Moldflow在气辅注射成型中的应用

1、Moldflow在气辅注射成型中的应用    【关键词】气辅成型 Moldflow 气体穿透 熔体温度 【Abstract】Key steps was introduced in the application of Moldflow in gas-assisted injection molding and the relation of melt temperature with the gas penetration was analyzed. 【Key words】 gas-assisted injection molding;Moldflow;

2、gas penetra- tion;melt temperature 引言 气体辅助注射成型(Gas-Assisted Injection molding,简称GAIM)是在传统注射成型基础上发展起来的一种新型注射成型方法。该工艺具有注射压力低、塑件翘曲变形小、表面质量好、节省用料量、缩短成型周期以及可成型壁厚差异较大的塑件等优点。从90年代开始,GAIM技术逐渐在汽车、家电、家具等行业得到了广泛的应用,。 GAIM工艺包括塑料熔体注射和气体注入两部分。与传统的注射成型工艺相比,GAIM工艺有更多的工艺参数需要确定和控制,如气体延迟时间、气体注射压力、气体保压压力、熔体的预注射量、熔体温度等,

3、因而在GAIM工艺中对于塑件设计、模具设计和成型过程的控制都有特殊的要求,而且难度较大。将计算机模拟技术用于气体辅助注射成型过程中的流动分析,预测熔体以及气体在熔体内的流动及穿透情况,进而辅助进行新产品结构和模具设计,优化成型工艺参数是十分必要的。目前,国内外市场上已有数十种商品化的聚合物流动分析软件,应用于挤塑、注射、吹塑、热成型、反应挤出和混炼等多种加工工艺中,但只有少数软件可以模拟气体辅助注射成型工艺过程,其中Moldflow软件就是一款优秀的能进行气辅成型分析的CAE软件1。 1.Moldflow软件模拟分析步骤 23 经过20多年激烈的市场竞争和选择,在塑料注射成形模拟软件市场上,M

4、oldflow软件已经成为该领域首屈一指的CAE软件。该软件有针对气辅成型工艺开发的气辅成型模块,根据选定的塑料品种、气体入口及数量和设定的成型工艺条件,对成型过程进行分析并可视化地显示塑料熔体的流动行为和气体穿透塑料熔体的整个过程。以下介绍用Moldflow软件做气辅注射成型模拟分析时的关键步骤。 1.1几何建模 先在Pro/e进行三维建模,模型截面如图1所示,长度为180mm,并将其保存为stl格式文件。在Moldflow里面新建一个项目(project),然后在project里面导入前面保存的stl格式文件,并选择中性面网格类型。这里选择中性面网格划分模型,是因为模型为一个薄壁制件,对于

5、薄壁制件,Moldflow抽取中性面,进行有限元分析,而在厚度方向上采用有限差分法来计算。 1.2划分网格及设置气道 在选择了网格类型后,就可以划分网格了。选择菜单Mesh>Generate Mesh,网格划分完成后要检查网格缺陷,因为网格缺陷会对计算结果的正确性和准确性产生影响,质量严重低下的网格甚至会使计算根本无法进行下去。比如网格单元不能有过大的纵横比,所谓纵横比(aspect ratio)就是指模型的三角形单元的最长边与该边所对应的三角形高度之比值,如图2所示,三角形单元的最长边为a,对应边上的三角形高度为b,则该三角形的纵横比为a/b,此数值越大,则说明该单元越尖锐,越细长,按

6、照数值分析的理论要求来说,这对分析结果是不利的。对于midplane网格,一般要求最大纵横比不超过6,过大的纵横比必须给与修复。 制品的中间有一个6mm×6mm的加强筋,这里的加强筋就作为气体穿透的走道,即气道。气体注入塑料熔体时,会沿着阻力最小的地方前进,加强筋相比制品基体较厚,其芯部温度高,粘度小,故阻力小,因而气体会沿着加强筋推进,形成气道。对于宽厚比w/t小于4的气道,在模拟时应该创建成梁单元(beam),并设置等效直径和形状因子。 图1所示制品气道部分的截面宽厚比w/t=6/9=1.51.3设置成型工艺和选择材料 (1)选择成型工艺。选择菜单Analysis>Set

7、Molding Process>Gas-assisted Injection Moldings,再选择菜单Analysis>Set Analysis Sequence>Flow。这样,就确定了气辅成型工艺以及要分析的序列。 (2)选择材料。选择菜单Analysis->Select Material,打开选取材料对话框。在对话框里面进一步进行设置,比如选择生产厂家和材料的牌号,不同的材料有不同物理和化学特性。这些特性会对产品的成型结果产生影响,在有限元分析时候要用到材料的特性数据,因此必须有确定的材料才能进行分析。 1.4设置熔体注射口和气体注入口 (1)熔体入口。选择菜

8、单Analysis->Set Injection Locations,出现十字型光标。在制品模型网格单元的节点上单击击十字型光标,出现一黄色锥形,即表示熔体注入口。        (2)气体入口。选择菜单Analysis->Set Gas Entrances,进气位置属性对话框出现。在对话框里面设置气体注入方式,一般多用压力控制法,然后输入压力随时间变化的参数。完成后,模型上出现一个“G”字符。这里选择熔体入口作为气体注入口,结果如图3所示。 1.5设置工艺参数 选择Analysis->Proce

9、ss Setting Wizard,打开工艺参数设置对话框,设置模具温度(Mold Surface Temperature)、熔体温度(Melt Temperature) 以及充填方式。在(Velocity/Pressure Switch-Over)列表框中,选择By % Volume Filled项并输人气体注射之前塑料预注射量。值得注意的是,气辅成型的保压是由气体来完成的,所以在设置保压控制(pack/holding control)方式,应该把控制曲线列表框里面设置成无数据状态。 2 数值模拟结果和结论 4 5 2.1模拟分析的条件及结果 如前所述,创建好三维模型,导入moldflow,

10、再给定工艺条件就可以模拟出气辅成型的充填过程了。模拟分析具体工艺条件见表1。 气辅成型的质量取决于气体穿透情况,在气体不吹破熔体前锋前提下,气体穿透长度越大越好。当然,也要考虑“气指”缺陷。所谓“气指”就是指气体前进时,渗透到薄壁的地方所形成的一种缺陷,也就是气体一部分穿透到塑料制品的薄壁部分了,这显然会降低制品的强度。 为了研究塑料熔体温度对气体穿透结果的影响,不改变表1中其他条件,只改变温度,见表2,按照前述方法,对同一制品模型进行数值模拟,并把结果得到的数据做出曲线,见图4、图5和图6。图4是气体穿透长度随温度变化的关系图,图中有两条曲线,下面一条曲线表示气体一次穿透长度和温度的关系。所

11、谓一次穿透长度,就是气体推动熔体充满整个型腔时气体的穿透长度。由于在保压阶段,塑料熔体冷却收缩,气体会进一步穿透,这时的穿透称为二次穿透。由图可以知道,气体的穿透长度是随着塑料熔体温度升高而增加的,但这种趋势会逐渐变缓,甚至一次穿透在温度超过230时,反而有下降的趋势。这是因为熔体温度升高,粘度下降,气体更容易推动熔体前进,气体穿透长度自然会增加,但另外一方面,气体也容易发生薄壁穿透现象,即出现“气指”现象。所以,当温度升高,气体越来越多的进入薄壁区域,反而抵消了气体向前穿透,故穿透长度增加到一定值后反而有减小的趋势。图5是气指最大长度和熔体温度的关系,可以看出,熔体温度越高,气指现象越严重。

12、图6反映成型时间随温度增加而减小,可见提高熔体温度有利于缩短成型周期,提高生产率。图7表示不同温度时的气体穿透情况,可以看到,随着熔体温度的升高,穿透长度增加不明显,但是气指程度却愈加明显。图8是在不同的熔体温度下气体的一次穿透情况,可以看出一次穿透时气指现象不明显。 2.2结论 以上针对同一个制品模型,在其他工艺参数不变,仅仅改变温度的条件下,研究了气体穿透情况,可以得出如下结论: (1)熔体温度增加,气体的穿透长度先是增加,而后有减小的趋势,不论是一次穿透还是二次穿透。 (2)熔体温度增加,气指现象会逐渐加重,尤其是二次穿透时候,高的熔体温度会导致比较严重的气指现象,因而成型时太高的温度不

13、可取。为了减少保压时气体的气指现象,可以降低保压时的气体压力,采用多段保压压力曲线,以提高成型质量。 (3)熔体温度增加,填满型腔的时间减小,缩短了成型周期,提高了生产率。 通过数值模拟,可以发现熔体温度是一个影响成型结果的重要参数,从气体穿透的长度和气指缺陷两方面综合考虑,较低的温度有利于成型结果。但是,太低温度,会使熔体粘度增大,流动阻力增加,从而有可能使气体不能推动熔体充满整个模具型腔,造成短射,使得成型失败。另外,较低的熔体温度,也不利于生产效率的提高。具体取多少温度最佳,根据其他工艺条件,可以通过CAE软件模拟的结果来确定。 3 结束语 3 由于GAIM 存在大量不确定性和难控制因素

14、,因此GAIM 是一个不断实验和不断调整的过程。随着Moldflow软件技术的不断发展和成熟,CAE软件在气辅成型中得到了越来越多的应用。正确使用软件和合理利用分析结果,可以对产品模具设计及工艺参数的优化起到有益的指导作用。比如,借助于Moldflow软件的模拟结果,可以预测气体注人后可能发生的塑料熔体穿破和气体渗透到薄壁的现象。设计人员可以利用这些分析结果对塑料材料、产品形状及尺寸、模具设计和成型工艺条件进行调整和优化,以获得质量优、成本低的气辅制品。因此Moldflow软件的使用可以优化产品结构、减少试模次数,缩短产品周期,从而提高生产率,降低生产成本。 参考文献: 1 陈立恒,梁继才等.气体辅助注射成型工艺参数对成型结果 的影响J.模具工业, 2006 , 32 (9) : 45-49 2 贺华波等.基于Moldflow的薄壁盒注塑件结构的优化设计 J.轻工机械,2006,24(3):2426. 3 李红林,贾志欣.气辅成型的CAE模拟