到在冷却侧的冷却剂的热 流平衡、最小化冷却通道的每一个内的温度变化、保持通过所述冷却通道的 湍流、保持通过所述工具元件的均匀热流、避免所述工具组件的周期性应力 失效和所述冷却通道的每一个内的压降。

优选地，其中，多个散热片连接到所述工具元件的第二侧部并从其延伸； 其中，底座支撑所述散热片；其中，所述工具元件、所述散热片和所述底座 在所述工具元件的第二侧部限定冷却剂流动腔室；

其中，所述工具元件配置为在所述第一工具表面和所述冷却剂流动腔室 之间具有大致均匀的厚度；和

其中，所述多个散热片被定位以在所述冷却剂流动腔室内建立冷却剂流 动通路，所述冷却剂流动通路中的每一个位于所述散热片的相邻的散热片之 间；并且该方法还包括：

配置在散热片的相邻的散热片之间的每个冷却通道的宽度，以使所述散 热片的尺寸配置为确保所述工具元件的拉伸应力、剪切应力和挠度低于预定 的最高限值。

当结合附图时，本教导的上述特征和优点以及其他特征和优点通过用于 执行本发明的最佳方式的以下详细描述而变得显而易见。

附图说明

图1是以注射模具组件的局部剖视侧视图显示的示意图；

图2是形成物体的图1的模具组件的模具工具的示意性剖视图；

图3是图1或图2的模具工具中的一个在线3-3处截取的以剖视图显示 的示意图；

图4是图3的模具的替代实施例截取的以剖视图显示的示意图；

图5是设计如图2所示的具有工具元件和支柱的模具组件的方法的流程 图示意图；

图6是最初的冷却通道布局以虚线示出的图2中的模具工具中的一个的 一部分的以透视图显示的示意图；

图7是已经在图1和图2的模具组件中成型的成型物体的以透视图显示 的示意图；

图8是图3的模具工具的以剖视图显示的示意图，示出图6的初始冷却 通道布局和支柱的相应位置；

图9是图2的模具中的一个的工具元件和图8的冷却通道中的一个的以 局部侧视图显示的示意图，示出代表性的工具元件和冷却元件；

图10是图2的模具元件的一部分和支柱以沿图8中的线10-10截取的 剖视图显示的示意图。

具体实施方式

参照附图，其中，相同的附图标记代表相同的元件，图1示出用于注射 成型物体12的注射模具组件10，如在图6中示出的具有复杂轮廓的塑料物 体12。如本文进一步说明的，注射模具组件利用新颖的模具工具14，16， 该模具工具14，16使物体12能够实现更均匀的冷却。穿过模具工具14，16 的冷却通路可以根据有效的设计方法优化。

注射模具组件10采用了机动化的往复螺杆18，该螺杆通过喷嘴20将融 化的塑料递送到由第一模具工具14和第二模具工具16形成并且形成在第一 模具工具14和第二模具工具16之间的模具型腔22中。加热器24环绕支撑 螺杆18的桶26并熔化塑料，塑料(如塑料颗粒30)被从塑料料斗28送入 桶26内。马达32转动螺杆18，液压缸34由电子控制器36控制，以使螺杆 18往复运动。塑料通过支撑第二模具工具16的固定台板38内的通道供给， 第二模具工具16也被称为型腔工具。可动台板40支撑第一模具工具14，也 就是型芯工具。液压驱动的夹紧缸42也可以由控制器36控制以移动可动台 板40和附接到其的第一模具工具14以关闭模具14，16，在该时间之后将塑 料注射到型腔22中。压力由气缸42保持，并且由控制器36控制的冷却系 统44如本文所述的调节模具工具14,16的温度。泵45用于循环冷却剂通过 冷却系统44。所示的冷却系统44包括通过温度控制装置和泵45将冷却剂引 导到型腔22的供给歧管，和从型腔22接收冷却剂并引导冷却剂返回的收集 歧管。一旦物体12(如图2所示)被充分地形成和冷却，夹紧缸42缩回， 打开型腔22，并且顶销(未示出)将成型的物体12脱出。应当理解的是， 虽然只有一个控制器36被示出和描述，但是多个互连的控制器可用于控制 模具组件10的各个系统。

图2以局部视图示出了模具组件10的一部分，并为了清楚相对于图1 旋转了90度。第一和第二模具工具14,16被配置为相对便宜地制备，还能够 使与物体12接触的模具工具表面实现均匀冷却，同时相较于传统的冷却装 置缩短生产周期。第一模具工具14具有工具元件46，该工具元件46具有第 一侧部48，第一侧部48具有面向并部分限定模具型腔22的第一工具表面 50。第二模具工具16具有工具元件63，该工具元件63具有面向并部分限定 模具型腔22的第二工具表面52。第一和第二工具表面50,52配合地配置以 在工具表面50和52之间限定模具型腔22。

工具元件46具有与第一侧部48相对且也被称为冷却侧部的第二侧部54。 多个散热片56从工具元件46的第二侧部54延伸。底座58支撑散热片56。 散热片56也可以被称为支柱或支杆，因为每一个充当工具元件46的结构支 撑，并且必须承受在模制过程中加载的压力。在所示的实施例中，散热片56 与第一工具元件46是一体的。工具元件46、散热片56和底座58在工具元 件46的第二侧部54处限定冷却剂流动腔室60，使得冷却剂流动腔室60内 的冷却剂接触工具元件46的第二侧部54以冷却第二侧部54的表面55。端 部构件59从工具元件46延伸以封闭冷却剂流动腔室60的侧部。如下所述， 端部构件59在密封件61处密封到第二工具元件63以封闭模具型腔22。工 具元件46是足够硬以受得住注射成型所需的压力的工具钢。工具元件46可 被加工为使得在第一侧部48和第二侧部54之间的工具元件的模具壁厚度 (mwt)62至少在整个第一工具表面50上保持在预定范围内。

第二模具工具16也具有工具元件63，该工具元件63具有带有第二工具 表面52的第一侧部64，并且具有与第一侧部64相对的第二侧部66。多个 散热片68从工具元件63的第二侧部66延伸。散热片68也可以被称为支柱 或支杆，因为每一个充当工具元件63的结构支撑，并且必须承受在模制过 程中加载的压力。散热片56中的每一个根据需要具有不同的相应高度H1, H2,H3,H4,H5,以从具有复杂轮廓的工具元件46到底座58跨越冷却剂流动 腔室60。底座70支撑散热片68。在所示的实施例中，散热片68与底座70 是一体的。工具元件63、散热片68和底座70在工具元件63的第二侧部66 处限定另一个冷却剂流动腔室72，使得冷却剂流动腔室72内的冷却剂接触 并冷却工具元件63的第二侧部66处的表面。端部构件71从底座70延伸以 封闭冷却剂流动腔室72的侧部。工具元件63是足够硬以受得住注射成型所 需的压力的工具钢。工具元件63可被加工为使得第一侧部64和第二侧部66 之间的工具元件63的模具壁厚度(mwt)74至少在整个第二工具表面52上 保持在预定范围内。底座70和散热片68可任选地是比第二工具元件63的 工具钢便宜的材料。例如，底座70和散热片68可以是铝。

图3示出了模具工具14的一部分的剖视图，其中，散热片56已经根据 利用优化算法的方法被定位和确定尺寸，以提供穿过冷却剂流动腔室60的 冷却剂流动路径71A,71B,71C,71D,71E和71F的最终布局。最终布局被优 化以满足预定的条件，例如，在第一工具表面50的温度分布，其中，所有 的温度是基本均匀的，因为它们都在预定的范围内或如本文进一步描述的。

图4示出了可用于代替图1中的模具工具14的替代的模具工具14A。 模具工具14A也具有的冷却剂流动腔室60A，冷却剂流动腔室60A具有被 定位以提供穿过冷却剂流动腔室60A的冷却剂流动路径71G,71H,71I,71J, 71K和71L的散热片56A的布置，该布置在第一工具表面50处实现其中所 有的温度基本均匀的温度分布，因为所有温度都在预定的范围内。如图4所 示，散热片56A每一个具有垂直于它们相应的高度H1，H2，H3，H4，H5 的翼型形状的横截面。翼型形状的横截面减小流动阻力。另一方面，散热片 56的通常为矩形横截面的较大的角度可能局部地增大通关冷却剂流动通路 的湍流。散热片56A每一个具有与冷却剂流动腔室60A内的冷却流体接触 的外表面75，并且每一个关于相应的纵向轴线76取向为使得外表面75将引 导冷却流体以促进均匀的温度分布。换句话说，一些散热片56A被定位为相 对于大体的流动方向78略微成一角度，以局部地增大或减小工具元件46上 的冷却效果。如本文进一步说明的，冷却流动通路71A,71B,71C,71D,71E 和71F位于散热片56中相邻的散热片之间，并且具有配置为使得模具工具 14的拉伸应力、剪切应力和挠度低于预定的最高限值。

图5是设计注射模具组件(例如，图1的注射模具组件10)的方法100 的流程图。方法100相对于第一模具工具14(包括工具元件46、散热片56、 冷却剂流动腔室60和底座58)被描述。方法100也同样适用于第二模具工 具16(包括工具元件63、散热片68、冷却剂流动腔室72和底座70)的设 计。事实上，如本文所讨论的，为了满足预定的条件，每一个模具工具14,16 将被单独分析。方法100的许多方框或步骤可配置为存储在单个计算机上的 单个处理器上并且由其执行的单个算法，或者方法100的不同部分可以是彼 此连接且存储在一个处理器上并通过该处理器执行，或者存储在可在单个计 算机或多个计算机上的多个处理器上并且由其执行的单独的算法。

方法100始于框110，提供代表预定数量的穿过冷却剂流动腔室60的在 相邻的成组的散热片56之间的冷却通路的冷却通道的初始布局。冷却通道 80是腔室60或72内的实际冷却流动通路的圆柱形模型，它们是仅由散热片 56或68阻断的敞开腔室，如图2和8所示。然而，使用在受约束的圆柱形 冷却通道内流动的冷却剂的物理特性简化受较少约束的冷却流动通路的模 拟能力使得散热片56的最终位置和大小能够被确定。

如本文所述，最初的布局将根据迭代过程被修改，以得出满足预定条件 的最终布局。例如，参考图6，显示了没有将在冷却剂流动腔室60内建立冷 却剂流动通路的散热片56的工具元件46的初始模型46A。初始模型46A从 底侧示出，以使第二侧部54的冷却表面55可见。初始布局包括多个代表冷 却剂流动通路的冷却通道80。每个冷却通道80接触、垂直于并沿着工具元 件46的第二侧部54(即，冷却侧部)的具有轮廓的冷却表面55。所选择的 冷却通道80的数量可以得自冷却功率估算子程序，该子程序基于制备物体 12的模具周期的近似冷却时间，并且基于在模具周期期间被冷却系统去除的 总热量的估计。换句话说，所选的冷却通道80的数量是在期望的周期时间 内除去必要的热量所需要的。

其他系统要求或限制可在确定冷却元件82的最终位置及工具元件46,63 和支柱56,68的对应尺寸中赋于注射模具组件10或模制过程的物理特性或其 他参数。例如，为了制造效率，可能期望最小化冷却时间。

例如，冷却时间和冷却管路的数量可以被优化以最大化从模具的传热速 率同时在工具表面50,52处保持均匀的温度；其中：

其中，k是工具元件46,63的热导率；是工具元件 46,63沿工具元件46,63的厚度(即，模具壁厚度mwt)的方向z的温度梯度。

工具元件46,63的表面50,52的温度如下所示与冷却循环期间的时间相 关：

$T_{x=0}\left(t\right)=(T_{\mathrm{coolant}}+(T_{\mathrm{melt}}-T_{\mathrm{coolant}}){\Sigma }_{m=0}^{\infty }\frac{{(-1)}^m}{2m+1}{e}^{\frac{{\pi }^2\alpha {(2m+1)}^2}{h^2}s});$其中， T_coolant是冷却剂的温度；T_melt是型腔22内的塑料的温度；m是质量；a是 热扩散系数，并且h是部件的厚度。

工具元件46,63的表面50,52的温度的变化率如下所示与工具元件46,63 的材料的属性相关：

其中，T为工具元件46,63沿工具元件46,63的厚度(即， 模具壁厚度mwt)的方向z的温度；并且a为工具元件46,63的材料的热扩散 系数。

具体地，为了估算冷却功率以及因而模具工具14,16中的一个所需的冷 却通道80的数量，冷却时间T_c(以秒为单位)可以首先基于关系式被近似：

其中，s是部件的厚度(即，物体12的厚度， 以毫米(mm)为单位)；其中，mwt为模具壁厚度(以毫米(mm)为单位)。 要除去的热量和每个冷却通道80的传热速率可以被估计，如下：

Q_m＝m*C_p(T_melt-T_eject)；

${\stackrel{·}{Q}}_c=\frac{Q_m}{\mathrm{TC}};$以及

其中，Q_m为从熔化的塑料除去的总热量；m为模具型 腔22内的以及模具14或16中通向模具型腔22内的任何一个或多个流道内 的塑料的质量；C_p为冷却剂的比热；T_melt为塑料的熔化温度；T_eject是成型 的物体12从模具型腔22脱出时的温度；为每个生产周期的传热速率；TC 为冷却时间；为每个冷却通道80的传热速率(即，以焦耳每秒或瓦 特为单位的冷却通道功率)；以及n为冷却通道80的数量。

每个通道80内的冷却剂流动速率V可以从下面的关系式估计：

$\Delta T_{\mathrm{coolant}}={\stackrel{·}{Q}}_{\mathrm{channel}}/(V*\rho *C_p);$其中ΔT_coolant为单次通过冷却通道 冷却剂所增大的温度；并且ρ为冷却剂密度。ΔT_coolant可以设置为每通过一 次冷却剂温度允许的增大，例如但不限于从0.1到1℃(摄氏度)的数值， 并且可从上述关系式求解出V。为了最大化热传递，冷却剂流动速率V也可 以被通道80内的冷却剂流为湍流的要求所限制。雷诺数Re以下面所示关系 式与冷却剂流动速率相关：

其中，ρ为冷却剂密度；V为冷却剂流动速率，也被称为冷 却剂速度；D为通道的等效直径(即，相对于横截面为圆柱形的通道的通道 80的等效直径)，假设通道80是非圆柱形通道，其可以通过圆形通道的直径 乘以等效或调节因子来估计。

雷诺数Re可以被限制为2,300以上的数值，4,000是典型的数值。另外， 冷却通道80内的压力必须是小于用于循环冷却剂的泵45的最大能力的数值， 每个通道的冷却剂除热速率必须大于或等于冷却通道输出，并且以 所要求的速度和精度充分监测温度的模具温度控制器的能力应该被确认。优 化算法可以被用于优化冷却剂除热速率与泵45消耗的冷却液泵送能 量。

冷却通道80的面积可以被近似为在圆柱形通道的最大值和最小值之间， 其每一个都可以被转化为等同布置模式面积尺寸，以匹配所选的相关联的布 置模式面积，这样的相关联的布置模式88在本文中有所讨论。最大值和最 小值可以如下所示公式近似：

其中，雷诺数为4,000；

其中，l为冷却通道的长度；且ΔP为冷却通道80内 允许的压降。D_max和D_min可以每一个转换成等同布置模式区域尺寸乘以根据 测试得到的校正系数。

来自工具表面50,52的冷却与模具型腔22内的加压熔化塑料施加的表面 上的最大压力相关：

其中，σ_endurance为耐久应力，其为可 以施加到模具型腔22内的塑料材料的最大应力。

冷却通道80的间隔，被称为冷却间距，也可以根据以下关系式，被穿 过工具元件46,63的工具表面50,52的热通量的最大变化限定：

其中，为穿过工具元件46,63的工 具表面50,52的热通量的最大变化；W_line为冷却通道80的宽度，在图10中 由l表示；H_line为冷却通道80距工具元件46的被冷却表面55(或工具元件 63的被冷却表面)的高度，在图10中由fh表示。

每个冷却通道80通过冷却元件82模拟。冷却元件82代表冷却剂流动 腔室60内的冷却剂，每个冷却元件82代表在特定位置的冷却剂，通过特定 的笛卡尔坐标识别。

为了根据方法100执行的数学计算的目的，每个冷却元件82与工具表 面元件84配对。每个工具表面元件84代表在特定位置的第一工具表面50， 可通过特定的笛卡尔坐标识别。根据在冷却元件82处的工具元件46的厚度 (mwt)74垂直的直线，每个冷却元件82与恰好与特定的冷却元件82相对 的特定的工具表面元件84配对。这在图9中分别通过与工具表面元件84A, 84B,84C,84D和84E配对的表示为82A,82B,82C,82D和82E的冷却元件 标示。工具表面元件84A,84B,84C,84D和84E与冷却元件82A,82B,82C, 82D和82E空间上相对应，并且通过冷却通道80内的冷却剂流经由经过工 具元件46的热传导而被冷却。

根据方法100，用于方法100中所采用的热平衡传递方程的每个冷却通 道80的冷却元件82的数量必须由设计者在设计过程的开始选择。虽然只有 5个冷却元件82A,82B,82C,82D和82E显示用于图9中的冷却通道80，但 是在工具元件14、散热片56和冷却剂流的热传递和其他物理特性模拟中， 可能选择更多的冷却元件，以获得更高的精度。此外，冷却元件82A,82B,82C, 82D和82E不必如图9所示的彼此紧邻，并且可替代地进一步沿着图6的冷 却通道80的长度彼此分开。不同数量的冷却元件82可以用于在方法100中 模拟不同的冷却通道80，或者相同数量可用于模拟每个通道80。

图10示出在工具元件46和底座58之间的冷却通道80中间的冷却元件 82，以表明所示的与冷却表面55接触的每个冷却元件82A,82B,82C,82D和 82E的物理特性实际上基于垂直于被冷却表面55的特定位置的冷却通道80 内的冷却剂的平均水平。此处提及的冷却元件82还指更具体地表示的冷却 元件82A,82B,82C,82D和82E。此处提及的工具表面元件84还指更具体地 表示的工具表面元件84A,84B,84C,84D和84E。

如本文所述，在方法100的各部分迭代期间，每个冷却元件82的具体 位置将随着冷却通道80的布局被修改而改变，直到期望的预定条件被满足。 在一个实施例中，当每个工具表面元件84的温度被确定为在预定温度范围 内时，期望的预定条件被满足。或者，在另一个实施例中，如本文所述，预 定条件为框112内计算工具表面元件84的温度的预定迭代次数。因此，在 这样的实施例中，在预定的迭代次数已经完成后，例如，举个非限制性示例， 50次迭代，则冷却通道80的最终布局和散热片56的对应位置被实现。虽然 冷却通道80最初被模拟为直的，但是最初包括在每个最初直的冷却通道80 内的冷却元件82的最终位置将建立经模具型腔22的冷却流动通路，其将可 能不是完全直的，如图3和4所示。

图8示出最初输入到执行方法100的计算机的冷却通道80的初始布局 以及散热片56的相关联的初始位置的例子。除了在远端的冷却通道，每个 冷却通道80位于散热片56的相邻排之间，在远端的冷却通道位于端部构件 59和一排散热片56之间。各种设计约束可以被实施，以在初始布局和作为 在自动迭代过程中对布局的改变的限制，管理散热片56和冷却通道80的物 理尺寸之间的关系。例如，下面的设计约束在提供初始冷却通道布局中实施。 首先，图8中示出的散热片间隔(fg)和散热片长度(cfl)的比率可以按如 下所示被约束：

fg/cfl＝0.5到0.1。

允许的散热片间隔(fg)和散热片厚度(ft)的比率的范围可以按如下 所示被约束：

1.0<fg/ft>4.0。

散热片厚度(ft)与冷却通道80的宽度(cc)的比率，也表示为l，可 以按如下所示约束：

ft/cc<0.1。

冷却通道80可以被约束，使得冷却通道80内的雷诺数(Re)高于2,300。 最后，用于加工工具元件46和散热片56的成角度的接口的工具头的尺寸可 以被约束为具有大于2毫米的半径的工具头的尺寸，以导致图10中所示的 半径(r)大于2毫米的接口。

任选地，冷却元件82的某些子集在设计迭代中可以被联接在一起，以 在每一次迭代中，使联接的冷却元件82的修改的位置互相保持相同的初始 相对位置。参照图8，可使用称为联接布置模式88的冷却元件的三元布置模 式。例如，落入联接布置模式88内的围绕散热片56的三元布置模式的冷却 元件82可以被操纵以在整个迭代中互相维持相同的相对位置。

注射模具组件10也可以就以下的一个或多个进行优化：最小化冷却时 间，提供热流量平衡，其中腔室60,72内的冷却剂热流量等于模具型腔22 内熔化的塑料的热流量，提供最小化跨工具元件46和63的温度差并能够实 现冷却通道效率的冷却剂流动速率，为冷却元件82提供确保湍流(雷诺数 大于2,300)的布置模式，提供冷却元件82的最终位置，该最终位置提供经 过工具元件46,63的均匀的热流，基于周期性应力失效曲线、施加到工具 14,16的压力的压力图以及注射模具组件10将被使用的周期数，确保够长的 工具寿命，以及确保跨每个冷却通道80的压降将能够通过工具外部辅助热 提取过程的能力实现。

例如，来自模具型腔22内熔化的塑料的热通量可以由框110内的算法 根据以下关系式确定：

$Q_m=\frac{(\mathrm{\Delta h}*A_m*s*p)}{2}*\mathrm{tc};$

tc＝TC+Tn；和

TC＝C_C*S²；

其中，Q_m为来自熔化用于成型物体12的注射的塑料的总热量；Δh为注 射时材料温度下的比焓减去脱出时材料温度下的比焓得到的焓差(以千焦耳 每千克(kj/kg)为单位)；p为熔化的塑料的密度；A_m为成型的物体12的表 面积；TC为冷却时间，在此期间，模具工具14,16与其中的注射塑料被闭合 在一起；Tn为打开和闭和模具工具14,16所需的非生产时间和用于从模具工 具14,16脱出成型物体12的时间；tc为整个生产时间；s为成型物体12的壁 厚；C_C为冷却常数(具有2到3秒/平方毫米的范围)，对于未填充的热塑性 塑料，它物理上是相似的，并且用作用于估计冷却时间的简单相关系数。C_C是 塑料中心的冷却梯度的估值。冷却梯度与傅里叶数的曲线容易得到以估计几 何形状。

冷却时间TC还以如下所示和成型物体12的塑料材料的性能相关：

$\mathrm{TC}=\left(\frac{s^2}{a_{\mathrm{eff}*{\Pi }^2}}\right)*\ln (\frac{\frac{8}{{\Pi }^2}(\mathrm{Tm}-\mathrm{Tw})}{\mathrm{Te}}-\mathrm{Tw});$

$a=\frac{k}{(p*\mathrm{Cplas})};$

$\mathrm{Fo}=\frac{(a*t)}{x^2};$

其中，a为热扩散系数；a_eff为有效热扩散系数；k为塑料材料的导热系 数；Cplas为塑料材料的比热；Fo为从盘状、圆柱和其他不同的几何形状的 相关图表确定的傅里叶数；Tm为塑料材料的熔化温度；Tw为模具型腔22 的壁温度，它与工具表面50的温度是相同的；Te为脱模温度，也被称为物 体12在从模具型腔22脱出时的温度。值得注意的是，在上述的冷却时间关 系式中，成型物体12的壁厚S为平方项。因而，减少物体12的厚度可以显 著减少冷却时间。利用模具工具14,16的冷却能够实现非常均匀的冷却，这 应该允许成型物体12减小的厚度和冷却时间的相应减少。

在平衡状态，其中，为注射的熔化用于成型物体12 的塑料的热通量；为进入工具元件46的热通量。如果冷却时间TC已知， 则平衡时型腔壁温度Tw可以被求解。冷却时间TC可以被输入到系统或被估 算。类似地，如果型腔壁温度已知，则平衡时的冷却时间TC可以从上述关 系式确定。在这种情况下，型腔壁温度可以是系统的输入，例如，如果期 望一定的型腔壁温度TC。

冷却剂的热流速率以如下所示与冷却通道80模拟的冷却系统的参数 相关：

$\stackrel{·}{Q}=U*A*\mathrm{Lc}*(\mathrm{Tc}-\mathrm{Tf});$

$U=\frac{\mathrm{Nu}*K12}{D};$

$\mathrm{Nu}=0.116*{\mathrm{Pr}}^{0.33}({\mathrm{Re}}^{0.66}-125)[1+{\left(\frac{D}{12*\mathrm{Lc}}\right)}^{0.66}]{\left(\frac{\mathrm{\mu c}}{\mathrm{\mu f}}\right)}^{0.14};$

$\mathrm{Pr}=\frac{3600*c_{\rho }*\mathrm{\mu f}}{K};$

其中，Re为冷却剂流的雷诺数；Pr为冷却剂流的普朗特数；Nu为冷却 剂流的努塞尔数；Lc为冷却通道80的长度(以毫米为单位)；D为冷却通道 的等效直径(即，与图10中的具有宽度l和高度fh的冷却通道80的流量体 积等效的圆柱形通道的直径)；ρ为冷却剂的密度；μ为冷却剂流体粘度； μc为在型腔22的温度下冷却剂的粘度；K为冷却剂的导热系数；Cp为冷 却剂的比热；Tc为表面型腔温度；Tf为冷却剂的温度；A为在侧部54处暴 露的表面冷却面积；U为冷却剂的传热系数；为冷却剂的热流速率。

冷却通道80和散热片56或68的尺寸可以基于结构载荷的优化以确保 工具的寿命(即，工具14,16的完整性)。一个优化过程是基于使工具元件 46,63的拉伸应力、剪切应力和挠度分别维持低于工具元件46,63的最大允许 拉伸应力、最大允许剪切应力和最大挠度选择冷却通道的距离cc，也显示为 l。例如，

${\sigma }_{b\max }=\frac{0.5*P*l^2}{d^2};$

${\tau }_{\max }=\frac{0.75*P*l}{d};$和

其中，P为模具型腔22内的塑料作用 在工具元件46,63的表面50,52上的压力；d为工具元件46或63沿方向z的 深度(即，模具壁厚mwt)；l为标示在图10中并且也在图8中标示为cc的 冷却通道80的宽度；E为每个散热片56或68的拉伸弹性模量(牛/平方毫 米)；G为每个散热片56或68的剪切模量(牛/平方毫米)；σ_bmax为每个散 热片56或68的允许的拉伸应力；τ_max为每个散热片56或68的允许的剪 切应力(牛/平方毫米)；以及f_max为工具元件46,63的最大允许挠度。

接着框100，方法100进行到框112，在其中，计算对应于冷却元件82A, 82B,82C,82D和82E的工具表面元件84A,84B,84C,84D和84E的温度。 应当理解的是，只有用于一个冷却通道80的一部分的工具表面元件84A,84B, 84C,84D和84E和相应的冷却元件82A,82B,82C,82D和82E示于图9中， 框112内计算的温度分布同时基于所有冷却通道80的所有工具表面元件84 和所有冷却元件82，方法100的其余框关于所有冷却通道80的所有工具表 面元件84和所有冷却元件82执行。框110可以根据本文描述的不同的稳态 传导方程执行以提供模具表面温度分布。框112内的温度分布计算可以根据 与执行方法100的部分的一个或多个其他程序连接的工具设计程序，以提供 本文所述的冷却元件位置迭代。模具型腔22内的注射的塑料在工具元件 46,63的表面50,52上的注射压力分布将被在框112中的温度分布计算之前提 供作为工具设计程序的输入。任何合适的编程语言可用于连接框112中的基 于冷却元件(和因此冷却通道)布局的温度计算，所述冷却元件布局可以由 计算机辅助工程模流软件程序、框114(集成控制器)和通过求解优化算法 产生修改的冷却元件位置的框118实现。

根据框112中提供的工具表面元件84的温度分布，方法100然后进行 到框114以确定预定条件是否得到满足。如果预定条件是简单地执行框112 预定次数，那么框112中的确定可以通过包括在算法中的简单的计数功能实 现。然而，预定条件可能是满足框112内计算的所有工具表面元件84的温 度在预定的目标温度范围内的要求，这可被称为收敛条件。目标温度可以是 10摄氏度到300摄氏度，取决于应用和在塑料材料内使用的树脂。工具表面 元件84的温度由本文所描述的成型塑料材料、工具元件46和冷却剂流之间 的热流关系式确定。对于该收敛条件可能存在额外的要求，例如，工具元件 46的所有工具表面元件84的计算温度也可能要求彼此在5摄氏度内。此外， 当第二模具工具16根据方法100单独被分析时，收敛条件可能还要求工具 元件63的所有工具表面元件84的温度也必须彼此在5摄氏度内。当工具元 件46和工具元件63的这些要求都满足时，收敛条件的满足还可能要求工具 元件46和工具元件63的平均温度的差值必须不超过20摄氏度。

如果在框114内预定条件被满足，那么冷却元件82的位置被优化，并 且方法100移动到框116(在其中，工具元件46和对应于冷却元件的位置的 支柱56被提供)。接着冷却剂流动腔室72的分析，对应于冷却元件82的位 置的工具元件63也被提供。如本文所讨论的，影响确定工具元件46,63和支 柱56,68的最终尺寸的其他因素的优化，也可以在确定工具表面元件84的温 度分布以及冷却元件82的所得位置中采取的热流量计算中被考虑和思考。 举个非限制性示例，工具元件46,63和支柱56,68的尺寸也可以被优化用于 一个或多个以下内容：最小化冷却时间，提供冷却剂流动腔室60,72内的冷 却剂的热流等于在模具型腔22内熔化的塑料的热流的热流平衡，提供最小 化跨工具元件46和63的温度差并且能够实现冷却通道效率的冷却剂流动速 率，给冷却元件82提供确保湍流(例如，雷诺数大于2,300)的布置模式， 提供冷却元件82的最终位置，该最终位置提供经过工具元件46,63的均匀热 流，以基于以下所列确保够长的工具寿命：(i)周期性应力失效曲线，(ii)施加 到模具工具14,16的压力的压力图，以及(iii)注射模具组件10将被使用的周 期数，并且确保跨每个冷却通道80的压降将通过外部热提取过程的能力得 以实现。

如果预定条件在框114内没有满足，那么方法100替代地移动到框118， 其中根据使用来自框112的工具表面元件84的计算的温度的优化算法，产 生冷却元件82和因此冷却通道80的修改的布局。换句话，修改的布局中的 每个冷却元件82的笛卡尔坐标基于工具表面元件84的温度分布。

在工具元件46和63的与模具型腔22内的塑料接触的区域内生成用于 工具表面元件84和冷却元件82的标量场F，并且在工具元件46和63的与 模具型腔22内的塑料不接触的区域内生成用于工具表面元件84和冷却元件 82的另一个标量场。用于工具表面元件84和冷却元件82中的每一个的值被 表示为标量函数：

F＝F(x,y,z)，其中，x,y,z为笛卡尔坐标。

当拉普拉斯F＝0的拉普拉斯运算针对工具元件46和63的每一个区域 (即，与塑料接触的区域和不与塑料接触的区域)执行时，在每次迭代中， 标量场驱动冷却元件82的移动。如本文所述，每个拉普拉斯算子由关于每 个独立变量的函数的二阶导数的和给定。每个冷却元件82从其之前布局中 的位置(笛卡尔坐标)到它在随后的修改布局中的新位置的移动由标量函数 的梯度限定：

其中，υ为局部模具区域的移动矢量。例如，稳态热传导优 化算法开始于由三维泊松方程管理的总热传递：

$\rho C_p\frac{\partial T}{\partial t}=k(\frac{{\partial }^{2}T}{\partial x^2}+\frac{{\partial }^{2}T}{\partial y^2}+\frac{{\partial }^{2}T}{\partial z^2}),\bar{r}\in \Omega ;$其中，T为x,y,z笛卡尔坐标 处工具表面元件84的温度；t为时间；ρ为塑料的密度；Cp为塑料的比热；r 为半径，并且Ω为域。对于稳态拉普拉斯方程，则：

$k_m(\frac{{\partial }^2\bar{T}}{\partial x^2}+\frac{{\partial }^2\bar{T}}{\partial y^2}+\frac{{\partial }^2\bar{T}}{\partial z^2})=0,\bar{r}\in {\Omega }_m;$其中，k_m为平均导热系数，为 周期平均模具温度(即在物体12的成型时间期间，不包括模具工具14,16 的打开和关闭时间，模具型腔22内的塑料的平均温度)。因此，稳态拉普拉 斯方程为每个冷却元件82提供从一个冷却通道布局到下一个迭代的冷却通 道布局的梯度或移动方向。由于每个冷却元件82的移动方向已知，那么许 多标准的潜在优化算法中的任意一个可以于是被用于确定冷却元件82的下 一组笛卡尔坐标，每个冷却元件82沿按照从稳态拉普拉斯方程的解确定的 梯度的方向移动。如果下凹则拉普拉斯为正的，如果上凸则拉普拉斯将是负 的。该结果将被与平均值进行比较。这将指导顺序优化。在使用拉普拉斯之 前，其他标准的优化方法可以用于粗略估算或某些子程序，例如克里格方 法或蒙特卡洛方法。这些可以与实验设计(DOE)方法或抽样技术(如全因 子、D-优化设计、中心组合设计、正交阵列和拉丁超立方体)一起使用。

如本文关于图8所讨论的，相邻的冷却元件82的组可以以某种布置模 式被联接，例如，冷却元件82的三元联接布置模式88。联接的冷却元件82 的其他布置模式可以被替代使用。冷却元件的联接布置模式的使用是有益的， 因为它避免了相邻的冷却元件之间的强的梯度或大的改变。例如，系统可以 应用规则，使得相邻元件的特征变化不超过10％。

因此，在框118之后(在框118中，每个冷却元件82根据从标量场产 生的矢量场的结果以及所选择的优化算法被移动)，方法100返回到框112， 修改的冷却元件的位置(构成对应的修改的冷却通道80)作为输入提供给框 112，计算工具表面元件84的温度的算法的一部分对应于新的冷却元件的位 置(即，垂直于每个冷却元件的位置并且在工具元件46或63的表面上)。

在框112中重新计算的表面温度概况然后在框114中被评估，以确定是 否满足预定条件。框112,114和118被重复直到预定条件被满足。当满足预 定条件时，冷却元件82的最终位置是已知的，因此，支柱56,68的对应的位 置和尺寸是已知的。方法100因而从框114移动到框116，在框116中，如 以上所讨论的，制造和提供具有工具元件和支柱56,68的模具工具14,16。

虽然用于执行本发明的许多方面的最佳方式已经被详细地描述，但是熟 悉这些技术相关的领域的人员将意识到用于实践本教导的在所附权利要求 的范围之内的各种替代方面。