立体光照成型的注塑模具工艺的综合模拟

1、立体光照成型的注塑模具工艺的综合模拟摘要 功能性零部件都需要设计验证测试，车间试验，客户评价，以及生产计划。在小 批量生产零件的时候，通过消除多重步骤，建立了有快速成型形成的注塑模具，这种方法 可以保证缩短时间和节约成本。这种潜在的一体化由快速成型形成注塑模具的方法已经被 多次证明是可行的。无论是模具设计还是注塑成型的过程中，缺少的是对如何修改这个模 具材料和快速成型制造过程的影响有最根本的认识。此外，数字模拟技术现在已经成为模 具设计工程师和工艺工程师开注塑模具的有用的工具。但目前所有的做常规注塑模具的模 拟包已经不再适合这种新型的注塑模具，这主要是因为模具材料的成本变化很大。在本文 中，以

2、完成特定的数字模拟注塑液塑造成快速成型模具的综合方法已经发明出来了，而且 还建立了相应的模拟系统。通过实验结果表明，目前这个方法非常适合处理快速成型模具 中的问题。关键词 注塑成型，数字模拟，快速成型1引言在注塑成型中，聚合物熔体在高温和高压下进入模具中。因此，模具的材料需要有足 够的热性能和机械性能来经受高温和高压的塑造循环。许多研究的焦点都是直接有快速成 型形成注塑模具的过程。在生产小批量零件的时候，通过消除多重步骤，直接由快速成型 形成的注塑模具可以保证缩短时间和节约成本。这种潜在的有快速成型形成注塑模具的方 法已经被证明成功了。快速成型模具在性能上是有别与传统的金属模具。主要差异是导热

3、 性能和弹性模量（刚性）。举例来说，在立体光照成型模具中的聚合物的导热率小于铝制 的工具的千分之一。在用快速成型技术来制造铸模时，整个模具设计和注塑成型工艺参数 都需要修改和优化，传统的方法是改变彻底的刀具材料.不过，目前还没有对如何修改这 个模具材料的方法有根本的了解.在当前的模具中，仅仅改变一些材料的性能是不能得到 一个合理的结果的。同样，使用传统方法的时候，实际生产的零件也会有出先次品。因此， 研究出一个快速成型过程，材料和注塑模具之间的互动关系是非常火急的。这样就可以确 定模具设计标准和快速模具的注塑的技术。此外，计算机模拟是一种预测模塑件的质量的有效的方法。目前，商用仿真软件包已 经

4、成为模具设计师和工艺工程师在注塑过程中例行性的工具。不幸的是，目前常规注塑成 型的模拟程序已经不再适用于这个快速成型模具，因为它极大的需要不同的刀具材料。例 如，利用现在的仿真软件在铝和立体光照模具之间做个实验比较一下，虽然铝模具模拟植 的部分失真是合理的，但是结果是不可以接受的，因为误差超过了百分之五十。在注塑成 型中，失真主要是由于塑料零件的收缩和翘曲，模具也是一样的。对于通常模具，失真的 主要因素是塑料件的收缩和翘曲，这个在目前的模拟中能测试准确。但是对于快速成型模 具，潜在的失真会更多，在当前的测试中，其中就会有些失真会被忽视。例如，用一个简 单的三步骤模拟分析模具变形的时候，就会出现

5、很多偏差。在本文中，基于以上分析，一个新的快速成型模具的仿真系统已经开发出来了。拟议 制度着重于预测部分失真，主要是用与预测快速成型模具的缺陷。先进的仿真系统可以用 于预测快速成型模具设计和工艺是否最合理。我们的仿真系统已经被我们的实验证明是没 有错误的。虽然有很多材料可以用于快速成型技术，但是我们还是专注于利用立体光照模具的技 术来制造聚合物模具.立体光照成型的过程是利用激光能量一层一层建立零件的部分。使 用立体光照则可以体现出双方在快速成型工业的商业优势，而且在以后也可以生产出准确 的，高品质的零部件。直到最近，立体光照主要是用于建立物理模型，为了检查视觉效果， 仅仅只利用了它的一点点功能

6、。不过，新一代的立体光照的光改善了立体化，机械性能， 热学性能，所以它可以更好的应用于实际的模具中。2综合仿真的成型过程2.1方法为了在注塑成型过程中模拟立体光照模具的功能，反复的试验中得到了一个方法。不 同的软件组已经开发出来了，而且也已经做到了这一点。主要的假设是，温度和负载边界 条件造成立体光照模具的扭曲，仿真步骤如下：1部分几何模型则作为一个实体模型，这将通过流量分析软件包被翻译到一个文件 中。2模拟光聚合物模具中熔融体填充的过程，然后输出温度和压力的资料。3在前一步获得了热负荷和边界条件，然后对光模具进行结构分析，其中失真的计算 是在该注塑过程中进行的。4如果模具的扭曲收敛了，那么直

7、接进行下一步.否则，扭曲的型腔（改动扭曲后的 型腔的尺寸）返回第二个步骤，以熔体形式模拟注入扭曲的模具中。5然后注射成型零件的收缩和翘曲模拟就开始应用了，算出该成型零件最终的扭曲部 分.上述的模拟流动中，基本上是三个仿真模块。2.2充型模拟的熔体2.2.1数字建模计算机仿真技术已经能成功的预测到在极其复杂的几何形状下的填充情况。然而，目 前大多数字模拟是基于一种混合有限元和有限差的中性平面上的。模拟软件包的应用过程 基于这一模型说明图1。然而，不同与CAD系统中模具设计中的表面/实体模型，这里 所谓的中性平面（如图所示，图1B）是一个假想的在中间型腔中有距离和方向的一个平 面，这个平面可能会在

8、应用的过程中带来很大的不便。举例来说，模具表面常用于目前的 快速成型系统中（通常是STL格式），所以当用模拟软件包的时候，第二次建模是不可 避免的。那是因为模型在快速成型系统和仿真系统中是不一样的。考虑到这些缺点，在模 拟系统中，型腔的表面将以基准面来引入，而不是中性平面。根据以往的调查，流量和温度场的方程式可以写为：X,Y是中性平面坐标系中的两个平面，Z是高度坐标，U，V，W是X，Y，Z方向 上的速度.U，V是整体的平均厚度，n , p ,CP （T）, K（T）分别表示聚合物的粘性，密度， 周期热，热导率。图1 A-D是中性平面的模拟程序.A是3维表面模型，B是中性平面模型，C是网状的平面

9、模型， D是最后的模拟结果此外，在高度方向上的边界条件的误差可以表示为：u =w = v = 0, T = Tw心=占（5）duBt dT=o = = 0. tu = 0 at ; = 0i6）i叱 di正如图2中的A中表示，TW是恒壁温度.结合方程14和方程5 6,表明了 u, v, T, P在Z坐标上面应该是对称的，因此在上半个高度中的平均u, v应该和整个高度中的 平均u, v是一样的。根据这个特点，我们可以把整个型腔在上下高度上分为两个部分， 正如图2B中的第一部分和第二部分。同时，型腔（如图2B）表面产生的三角有限元将 替代了中性平面（如图2A）。因此，在高度方向上的有限元误差仅仅限

10、于型腔表面，正 如图2B所示，高度上的误差将从0到B。这是中性平面上的单一性。此外，从图2A到 图2B，坐标也随之改变了。为了配合上述调整，方程仍是用方程14。然而，原来的 边界条件高度方向则改写为： TOC o 1-5 h z j = U=0. T = Th- at; = 0i )与此同时，为了保持在同一坐标（7）上的两部分能够流动，那么更多的边界条件必须满 足 Z = B。Li; =iin- L-,1 = L-.1.1： T; = T；;： p； = P；1= h西）Cm -1 = Cn: - III JO）下标I和II则分别代表第一部分和第二部分的参数.Cm-I和Cm-II则表示在填充阶

11、段中 分开的两个表面上的自由移动的熔融线。应该指出的是，方程9与10和方程7与8不同，9和10在数字模拟过程中将变的 更难，主要原因是以下几点：1同一个断层的表面都已经都已经有着特殊的网格，这将导致同一层上的独特的格 局.因此，在比较两个熔接口的时候，应该计算出各自的u, v, T, P。2因为两个部分都有各自的流道通向节点A和节点C （如图2B所示）.在同一段中， 有可能两个都充满，也有可能一个满，一个空.这两个情况应该分开处理，应该平均流动， 使后者也分配到流动。3这意味着在前线熔合处出现一点点小的误差是可以允许的.通过控制时间和选择更 好的位置来控制前线熔合节点。4每个流场的边界都扩张到

12、熔线前线，所以核查方程10是否准确是相当重要的。5鉴于上述分析，在同一个节点处的物理参数应该加以比较和调整。所以在进行模拟 之前，描述同一节点有限元的信息应该准备好，也就是说，匹配的原理应该先预备好。图2 A-B表明表面模型中的中性平面B的高度方向A上的边界条件2.2.2数字模拟压力场.在建模中，粘度 健由于熔提的剪切速率，温度和压力引起的性能.剪切变 稀后，这就代表一个跨越式的模式，例如：其中对应于幕律指数，T的特点是在在牛顿和幕律渐近极限之间的剪应力过渡区。无论 在温度还是压力指数上，n0(T, ?)都可以有合理的表示，详情如下：方程11和12构成了一个五个常数，可以代表粘度，而且通过粘度

13、的剪切速率的计算可 以得到：根据上述情况，通过方程14,我们可以推断出一下充气压力方程：V.iJVf . = 0(141其中S是由 J 计算出来的。运用伽辽金方法，对压力的有限元方程推导为：己戏 WW、=il?iN J-L其中l是所有要素的的导线，包括节点N，而且其中i和j代表此处的N节点的数目，：的计 算方法如下：其中广代表三角有限元，而匚代表有限元中的压力。温度场中，为了确定高度方向上的误差，应该在模具表面上分为一层一层的三角有限 元的网格。左边的能量方程4可以表示为：心若|勺.衬=心如(I7-.=I二上. . E其中代表每一层N节点上的温度。热传导的计算方法是：其中1是所有要素，包括节点

14、N，而且讶田分别代表此处的N节点个数。对流项的计算方法是：(亲十 L霍)|_MjQ V I侦山伟!七J | 口 * (岑)喝+(省椰, e+ij= J.2. . . NZ(19)当是粘性热时，计算方法是：俨耳J= 1.E.3.即(20)把方程1720带入方程4,温度方程变为：KT = F(21)2.3模具结构分析结构分析的目的是预测在填充过程中，模具由于热和机械压力而产生的变形。这个模 型是基于一个三维热边界元法。边界元法是比较适合这个应用的，因为只有变形的模具表 面才有这样的信息。此外，边界元法有一个优点，那就是在计算变形的模具的时候，它的 计算是不会白费的。模具在所受载荷超过弹性范围的时候

15、会产生应力。因此，在决定模具变形的时候，模 具材料是一个基准。模具的热性能和力学性能是各向同性的，而且温度也是独立的。尽管这个过程是循环的，但是相同时间的温度和热流都是可以用于计算模具变形 的.通常情况下，在模具里面每个瞬间温度都局限于型腔的表面和喷嘴的顶端。在观察距 离的时候，瞬间的衰减变化是很微笑的，小于2.5毫米.这说明在模具的喷嘴处的变形 是很小的，因此，忽略这个影响也是合理的.稳态温度场满足拉普拉斯方程2T = 0的边 界条件。至于机械边界条件，型腔表面受到熔体的压力，模具的表面会连接到工作台上的， 而其他的外部表面将会假设是自由的.热边界的推导方程10是大家都知道的，这是由于：%

16、IA1 些 E 十 I 染 I：A V出* .Y)ydny：i =I E l EH泗日川+ $授J器砌一门著心1 VJ J L 网其中uk, pk和T分别是位移，牵引力和温度。a,是代表材料的膨胀系数和泊松比Ulk 是在XY方向上基本的位移。在一个三维空间中，各向同性弹性区域中，由一个单元产生的负荷主要集中在xl方向上，它是以下面的形式产生的：曲，6况ff伽+S网其中0 lk是Kronecker三角函数，p是该模具材料的剪切模量。Plk的基本收缩都是在 模具表面的每个N节点处测量的，可以表示为：整个N将分散在模具的表面上，转变为方程22：其中是指在这个区域上的表面成分。把恰当的线性函数代入方程

17、2 5,得到的线性边界方程就是模具的方程.这个方程适 用于每个离散的模具表面，从而组合成线性方程组，其中N是节点的总数。每个节点有八 个相关数量，三个位移组成部分，三个牵引组成部分，还有温度和热流量。在稳态热模型 中，每个节点处的温度和磁场是已知的，余下的6个量中，三个必须是已知的。此外，在 若干个节点处的位移值的方程必须消除刚体运动和刚体自转的奇异系统。由此产生的系统 方程式是一个集合起来的综合矩阵，它可以为有限元方法求解。基于方程12的注塑假设，下面将给出元件的应力和应变：。.邛=Ciyx = Ol- = g =位=。S工0 i) = ffyUi o = Qi(Xj) = ayX, t)

18、= J) 时X. t =t) = x(X, J) = ()该偏元件的应力和应变分别是:用类似的方法可以预测在回火玻璃中的残余应力了。以积分的形式在平面上分析粘性 和弹性结构关系时，可以表示为以下公式： TOC o 1-5 h z E3U I G|液if 亦顶)扳(28)8其中G1是材料的的剪切模量。扩张的应变的情况如下：=3G2-129)其中K是材料体积的弹性模量，a和。的定义是：。氐门=f Cr(t)dT o=0f( 7b)(30)ao JIn如果a(t) = a0,那么方程2 7到方程2 9的结果则为：商十小二一拓口血,毕-7U,。(31)同样的，利用方程3 1到方程2 8消除应变sxx(

19、z, t)，得到：=“。底一斧法以/)一如凶二早一11二口川农30利用拉普拉斯变化方程3 2,辅助系数R(E)由下面的方程得出：寿 / G|逆一我.十唯1=纺|成心30利用上述方程3 3,并简化在模具中的应力和应变的形式，那么注塑中残余的应力在 冷却阶段中，由下面的方程获得：曰=3 I 用 EE)gL 二 bl弧兀二|4)K方程3 4可以通过梯形正交被解决。由于材料的时间在快速的变化，所以需要一个准数控 程序来检测。辅助模量是检测数控梯形的规则。关于翘曲分析，节点位移和曲率将以壳单元表达为：伉上仿川叶二/血口区由叶)其中k单元刚度矩阵，Be是衍生算子矩阵，d是位移，re是 负载单元，可以由下

20、面的方程得出：|网二I &。向血一 I血险盹澎耳VV使用完整的三维有限元分析法的好处就是可以准确知道翘曲的结果。但是，当零件的形状 很复杂的时候，它也是相当麻烦的。在本文中，在壳体理论基础上介绍了一种二维有限元 分析方法。这种方法被大量使用是因为大多数注塑模具的零件都有一些部分几何的厚度远 远小于其他部分。因此，那些部分则可以被作为一个集会的单元来预测翘曲。每三个节点 壳单元组合成一个恒应变三角单元和一个离散克希霍夫三角元，如图3所示，因此翘曲可 以分为平面伸展变形CST和板弯曲变形DKT。并相应的以单元刚度矩阵来描述翘曲的 拉伸刚度矩阵和弯曲刚度矩阵。Plate Stretching (IS

21、 T hkjncnt)Plate Bending iDKTEkmcntj图3 a-c是壳单元在局部坐标系统里的变形分解.a是平面伸展元素，b是平面弯曲元素，c是壳单元三实验验证对提出的模型进行了评定和发展，最后核查是非常重要的。从模型模拟中得到的扭曲 数据将和文献8中的立体光照模具数据比较。如图4所示，有一个注塑尺寸36 x 36 x 6毫 米和实验数据中是相同的。薄壁和加强筋的厚度都是1.5毫米，这个注塑材料是聚丙烯。注 塑机的型号是ARGURY Hydronica320-210-750，它的工艺参数是，熔解温度是2 5 0度， 模具温度是3 0度，注塑压力是13.7 9帕，保压时间是3秒，

22、冷却时间是4 8秒。立体 光照模具材料使用杜邦SOMOSTM6 11 0树脂，能抵御高达3 0 0度的高温。如上所述，热传导是区分立体光照模具和传统模具的一个重要因素。模具中的热量转移会产生温度的 不均匀分布，所以导致了成型零件的翘曲.立体光照成型模具的周期是可以预测的。以高 的热传导率金属为背面做的薄壳立体光照模具将会增加自身的热传导率。图4模型腔ENpcri皿5也】一图5不同的热传导率下，在X方向上的扭曲失真比较.实验值，三步走和常规都是指最后的实验结果.常规是指实验中最好的结果.三步走步骤的模拟过程分别与传统的注塑成型相似图6在不同的热传导率下，在Y方向上的扭曲失真比较FxpcrimcTilslPrcs-cntciiThrEE