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弹性变形模具在注射成型工艺的灌装和包装阶段

斯特凡Kleindl1，*，罗兰埃德尔2，赫维希Schretter2和Christoph Hochenauer1

热能工程研究所1，格拉茨科技大学，8010奥地利格拉茨

2 HTM体育有限公司2320施韦夏特，奥地利

关键词：注塑，塑胶模具，填充图案，数值分析，有限元

摘要：长和薄壁部分的模具填充过程的精确数值预测依赖于许多因素。本文通过仿真和实验验证手段研究各种变量的充盈影响效果。人们发现，模具温度，工艺设定和排气条件对预测填充模式影响不大。然而，在实际情况下，研究发现相比于数值预测在实验过程中观察到的填充的行为是显著不同。移动半模的结构的有限元分析显示注射压力下的模具板的大的变形是不可接受的。提高模具的硬度后，获得模拟和实验之间的非常良好的相关性。因此可以得出结论，该模具的弹性可以在被认为长和薄壁产品时具有充填图案的影响显著。另外，它表明，即使一个显然僵硬模具在可填充和包装阶段期间表现出明显的变形。

1. 介绍

注塑是用于大规模生产和准备使用塑料部件具有复杂的几何形状的最重要的制造工艺中的一个。近年来过程模拟方法获得了越来越多的重要性和被当今广泛用于模拟塑料部件的填充行为，由于残余应力来预测部分和模具的温度分布，并获得在模制零件的最终偏转。然而，由于数学模型的假设和简化是真正的物理系统的一个良好近似模拟结果仅只要有效。这些假设是刚性模具。在本文介绍的案例研究将表明，这种简化并非总是如此，即使是看似生硬的模具可能会导致错误的仿真结果。

Leo et al. [1]发现，在模具的弹性对模腔中的压力历史的影响很大并考虑到填料相的正确的模拟时，模具的弹性是不可忽略的。他表现出的弹性模的重要性，通过模拟结果考虑腔弹性模板和压力测量，并取得合理的协议。他进一步认为，在模具的弹性的影响也将影响收缩，残余应力，翘曲和零件的最终尺寸。

潘塔尼等。[2]通过数值模拟和实验测量来研究的上腔中的压力历史的热边界条件的影响。他们发现，该热边界条件仅具有微小的影响，但该模具弹性的疏忽可能导致错误的压力的结果，并且甚至一个简单模拟方法考虑模具弹性能大幅度提高在腔压力的预测。

Ahn等人。[3]调查了在塑料电池盒的薄和深壁芯移位注塑参数的影响。他通过对部分无翘曲成型DOE的手段（实验设计）衍生的过程中设置的一组最佳结果。

Giacomin等。[4]推导细长磁芯的偏转的预测以及在弹性芯层和刚性腔壁之间的间隙的压力发展的解析解。

Bakharev等。[5]发展到在注射成型模拟流动和变形的弹性芯的方法。该方法是双向耦合，这意味着一个芯偏转将改变成型的壁厚，因此填充图案，压力分布和历史，影响最后的部分尺寸。

模具由于模具板的弹性恢复力的变形，在流动区域中的变化，不仅影响腔中的压力历史，也可能导致一个显著不同的流动图案。本文的案例研究显示大多薄壁板里的“经典”模拟方法未能正确预测流动模式。几个数值试验已进行了调查的网格密度，材料数据，处理设置和温度分布上的流动模式的影响。可以发现，没有这个因素改变流动图案，以这样的方式模拟结果和实验结果之间的偏差可以被解释。最后，模具板的偏转被确定为用于仿真和实验结果之间的意外不良相关的主导原因。应当指出的是其中模具板偏转使填充图案几乎没有或没有影响，获得的非常好的结果。因此，移动半模的简化结构的在限元分析计算下注射和保压模盘的偏转。该分析表明不容许的模具板的最大偏转约0.15mm。该问题已经通过加入移动模具板下支柱解决。与改进的模具实验测试表明，得到模拟结果好得多的相关性。

1. 问题描述

本文研究的塑料部分是用于集成滑雪装订系统的导轨板上。。图1（a）示出了部分的两个不同视图。它的尺寸是大约550times;90times;16立方毫米，壁厚在约1-4毫米的范围内变化，而肋具有1.5毫米的平均壁厚。其材料为含玻璃纤维质量为45%的PA6。模具是一个热流道模具具有两个空腔和一个短冷流道在每个空腔的中间部分具有两个潜入式浇口。图1（b）示出的栅极附近的浇道布局的特写。浇口直径是约1.5毫米。

在模具的第一试验中观察到的不均匀流动图案。人们发现，在空腔的右半被灌更快和表现出很强的闪烁倾向。沿着在模制部件的右端的分割线进行观察，其毛刺厚度可达0.2毫米。图1（c）表示一个空腔和两个模制零件，其中前腔中完全填充（所谓的“缺料”）且在注射过程被中止。此方法用于实验可视熔体前沿前进。而部分已经填充在右手边，约40毫米的部分仍然缺少的左手侧。高压这是必要的，使发生在板的右手侧的完全填充空腔毛刺的形成。工艺参数的微调没有导致其质量改善，甚至未能解决在腔的左侧的导入流主导的部分问题。因此有必要进行调查并提高部件充模过程的填充行为的数值分析。

(a)

(b)

(c)

图。图1（a）导轨板用45％的玻璃纤维制成的PA6集成滑雪结合的系统。（b）在板的中间冷浇道的特写。 （c）被调查的部分缺料。右侧：完全充满沿着分型线毛刺。左侧：未填

1. 数据分析

3.1模具填充过程

对充模过程的仿真，使用了商业注塑仿真软件的Autodesk Moldflow Insight 2013。该软件使得随后对流量计算以及用于平衡状态的喷出后的结构冷却到室温并使用有限元法（FEM）计算。Moldflow公司提供中间背板，双域和三维分析。在这两方面，中板和双域模型利用海伦-肖流，简化了控制方程。尽管这些分析类型将产生的分析时间较短，这些仅限于塑料部件的薄壳结构的车型的成功应用说明海伦-肖流的假设是合理的。许多研究论文中提出的案例研究是简单的塑料件，如平面板和框，在基础功能研究或大型薄壁部件使用一样普遍，如在汽车外壳。在这种情况下，中板或双域模型的使用是绝对有利的。 [3] [6-11]

然而，由于具有不同壁厚和矮胖部分的三维流动，必须考虑和海伦-肖流的假设实际部件的复杂的几何形状是无效的。采用了Moldflow提供的真3D分析解决一阶四面体单元的Navier- Stokes方程模型无网格简化。因此，在实际情况下，被进行了三维分析。

注塑和公共的建模方法，包括平面的场数值模拟的理论的详细信息，双域和3D分析是由肯尼迪[12]周[13]，张等人给出。 [14]和卡迈勒等人[15]给出的。

3.2模型设置

3.2.1网

部分四面体单元啮合大约5.6times;10⁶且至少6个元件层通过壁厚放置。不需要必要填充压力的精确预测和由于冷浇道和热流道喷嘴的对称性预计不会引起剪切热效应和熔融温度局部偏差。因此，运动的部件不能建模。通过部分厚度元件的需要来捕捉足够量的速度和温度梯度以达到可接受的准确度。

3.2.2材料数据

所有实验和所有模拟的进行利用了杜邦的Zytel73G45。在该分析中所使用的材料的数据已由生产厂家提供[16]。模具填充仿真的最重要的材料特性的流变性能和描述材料的密度随温度和压力的函数的PVT数据。Hieber＆蒋[17]表现出对不同聚合物的交粘度模型比在描述粘度的剪切速率依赖的Carreau纯模型更加准确。因此，剪切速率，温度和粘度的压力相关性eta;是由下式跨WLF模型建模给出的：

(1)

为剪切速率（s^-1）:T为温度（k）.

剪切粘度由下式给出：

（2）

和（3）

（4）

配备数据系数[18]。

由于聚合物熔体的粘度随压力的增加而增加。当需要精确的压力的预测和/或期望高注射压力，粘度的压力相关性不能被忽略。然而，压力特性对于粘度数据相关的材料是昂贵，所以很少使用。因此在实际情况下，系数D₃通常被设置为零。

不幸的是，粘度的模型不能够显示当在凝固时聚合物的粘度迅速增加。这些为半结晶材料尤其如此。内模流，聚合物凝固因此通过定义一个所谓的不流动或过渡温度T_t建模。如果聚合物的温度低于该温度时的速度被设定为零。[12]

由于考虑到半结晶聚合物尤其是当相位变化的复杂性，这种简单的方法仍然是本领域的商业软件的状态。 [21-23]

Lucyshyn等[24]研究了转变温度的冷却速度的影响。他发现，更高的冷却速率将导致在转变温度为半结晶材料的减少而观察到无定形的材料无显著变化。在注射成型过程的填充阶段的转变温度的影响已由Mennella等研究[25]。人们发现，相变温度对冷冻层厚度起主导作用，因此决定包装阶段的模拟的临界值。

聚合物的温度和压力的函数的比容积是由改性-2-域泰特方程建模：

（5）

V₀为零表压比容；T为温度；p为压力；C为常数；B为该材料的压力灵敏度常数

可以描述两个温度区域如下：

当： （6）

（7）

（8）

是数据拟合系数。

当： （9）

（10）

（11）

是数据拟合系数。

虽然T_t与压力的关系可以通过以下描述：

（12）

b₅，b₆是数据拟合系数。

Wang等人[26]引入到测量的PVT数据为一个新的方法在注塑成型仿真使用。代替使用活塞模膨胀计的常规方法中，测试模被用来在正常的加工条件和冷却速度，以获得在线的PVT数据。与联机的PVT数据获得收缩和翘曲的预测表明：使用常规的PVT数据和实验测试的预测在提高其准确度。

虽然不是由素材数据的源指定，在当前的研究中使用的材料的PVT特性最有可能是由传统的活塞模膨胀计得到的。

3.2.3流程设置

填充仿真在295℃的熔融温度下进行，设置模具壁的温度80℃和一个2秒的目标喷射时间。用于模拟的喷射流量示于图2，并定义类似于用于实验的模制机的设置。因为喷射时间相当短，假定在模具中的“真”的温度分布几乎不影响喷射，因而在填充图案中的冷冻层的生长。因此，冷却分析不执行并使模具表面温度保持恒定。这个假设是基于和众多模拟结果与实验验证。在等温冷腔壁条件填充方式的彻底的实验研究被怀特等人发现的。[27]定义50兆帕的填充压力和速度/压力切换点设置为填充腔体积的95％。两个潜入式浇口的直径被定义为1.5mm左右。

图2用于实验仿真和相对流量信息

德劳内[28]等人及Yu等人[29]的工作显示，该聚合物和模具之间的接触热阻是不可忽略的而且是时间的函数。一个完美的接触边界条件，甚至在灌装和包装阶段是不可行的。一个热接触电阻的存在，其等于所述传热系数（HTC）的倒数，将影响在冰冻层的生长，因此具有填充图案和压力的演变。然而，根据厄克特流等[30]的解决方案是仅敏感和/或非常薄的壁

的HTC的值非常的低特别是在包装和成型周期的冷却阶段。Dawson等[31]量化在钢 - 聚合物界面有良好的接触，包括空气间隙形成的接触热阻。 ，这是假定在灌浆期的情况下，他顺序测量HTC值在10 ³-10⁴ W/msup2;K 的。通过Nylund等[32]的计算表明，HTC值以上2-3千瓦/msup2;K对在注射成型过程中的冷却时间的影响很小。因此，5000瓦/msup2;K的传热系数被假定在模具模腔界面，以解决在填充阶段聚合物和模具之间的非完美的接触。

3.2.4银设置

由于聚合物熔体和在腔中的相对低的速度和高粘度，对纳维 - 斯托克斯方程的惯性而言变得非常小，并且可以通过忽略它们使计算工作量被降低。然而，为了得到最高的精度的惯性术语保持此模拟。由于不要求的纤维取向的预测根据输运方程不确定，在塑料注塑成型卷力要比摩擦力小几个数量级。因此在重力的影响也被忽略。高级求解器参数的所有的设置，即最大时间步骤，迭代限制和收敛容限因子被留为默认值。水平设置流动前沿跟踪算法被用于在填充阶段来预测聚合物-空气界面的进步[33,34]。

3.2.5结果

实验短射通过设置保压压力为零，获得移动速度/压力切换点。图3显示了实验短射和仿真结果的比较，实验短射是在速度/压力切换点而对模拟结果被选择1.65s的填充时间，其中的流动前锋在板的左侧是可比实验作出的。显然，模拟未能正确预测的填充图案。而模拟预测在两个方向上的几乎平衡的流动前沿前进，真正模具的右半填充比左边快得多。填充的体积分别是约90％在短射的情况下和72.5％在所示的模拟结果的情况下。

一些实验和大量的模拟已经完成弄清楚仿真和测量值之间的偏差较大的原因。在下面的章节这些实验的主要结论简要总结。

4.增强分析 - 案例分析 剩余内容已隐藏，支付完成后下载完整资料

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