在金屬鑄造製程中，鑄件成型時的凝固熱點通常會形成縮孔缺陷，因此在進行鑄造方案設計時，需判斷凝固熱點位置，並在此位置設計補縮冒口來消除縮孔的發生，但會造成成品率降低增加製造成本；為了解決此問題可利用冷卻管路(Cool channel)取代冒口設計，以快速冷卻效果來避免縮孔的發生，同時也可以讓結晶細化提高鑄件品質。一般而言，運用鑄造凝固模擬軟體，可判讀出鑄件成型的縮孔位置，並以經驗來設計相對應的冷卻系統，但模擬完成的時間常在數小時以上，造成開發時程的延誤。
本文之“鑄造金屬模多迴路冷卻設計模組”，可以幫助鑄造界真正解決鑄造金屬模具的多迴路冷卻管路設計中對模具熱量傳遞的計算，是屬於專門的電腦輔助應用於鑄造模具冷卻系統設計(Computer-Aided Cooling System Design)的重要設計模組軟體。可以讓設計者在第一時間，可透過CAD軟體(SOLIDWORKS)載入鑄件3D實體後，藉由模組內分割程式計算便可以得到對應分區的鑄件的體積和表面積，再依據鑄造冷卻水與製程參數的輸入後，便可以透過熱量演算法則得到每一分區的冷卻管路的管徑和長度，之後便可將冷卻水管自動導入原鑄件的3D幾何圖檔內，同時也可以依模具多穴設計法則來布置所有冷卻水管，如此設計者不需要再使用試誤法來建構冷卻系統的設計。因此，本文所構想的新一代設計模組，可以提升鑄造金屬模具冷卻系統設計之數位設計與轉型、讓鑄造界可以大幅縮短開發時間，以及節省不必要的設計成本
浪費。
前言
鑄造之凝固模擬在鑄造界已經有廣泛的應用，許多商業用凝固模擬軟體透過冷卻系統來解決縮孔問題也達到相當地準確度，與實際鑄件缺陷也得相當的驗證。但是，真正要能解決複雜形狀的鑄件問題時，則需要有下列前提：
1.冷卻系統需要有經驗的工程師設計。
2.工程師需要許多次的試誤法測試最佳冷卻管路設計。
3.工程師需要有電腦模擬以及實際鑄造的知識。
因此，許多複雜形狀的鑄件往往需要經歷過多次的試誤法得到經驗，但是這些經驗無法在每次的新開發鑄件得到真正精確的冷卻管路尺寸大小及數量的設計。
為了縮短這個開發時間，因此許多學者開始[1-2]應用所謂鑄造知識為基礎的專家系統(knowledge-based expert system)資料庫，來輔助冷卻系統設計。從所建立的冷卻管路資料庫系統，分析建議可能的模具溫度平衡方案設計(沒有建議正確的冷卻管路數量和尺寸)。但是，這個系統只是提出經驗和參考資料，無法真正解決實際鑄造過程模具溫度平衡問題。
如果要解決實際鑄件的凝固問題，必須先了解凝固過程中，凝固缺陷形成的方式。所以凝固過程時，藉著冷卻效率的改變模具溫度的分布，使其達到方向性凝固的特性並縮短凝固時間，減少鑄造的循環時間來增加生產效率。鑄造製程冷卻過程中有三個形式的熱傳遞：
1.熱量經由凝固的金屬傳入模具以熱傳導方式提高模具溫度。
2.熱量在模具外部以對流與熱輻射方式傳出於空氣中。
3.熱量在模具內部以冷卻方式藉水與空氣介質快速帶出至空氣中。
如果要從鑄件的幾何資料(重量和表面積)，直接透過演算法則公式自動產生最佳化的金屬模多迴路冷卻設計：包含冷卻管路的數量以及大小，則需要有下列相關工作需要進行：
1.鑄件在模具內凝固所放出總熱量模式。
2.熱量傳入模具時與冷卻管路熱交換能力。
3.分區之冷卻系統設計的準則以及自動計算出冷卻管路參數的程式軟體。
4.載入設計參數後自動產生冷卻水管的幾何並輸出。理論準則與設計指引
本多迴路冷卻設計模組之所以有別於之前的模擬軟體(CAE)或是建議系統資料庫；它是依據鑄造熱量輸入與輸出的理論，給予載入的鑄件3D幾何圖檔，並自動產生解決鑄造缺陷問題的鑄造冷卻系統設計的模組。
本設計模組利用冷卻過程熱量傳遞之關係式演算的方法，來了解下列的問題：1.鑄造過程中鑄件由液態轉變為固態的熱量放出的模型關係、2.冷卻管路與模具間的熱交換模型關係、3透過冷卻介質快速帶走熱量的熱通量模型關係。上述這些問題是需要多種學門的研究和探討，而且包含：凝固理論、流體力學、電腦流體數值模擬等等。
1.應用凝固理論的熱含量與潛熱公式計算，數值演算凝固過程中，鑄件在模具內放出的最大熱量。
2.應用流動介質(例如水)，在不同雷諾數(Re)狀態下之與模具之間的介面換熱係數(h_W/m2C)的演算。
3.透過單位時間所帶走的熱通量，演算出設計系統中冷卻管路的數量以及大小。
4.熱量平衡為基礎，建立模具中最佳冷卻設計演算法(optimised cooling algorithm)；使用Excel軟體，進行自動演算出鑄件凝固時產出的熱量，找出對應的模具分區的自然冷卻時間，再以最適合的模具生產溫度、強制冷卻時間和所通過的水、流量等製程條件，去建構分區多迴路冷卻系統設計。
5.整合SOLIDWORKS應用程式介面(Application Program Interface _API)與冷卻設計熱散指引介面(Excel)，完成金屬模多迴路冷卻設計模組。開發的本設計模組，是選用商業用Excel軟體的功能編輯撰寫冷卻設計熱散指引演算公式的程式及SOLIDWORKS應用程式介面(API)來開發鑄件分區與計算、設置冷卻管、模穴數量選擇等子程式。其中核心技術為分區散熱演算法則進行一模多穴設計，透過模擬分析調整入水位置平衡模具溫度，來建立多點水路控制模溫技術。在SOLIDWORKS軟體載入鑄件後，依照設計者定義X-Y平面的切割數(例如4×4)便以冷卻設計熱散指引法則自動計算出分區體積與表面積來演算出鑄件凝固時的自然冷卻時間，並以冷卻管路熱傳導方程式搭配Excel程式語言撰寫”判斷冷卻管路直徑及長度”的巨集指令，設計鑄造製程的強制冷卻時間，程式演算出分區的剖面計算結果數值填到工作表並將冷卻水管的參數轉為txt檔，此時回至模組的冷卻管設置的API介面繪製出冷卻管的3D圖形，最後再以一模多穴數量來排列鑄件與冷卻水路系統的布置圖，如圖1的流程圖來編輯；運用Chvorinov's rule(t= B*M2)推導複雜形體的凝固時間，再透過剖面法建構分區原則，以模擬分析歸納水迴路分區散熱效率的優化法則。以分區散熱演算法則進行一模多穴設計，透過模擬分析調整入水位置平衡模具溫度，來建立多點水路控制模溫技術。最後整合SOLIDWORKS應用程式介面(API)與冷卻設計熱散指引介面(EXCEL)，完成永久模多迴路冷卻設計模組。
Chvorinov's rule的原始公式(t=B*M2)中的模數擴展為下列公式一，以鑄件與模具的接觸面積A_out和鑄件與鑄件的接觸面積A_in，並計算修正函數，原始公式中的模具常數B以完整鑄件的數據計算得到，再以個別分區的模數對修正係數函數f(M')進行排列得到如圖2所示，將各分區模數代入修正係數函數得到計算凝固的時間。
式(1)
運用SOLIDWORKS應用程式介面(API)來開發鑄件分區與計算、設置冷卻管、模穴數量選擇等子程式，完成該永久模多迴路冷卻設計模組，如圖3、圖4、圖5、圖6所示。
建立鑄造金屬模多迴路水冷卻設計指引：當設計者輸入鑄造製程的強制冷卻時間後，程式演算出分區的剖面計算結果數值填到工作表(質心X，Y，Z、自然冷卻時間、冷卻管道長、最大所需管徑、管徑)並將冷卻水管的尺寸參數轉為txt檔，如圖7所示。
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