CAE辅助注塑问题诊断技术广州

CAE辅助注塑问题诊断技术

TechnologiesofCAEAppliedtoPlasticInjectionMoldingTroubleshooting徐昌煜CharlesHsu2009年5月16日于广州市试模及量产时，经常遭遇的问题包括银线、波纹、喷流痕、虎皮纹、流痕、气痕、焦痕、缩痕、熔接痕、黄化、褐线、黑斑、脆裂、变形、周期时间长等，使得材料、能源、机器、设备、时间及人力浪费、合格率偏低、甚至无法交货。

若无正本清源之道，只有走上败亡之途。试模和量产中80%的问题源自设计不当，制品、模具与工艺设计是救亡图存、反败为胜的关键。

天下本无事，但庸人扰之耳。 茍清其源，何忧不治。-蒲州刺史陆象先政尚宽简，吏民有罪，多晓谕遣之。--唐玄宗开元九年(公元721)，资治通鉴卷第二百一十二。-所有模擬CAE的控制方程式(governingequations)和物性公式都有其假設，都經過了某些簡化。如果不明究理，自以為是的就軟件輸出作出結論，勢必會引起不必要的困擾和損害。後面從最常用的模具分析CAE的控制方程式和物性公式進行探討，讓大家知道這些CAE對許多人以為會考慮的事情是不予理會的，奢望其能顯示出某種結果是緣木求魚的。知道了CAE的假設和省略，才能用其長而避其短，才能避免事倍功半甚至誤入歧途。控制方程式GoverningEquations力守恒ConservationofForcewhere x,y :planarcoordinates z :gap-wisecoordinate (u,v) :velocitycomponentsinthe(x,y)directions :shearrate T :temperature p :pressure :shearviscosity能量守恒

ConservationofEnergywhere x,y :planarcoordinates z :gap-wisecoordinate (u,v) :velocitycomponentsinthe(x,y)directions :shearrate T :temperature p :pressure t :time :density Cp(T) :specificheat k(T) :thermalconductivity :viscosity控制方程式GoverningEquations质量守恒

ConservationofMasswhere x,y :planarcoordinates z :gap-wisecoordinate (u,v,w) :velocitycomponentsinthe(x,y,z)directions T :temperature p :pressure t :time :density控制方程式GoverningEquationswhere T :temperature p :pressure :density C :universalconstant,C=0.0894 :transitiontemperature, :

:

:2-DomainModifiedTaitPolymerDensitySpecificHeatFunctionCrystallinepolymerwhere : T :temperature :modelconstantsAmorphouspolymerwhere : T :temperature :modelconstantsTanhFunctionPolymerThermalConductivity :referencetemperature,

:shearrate T :temperature p :pressure :modelconstantsCross-WLFPolymerViscositywhere1) Themelt-solidinterfaceisconsideredtobe sharpandthemeltingtemperatureisassumed tobeconstant.2) Theviscosity,whichdependsuponshearrate, temperature,andpressure,isdescribedby modifiedcrossmodel.Inaddition,Bagleyand Weisenberg-Rabinowitschcorrectionshave beenmade.Filling&Post-fillingAssumptions3) Themomentumequationisdescribedbygeneralized Hele-Shawflow,includingquasi-steadyapproximation, duetothethinpartandsmallReynoldnumber.4) Heatconductioninthestreamwisedirectionforthe solidandliquidphasesisneglected.Thecurvatureof thesolidlayerissufficientlylargeandthedominant directionofthetemperaturegradientisinthegapwise direction.5) Theno-slipboundaryconditionisappliedtothesolid- liquidinterface.Filling&Post-fillingAssumptions6) Theflowofthefountainregioninthevicinityof theadvancingmeltfrontisneglected.However, thetemperatureprofilealongthemeltfrontis takentobeuniformandequaltothecalculated centerlinetemperatureatthenearestupstream melt.Thistreatmentmimicsthe"fountain" regionwhichallowshotmelttoflowfromthe centerofthecavity.Filling&Post-fillingAssumptions变形问题诊断冷却不均DifferentialCooling收缩不均DifferentialShrinkage取向效应OrientationEffects找出残余应力的主要原因FindtheMajorCauseofResidualStressC.Hsu:型腔表面方向不同区域的收缩不均。C.Hsu:流向和垂直流向的收缩不均。C.Hsu:型腔厚度方向不同分层的收缩与中心面不对称。如果主要原因是

IftheMajorCauseis检查浇注系统为首Checkthefillingsystem,firstly：熔胶流动是否平衡?Isthemeltflowbalanced?

流长/壁厚比是否太大?Istheflowlength/thicknessratiotoolarge?型腔厚度差异是否太大?Isthecavitythicknessvariationtoobig?检查冷却系统为次Checkthecoolingsystem,secondly：同侧(动模侧或定模侧)的冷却是否均衡?Isthecoolingonthesameside(coresideorcavityside)even?收缩不均DifferentialShrinkageC.Hsu:型腔表面方向不同区域的收缩不均。如果主要原因是

IftheMajorCauseis检查冷却系统Checkthecoolingsystem：型腔厚度方向(或动定模之间)的冷却是否均衡?

Isthecooling,alongthecavitythicknessdirection(orbetweenthecoreandcavitysides),even?冷却不均DifferentialCoolingC.Hsu:型腔厚度方向不同分层的收缩与中心面不对称。如果主要原因是

IftheMajorCauseis检查浇注系统Checkthefillingsystem：

熔胶是否是单一方向流?Isthemeltflowuni-directional?熔胶前沿在型腔中是否以常速推进？

Doesthemeltfrontadvance,inthecavity,ataconstantspeed?取向效应OrientationEffectsC.Hsu:流向和垂直流向的收缩不均。以PA6-GF30为例,α

2/α1=8.57/4.05=2.12Whereαisthermalexpansioncoefficient减少洗衣机面板的变形

制品：洗衣机面板

材料：ABS模具：采用1个浇口简述：日本制品设计。泰国模具设计。制品变形后，装配困难。

问题：变形压力(原始设计)Pressure(OriginalDesign)Maxentrancepressure:50.6MPaClampforce:165.6m-ton变形(原始设计)

Shrinkage&Warpage(Original)Pressure(Revised)变形(改善设计)

Shrinkage&Warpage(Revised)Maxentrancepressure:43.8MPaClampforce:111.6m-ton总结Summary

找出变形的主要原因:冷却不均或收缩不均收缩不均Findoutthemajorcauseofwarpage:unbalancedcoolingornon-uniformshrinkage

non-uniformshrinkage

增加浇口、缩短流长，以减少不均匀收缩

变形减少(5.1mm→1.4mm)Addmoregatesandreduceflowlengthinordertoreduceshrinkagedifference

reducewarpage(5.1mm→1.4mm)减少洗衣机面板的变形

制品设计:模具设计:从1个浇口改成2个浇口，并置于客户允许加浇口区域中相对流动平衡的位置。工艺设计:

流动平衡

FlowBalance就单型腔而言，流动平衡意味着熔胶前沿于同一时间抵达型腔各末端；就多型腔而言，流动平衡意味着熔胶前沿于同一时间抵达各型腔末端。

同一型腔的浇口数目相同时，流动平衡的浇口设计所须的射压与锁模力最低。流动平衡的设计，熔胶的压力、温度以及体积收缩率分布均匀，质量均一。流动平衡是注塑制品和模具设计最重要的原则之一。制品：曲线锯外壳

材料：PA6-GF30模具：采用2个浇口简述：上下机壳组装后，合缝明显，于是借助治具来减少合缝。

问题：变形曲线锯外壳变形材料：PA6-GF30问题：变形

上下机壳组装后，合缝明显，于是借助治具来减少合缝。

曲线锯外壳变形Case2：两个侧浇口Case1：两个针点浇口曲线锯外壳变形2006年2月16日第一次试模–软胶包覆硬胶后的上、下机壳在组装后显示的合缝大为减小–未锁螺丝前，合缝仅0.8mm。

Case2Case1曲线锯外壳变形制品设计:模具设计:从2个针点浇口的三板模改成2个侧浇口的二板模，以符合单一方向流的原则。工艺设计:曲线锯外壳变形可以导致单一方向流的浇口设计，较能产出平直的制品。

汽车后视镜外壳制品：汽车后视镜外壳材料：ABS模具：二型腔模，每一型腔单一潜伏式浇口进胶。浇口的动模侧附近钻了冷却水孔，定模侧则无。简述：即使提早脱模，乘外壳尚温软时将镜片嵌入，多数镜片居然被变形的外壳搅碎。问题：变形汽车后视镜外壳,ABS,Indonesia,翘曲变形,199?原始设计

OriginalDesign改善设计

RevisedDesignAASEC.A-A汽车后视镜外壳制品设计:模具设计:主流道衬套(spruebushing)外加冷却套管，将水引到定模侧浇口附近，使得浇口处来自动定模侧的冷却均衡。工艺设计:冷却不均使得制品变形加上长的周期时间

UnevenCoolingCausesWarpageandLongCycleTime动、定(coreandcavity)模温差太大，往往使得制品变形，而且拖长了周期时间。

可借CAE之助，调整冷却液的温度和流量，使得动、定模侧的散热与型腔的中心面对称，将扳转制品弯曲的不对称残余应力减到最少，制品尺寸自然稳定。

冷却孔道直径、深度和节距

Diameter,Depth&PitchofCoolingChannelD:直径为10至14mm

DiameterofCoolingChannel,10to14mmd:深度为2D至3D

Depth,2Dto3DP:节距为3D至5D

Pitch,3Dto5D

灯壳的变形

制品：灯壳(lampholder,

200mmX80mmX17mmX2mm)

材料：ABS模具：注塑机：问题：变形Dimension:200mmX80mmX17mmX2mmMaterial:ABSLampHolderforScannerbafflechannelhoseOriginalCoolingSystemOriginalCoolingSystemCircuitFlowRate,OriginalDesignCircuitCoolantTemperature,OriginalDesignDeflection,AllEffects:xComponent,OriginalDesignRevisedCoolingSystemRevisedCoolingSystemCircuitFlowRate,RevisedDesignCircuitCoolantTemperature,RevisedDesignDeflection,AllEffects:xComponent,RevisedDesign原始设计

Original

Design改善设计

RevisedDesign%变形量Deflection

全体效应alleffects

x方向差值Deltax(mm)

0.390.32-17.94%变型量Deflection

冷却效应coolingeffects

x方向差值Deltax(mm)

0.150.05-66%冷却液流量

Coolantflowrate(lit/min)(定模，动模)(cavity,core)

3.76,1.463.76,4.77比较

Comparison灯壳的变形

制品设计:模具设计:将动模侧带2支障板管(baffle)的冷却回路简化为仅由钻孔组成的冷却回路工艺设计:

以水流平衡为原则，动、定模侧各串接成一组冷却回路。牛顿冷却定律一冷却体之冷却速率与『该物及冷却介质之温差』成正比

冷却介质从模具带走的热量

模具与冷却介质间的热传系数

(W/m2-°K)冷却孔道的热传面积

(m2)模具与冷却介质的温度差

(°K)冷却时间

(s)热传系数

HeatTransferCoefficient模具冷却速率不仅与模具与水的温差成正比，也与水的流速的0.8次方成正比。

冷却速率与温差和流速的关系

外观问题诊断车载支架方板,PC,浙江省乐清市,发赤,2007.8.27.

车载支架方板的发赤矩形边缘浇口设计RectangularEdgeGateDesignL=0.5~0.75mmW=浇口宽度

(mm)gatewidthinmmA=型腔表面积

(mm

)surfaceareaofcavityinmmn=材料常数

materialconstant0.5forTPU

0.6forPE,PS0.7forPOM(聚缩醛),PP0.75forABS,SAN,SBC(K-RESIN)0.8forCA(醋酸纤维素),PA,PC,PMMA0.9forPPO,PVC,+GF22h=nth=浇口厚度(gatethick.inmm)t=制品壁厚(wallthick.inmm)WtLh当W<2h,W取2hWhenW<2h,useW=2h.浇口晕

气动工具塑件,PBT,浙江省慈溪市,浇口晕,2006.4.21.

浇口井上(外)凹、下(内)平

气动工具塑件的浇口晕剪切速率ShearRate剪切应力shearstress黏度viscosity剪切速率shearrate剪切应力ShearStressΦ1.5x53t银线DVD机面框,ABS,广东省东莞市,银线,2003.11.12DVD机面框的银线笔记本计算机Docking后盖的喷流痕与波纹制品：笔记本计算机Docking后盖材料：PC模具：二型腔模，每个型腔采用二个潜浮标签式浇口简述:

射快时喷流痕；射慢时波纹(ripple),合格率0。问题：喷流痕与波纹笔记本计算机Docking后盖的规格及要求

Spec.andReq.,DockingCover,Notebook可进胶处笔记本计算机Docking后盖模原始冷却设计OriginalCoolingDesign,NotebookDockingCoverMold1844新添加笔记本计算机Docking后盖模改善冷却设计RevisedCoolingDesign,NotebookDockingCoverMold4444新添加充填时间短导致喷流痕与银线

JettingMarkandSilverStreakDuetoShortFillTime侧壁厚度

SideWallThickness：2.5mm浇口厚度

GateThickness：1.5mm充填时间长导致波纹

RipplesduetoLongFillTime

浇口厚度

GateThickness：1.5mm侧壁厚度

SideWallThickness：2.5mm笔记本计算机Docking后盖的喷流痕与波纹制品设计:模具设计:浇口厚度不可小于0.8乘以加浇口处的制品壁厚。工艺设计:浇口进胶时采低速、料温与模温采用材料厂商建议的中高值。空气进气口外壳短射制品：空气进气口外壳(airintake)材料：PP+20%Talc

模具：美国设计，二浇口。简述:依照美国设计图在中国制造的模具，试模时在后图箭指处短射(shortshot)。

虽尝试各种工艺条件，短射无法完全消除。客户同意在外壳内面加导流道(flowleader)。问题：短射射压

InjectionPressure:64.3MPa空气进气口外壳AirIntakePP+20%Talc充填时间FillTime:3s

短射

shortshot射压

InjectionPressure:64.2MPa导流道

FlowLeader:3.5wx1.85tor7.0wx1.85t公称壁厚NominalThickness:1.85mm射压

InjectionPressure:59.9MPa导流道

FlowLeader:3.5wx2.5t公称壁厚

NominalThickness:1.85mm射压

InjectionPressure:56.6MPa导流道

FlowLeader:3.5wx3.0t公称壁厚

NominalThickness:1.85mm制品设计:模具设计:自二浇口联机的中垂线向短射处加一3.5wx2.5t导流道。工艺设计:空气进气口外壳短射缩痕发赤缩痕与发赤SinkMarkandBlush不良率:50%!!缩痕虽可藉成型条件的改变而改善，但是代价是整个制件表面出现焦痕。Φ6SubGate,2CavityMould原始设计OriginalDesign充填时间：0.3秒熔胶温度：265℃模具温度：85℃充填/保压切换点：容积98%保压时间：3秒开模时间：3秒

冷却时间：6秒

成型周期时间：12秒塑料：GEPlasticsCycoloyC6200(PC/ABS)CAE分析所用成型条件原始设计浇口在1.95秒时凝固时，制品厚处尚未凝固，无法补缩，易生缩痕与缩孔。

皮层厚度比体积收缩率6.4%缩痕肇因剪切速率(shearrate)高时，高分子因摩擦生热而劣解，可能产生发赤（blush）或焦痕（burnmark）。所以剪切速率最好保持在最高许可值（maxallowableshearrate）以下。GEPlasticsCycloyC6200(PC/ABS)的maxallowableshearrate是40,0001/s，Maxallowableshearstress是0.4MPa。焦痕肇因改善设计

OriginalDesignHookGate,4CavityMouldΦ4CAE分析所用成型条件改善设计充填时间：0.3秒熔胶温度：265℃模具温度：85℃充填/保压切换点：容积98%保压时间：4秒开模时间：3秒冷却时间：6秒成型周期时间：13秒塑料：GEPlasticsCycoloyC6200(PC/ABS)4.6%皮层厚度比体积收缩率浇口延长到3.96秒(原来是1.95秒)时才凝固时，制品厚处得到较多的补缩，缩痕与缩孔不易产生。

缩痕消除改善前后比较

Comparison,beforeand

afterImprovementNoBlush

NoSinkMark浇口要置于厚壁处

。迟滞痕HesitationMark迟滞痕(hesitationmark)的定义:当熔胶流到壁厚厚薄变化大的区域，进入薄壁区的前沿会慢下来，甚至停滞不动，直到厚壁区充填满为止，在这段时间，慢或停下来的前沿会形成一痕迹，谓之迟滞痕，既影响外观，也是应力集中处。浇口设计(减少滞流效应)GateDesigntoAvoidHesitation浇口gate薄thin厚thick差的设计Poor好的设计Good薄thin厚thick浇口gate0.94秒时，迟滞现象在1.2mm厚凸片处发生公称厚度3.2mm帮浦零件(Part,Pump)塑料(Polymer):聚甲醛

POM迟滞现象减轻帮浦零件(Part,Pump)塑料(Polymer):聚甲醛

POM浇口要置于距离可能发生迟滞处最远处。上策是优化制品厚度或/和浇口位置等以消除熔接痕

Thebestwayischangingthethicknessprofileofthepartor/andthelocationofthegates,etc.,inordertoeliminateweldlines.增加前沿会合区面积

Increasetheareaoftheregionwheremeltfrontsmeet增加相遇前沿的会合角

Increasethemeetingangleofthemeetingmeltfronts改善排气

Improveventing加熔接冷料井

Addweldslugwell提高模温

Increasemoldtemperature提高熔胶温度

Increasemelttemperature提高射压和保压

Increaseinjectionpressureand

holdingpressure如何优化熔接痕的质量

HowtoOptimizeTheQualityofTheWeldLine20%玻纤聚碳酸酯机架

Mech.Frame,PC-GF20机架厚度分布

ThicknessDistribution,Mech.Frame机架熔接痕分布

WeldLineDistribution,Mech.Frame设计1GateDesign1设计2

GateDesign2设计3GateDesign3浇口

Gate浇口

Gate浇口

Gate材料

[Material]:PC-GF50原设计

[Original]改善设计

[Revised]改善浇口位置以重新定位熔接痕WeldLinesCanBeRelocatedByChangingGateLocation典型对头熔接痕伸张强度保留值TypicalButtWeldTensileStrengthRetentionValues以外差法算出：PC,50%GF,44%S围边的熔接痕与亮斑制品：S围边材料：PC模具：24浇口简述：为了淡化熔接痕，模温和射压/保压已经调高到模具都打不开。

问题：熔接痕与亮斑马来西亚

,2005S围边的熔接痕与亮斑24浇口设计12浇口设计熔接痕至少减少12条浇口痕减少12个24浇口和12浇口S围边模比较1423熔胶前沿图，S围边，12浇口S围边(灯壳),PC,广东省东莞市,熔接痕,2003.10.16.

S围边的熔接痕与亮斑排气受阻

blockedventsS围边(灯壳),PC,广东省东莞市,熔接痕,2002.1.15.S围边的熔接痕与亮斑制品设计:模具设计:浇口数目(24浇口减到12浇口)与位置(依循流动平衡原则)合理化、排气合理化工艺设计:降低料温S围边的熔接痕与亮斑透明管帽上的气穴

AirTraponaTransparentCap顶出销痕白斑左图显示一透明带螺牙管帽顶部沟槽旁(顶出销痕的左下方)，有一白班，此一白班使的整个产品的质量蒙羞-当然，客户是无法接受的。试了各种各样的成型条件，白斑依然故我，厂商为此伤透脑筋！以CAE模拟原始设计，发现在出现白斑处有一气穴(airtrap)，如左图所示。原始设计OriginalDesign合理假设：充填时，在相对于管帽顶部生成白斑的型腔处，熔胶前沿(meltfront)包围了气体，气体无路可走，在升压升温的情况下，前沿塑料氧化、降解(degrade)、变色。对策：气穴的位置，由充填模式(fillingpattern)决定。在产品已经定型的情况下，改变充填模式最有效的方法就是改变浇口的位置。合理假设和对策

ReasonableAssumptionsandSolutions二浇口痕左图显示原始设计的两个浇口是在管帽开口端(openend)紧贴U型缺口的两侧。原始设计浇口位置OriginalGateLocation借助3DCAE的模拟，可以评估不同浇口设计对充填模式的影响。要注意的是，螺牙的造型对充填模式的影响是不可轻忽的，为了避免螺牙的造型失真，须要采用3D造型、以3DCAE进行模拟。左图显示改善设计的两个浇口位置。3D造型

3DModel左图显示气穴移到管帽顶部中央。改善设计RevisedDesign为什么要将气穴移到管帽的顶部中央呢？因为该处的动模(core)侧，本来就有一顶出销，将顶出销的顶部磨掉一圈，再略为加工，就可改成排气销(ventingpin)，气穴能在管帽的顶部中央形成，被包围的气体就可以从该处的排气销的排气口(ventingland)和排气沟(ventinggroove)逃到大气，不至于留在型腔中危害产品的质量了。顶出销修改成排气销

EjectorPinModifiedtobeVentingPin制品：电视机底座;公称壁厚3mm材料：PS模具：简述：在要求高光泽度的电视机底座正前方第一外观面的雾状气痕始终无法消除。问题：气痕电视机底座的气痕江苏省常州市某公司试量产电视机底座时,在图中红圈处产生的雾状气痕始终无法消除,该气痕是在要求高光泽度的第一外观面的中央。当然,客户是无法接受的。电视机底座,PS,气痕,2008.1.25.

:浇口电视机底座的气痕电视机底座的气痕经CAE充填分析,发现雾状气痕的位置也是仿真的气穴(airtrap)所在。气痕的移位,可藉浇口的增减与移位达成。将3与4号浇口关闭,在制品底部略为加减胶,气穴移至图中黄圈标示的咬花处,问题迎刃而解。

浇口3浇口1浇口2浇口4电视机底座,PS,气痕,2008.1.25.

电视机底座的气痕电视机底座的气痕制品设计:模具设计:将3与4号浇口关闭,在制品底部略为加减胶。工艺设计:调整浇口，使得熔接痕与气穴移至对强度与外观不敏感处。本制品于试装阶段发现产品外观有二处不明外观缺陷痕迹(对称)，且初步判断非熔接痕问题，素材目视及触摸有稍微变形情形，浅色涂装无法掩饰、可见明显痕迹，实际位置如下图D1所示。以下将针对此外观缺陷之解析、对策验证及判断法则建立进行案例说明。D1CHRYSLERTOWN&COUNTRYFRBUMPER2.主要熔接痕位置：主要熔接痕位置如图标A~D位置。ABCDABCDG1G2G3G4G5G61.浇口位置：共10处浇口，如图示G1~G6(对称位置省略)。该不明缺陷痕迹处位于浇口G2附近，但不属于熔接痕A及B，因此判断非一般熔接痕问题D1素材观察熔接痕位置比对ABCD熔接痕位置比对藉由模流分析，了解成型过程中之各项变量，以判断问题发生原因，初步先以充填时间动画了解充填平衡性及判断问题点原因。右图为充填时间动画，请单击进行拨放。由充填动画可见充填平衡性不佳，浇口G2及G5充填完毕时，其他浇口仍处于充填状态，且G2受G1及G3夹挤、G5受G6及G4夹挤，造成塑流迟滞、提早冷却情形。G1G2G3G4G5G6初步分析判断进阶分析判断温度分析由充填时间动画判断可能有塑料互相推挤情形发生，导致流动迟滞、提早冷却情形，因此针对温度部分进行分析。结果发现熔体温度图与D1处外观缺陷有高度关