導讀：
有的工程師或企業在設計塑膠件時，對於注塑成型週期絲毫不在意，認為再長的週期都是理所當然。
而有的工程師或者企業對於注塑成型週期錙銖必較，能夠縮短1秒甚至0.5秒就是成功，總是千方百計想辦法去縮短。
而這當中有些企業縮短成型週期的方法可以用“喪心病狂”來形容。本篇文章介紹德國一家叫做Linde的企業“不擇手段”縮短注塑成型週期的方法--使用液態二氧化碳冷卻、縮短冷卻時間繼而縮短成型週期，降低塑膠件成本。
生產已經在如此的盡力去降本了。作為產品設計，難道還無動於衷嗎？
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冷卻時間佔成型週期的比例
在注塑成型週期中，冷卻時間佔據了60~80%的比例。因此，要縮短注塑成型週期，最有效方法是縮短冷卻時間。
▲冷卻時間在注塑成型週期中佔絕大部分比例
縮短注塑成型週期主要有兩個方向：
1）第一個方向是從塑膠件設計的方向；目前在這個方向的研究不多，重視度也不夠；工程師也基本上沒有意識；
2）第二個方向是從注塑模具和注塑生產的方向；有很多的研究專注於這個方向，並取得很大的成功。本文介紹的隨形冷卻、仿血管冷卻和液態二氧化碳冷卻就是其中之一。
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常規冷卻方式
2.1 熱斑區域的產生
在注塑成型過程中，由於塑膠件結構的原因或者模具結構的原因（例如冷卻水路很難觸及或者冷卻效果差），塑膠件上常常有熱斑區域（溫度過高的區域）。熱斑區域最後冷卻，這會急劇增加冷卻時間，從而造成成型週期的增加。
例如，如圖所示是一個汽車濾油器PA66外殼。紅色箭頭所示處材料堆積嚴重，壁厚達到11mm。該區域不但壁厚，同時在模具上該處對應著模具鑲塊，普通冷卻水路很難觸及，冷卻效果差，那麼在注塑成型時就是熱斑區域。
▲汽車濾油器PA66外殼
用紅外線測溫儀測量頂出的塑膠件，發現塑膠件表面溫度最高的點處於上圖所示的箭頭處，證明了該處為熱斑，冷卻時間最長。
▲ 最熱區域
2.2 幾種常規冷卻方式
1）普通冷卻水路
對於類似汽車濾油器PA66外殼的局部過熱的冷卻，顯然僅僅使用最普通的冷卻水路在這裡不可行，因為普通冷卻水路一般在直徑5mm以上，根本上觸及不到熱斑區域。
▲普通冷卻水路
2）普通冷卻水路+兩個銅入子
在普通的冷卻水路上再連接兩個鈹銅入子，鈹銅具有高導熱，通過鈹銅入子把熱量從熱斑區域轉移到冷卻水路帶走，從而進行間接冷卻。
3）隨形冷卻
採用隨形冷卻，把直徑2.5mm總長445mm的水路完全貼合熱斑熱區域的表面，使得水路與塑膠件的距離保持一致，從而達到一種均勻冷卻的效果。
4）仿血管冷卻
在隨形冷卻的基礎上更進一步；首先佈置一根直徑3mm的水路為主動脈，然後分支為2根直徑為2.12mm的亞動脈，各再進一步分支為兩條直徑為1.5mm的毛細血管，整個冷卻水路全長480mm。
▲第2）3）4）種冷卻方式
顯然，第4種的冷卻方式效果最好，能夠最大限度的縮短冷卻時間，從而縮短注塑成型週期。
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液態二氧化碳冷卻
其實，使用仿血管冷卻已經足夠“變態”了，但是偏偏還有企業在研究液態二氧化碳冷卻，你說這是不是“喪心病狂”啊？
3.1 傳統水路的侷限性
使用傳統水路進行冷卻在某些場合具有侷限性：
- 水路直徑通常要求5mm直徑以上。水路直徑過小容易造成堵塞或者要求非常高的水壓；
- 只有空間允許的情況下才能使用水路；但這並不是冷卻效率最高的方式；
- 熱斑區域通常是水路很難觸及的區域，冷卻效率低甚至根本上就沒有冷卻，這會造成整個注塑成型週期急劇增加。塑膠件成本也相應的急劇增加。
3.2 液態二氧化碳冷卻的原理
針對傳統水路存在的問題，德國一家叫做Linde（林德）的企業開發了液態二氧化碳冷卻技術。
液態二氧化碳冷卻並非是完全替代傳統水路，僅僅是針對針對傳統水路很難觸及或者冷卻效果差的塑膠件熱斑區域，例如較長的型芯、入子、頂針和滑塊等。
當塑膠件開始冷卻時，液態二氧化碳在極高的壓力下輸入到薄而靈巧的不鏽鋼毛細管中，直達塑膠件最需要冷卻的熱斑區域。在毛細管頂部，在“膨脹室”中，毛細管末端的液態二氧化碳膨脹會產生溫度約為-78°C的二氧化碳氣體，從而提供非常高的局部冷卻能力，使得熱斑區域快速冷卻，達到縮短注塑成型週期的目的。
3.3 液態二氧化碳冷卻的案例
反光罩中間箭頭所示區域使用傳統水路冷卻效果差。
使用液態二氧化碳冷卻可以縮短45%的冷卻時間。
其它一些成功應用案例包括各種門把手、水管和車架等。
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結論
本文並不是為了推廣液態二氧化碳冷卻技術，我也並沒有實際接觸過這種技術。同時，我也並非注塑模具專家。
不過我有了解到國內有企業在使用這種技術，自行開發相關設備，並在實際應用中取得了成功。
本文的目的是告訴大家：縮短注塑成型週期對於塑膠件的降本非常重要，如果能夠在產品設計時通過設計優化，例如壁厚均勻、把壁厚的地方掏空，就能大幅度縮短成型週期，從而降本，何樂不為呢？
從設計角度進行降本可以達到事半功倍的效果。如果設計不好，再牛的模具設計和注塑生產技術都彌補不了。即使要彌補，估計也得付出非常昂貴的代價。
在我培訓和諮詢的很多客戶中，我看到很多塑膠件設計案例，不是壁厚不均勻、就是部分區域壁厚過厚，沒有一丁點降本意識。
當我問工程師為什麼這樣設計時，工程師根本上就沒有意識到這是一個問題：圖紙畫著畫著就不均勻了，就局部過厚了。
注塑模具和注塑生產方面已經在窮盡方法和手段來降低成本，但是產品設計還遠遠沒有這個意識，現在該採取行動了。
從哪裡開始採取行動？
從閱讀《面向成本的產品設計：降本設計之道》開始吧，裡面不但有注塑成型週期以及注塑成本的計算方法，同時還有一系列塑膠件降本設計的方案。
參考文獻：
1）https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/pen.25024
2）http://read.nxtbook.com/wiley/plasticsengineering/julyaugust2015/spotcoolingwithco2.html
3) https://www.linde-gas.com/en/products_and_supply/plastic_rubber_solutions/plastinum_temp_s.html
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關於作者：
鍾元，2020年3月出版《面向成本的產品設計：降本設計之道》（DFC）
2011年出版書籍《面向製造和裝配的產品設計指南》（DFMA）
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