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5.1 注射成型CAD/CAE
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学习目标 本章主要了解注塑成型及其应用，重点讨论注塑成型中缺陷及产生的原因。在此基础上，了解注塑成型数值模拟技术的概念，研究现状及发展趋势。掌握注塑成型过程中的常见质量问题。本章的重点是如何利用CAE软件（MOLDFLOW）来分析成形缺陷的原因及解决办法。
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1、注射成型过程常见质量问题 短射（short shot） 熔接痕 (Weld Line) 气穴 (Air Trap)
溢料 (Flashing) 翘曲 (Warpage)
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短射(short shot)也可以称为填充不足或欠注,是指聚合物不能完全充满模具型腔的各个角落的现象。
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注塑设备选择不合理 聚合物流动性能较差 浇注系统设计不合理 料温,模温太低 注塑喷嘴温度低 注塑压力,保压不足 制品结构设计不合理 排气不良
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熔接痕(weld line)属于表观质量缺陷,它是产品注塑过程中两股以上的熔融树脂流相汇合所产生的细线状缺陷。
熔体流动性不足,料温低 模具设计不合理 塑料制品结构设计不合理 模具排气不良 脱模剂使用不当
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--由于排气不良等原因造成熔体中的水分或挥发成分被封闭在成型材料中所形成的气泡;
气穴(air trap)也称为气泡或气孔,它是在成型制品内部所形成的空隙, 根据气穴形成的原因,可以把它分成两类: --由于排气不良等原因造成熔体中的水分或挥发成分被封闭在成型材料中所形成的气泡; --由于熔体冷却冷却固化时体积收缩而产生在制品或加强筋,凸台等壁厚不均匀处的气泡.
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注塑原料不符合要求 注塑工艺不当 模具设计不合理
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溢料(Flashing)也称为飞边,当熔体进入模具的分型面,或者进入与滑块相接触的面及模具其他零件的空隙时,就会发生溢料现象
锁模力较低 模具设计不合理 注塑工艺不当
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翘曲及扭曲(Warpage)都是脱模后产生的制品变形。沿边缘平行方向的变形称之为翘曲,沿对角线方向上的变形称之为扭曲。
冷却不当 分子取向不均衡 浇注系统设计不合理 脱模系统不合理 成型条件设置不当
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总体变形 X向变形 Z向变形 Y向变形
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注射成型模拟技术研究内容
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注射成型模拟技术研究内容 CAD CAM CAE 专家 系统 技术 改进零件结构 设计任务书 零件信息 用户需求 NC指令 产品模型
工程数 据库管 理系统 CAE CAM 专家 系统 技术 优化设计方案 零件信息 改进零件结构 设计任务书 用户需求 NC指令 产品模型
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注射成型模拟技术研究内容 充填分析 预测塑料熔体流经流道、浇口、填充型腔的过程，计算流道、浇口及型腔内的压力场、温度场、速度场、剪切应变率分布以及剪切应力分布。 优化成型工艺参数；确定合理的浇口、浇道数目和位置；预测所需的注射压力及锁模力；注射不足、热降解、不合理的熔接线位置等
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注射成型模拟技术研究内容 保压分析 预测保压过程中型腔内熔体的压力场、温度场、密度分布和剪切应力分布等，帮助设计人员确定合理的保压压力和保压时间，改进浇口设计，以减少型腔内熔体体积收缩的变化
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注射成型模拟技术研究内容 冷却分析 对注射模具的热交换效率和冷却系统的设计方案进行模拟，从而获得制品表面温度分布、热流量分布，冷却回路的热交换率及最小冷却时间等数据，帮助设计人员确定冷却时间、冷却管路布置及冷却介质的流速、温度等冷却工艺参数，使型腔表面的温度尽可能均匀。
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注射成型模拟技术研究内容 结晶、取向分析 模拟塑料熔体在成型加工时经历的热、力物理过程，确定制品的微结构，以便预测制品的物理性能及成型质量。
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注射成型模拟技术研究内容 翘曲分析 预测在给定加工条件下，塑件脱模后的外观质量、几何尺寸、应力分布及机械性能，帮助设计人员修正塑件、模具设计方案，进一步预测塑件的使用性能
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注射成型数值模拟的一般流程 产品几何模型 构建模拟模型 （前处理） 分析求解 后处理 充模过程 动画 制件 温度场 缺陷 分析 冷却过程
以IGES，DXF，STL等 格式导入CAD模型 构建模拟模型 （前处理） 网格划分 材料参数输入 边界条件设置 分析求解 工艺结构补充 后处理 充模过程 动画 制件 温度场 缺陷 分析 冷却过程 分析
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注射成型模拟技术
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中性面模型技术（mid-plane） 假设产品的厚度远小于其他两个方向即流动方向的尺寸，忽略了熔体在厚度方向上的速度分量，并假定熔体中的压力不沿厚度方向变化，由此将三维流动问题简化为流动方向的二维问题和厚度方向的一维分析。
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中性面模型技术（mid-plane） 优点：能够成功地预测充模过程中的压力场、速度场、温度分布、熔接痕位置等信息，具有技术原理简单，网格单元数量少，计算量小。 缺点：由于采用了简化假设，它产生的信息是有限的、不完整的。因此，中性面技术在注射成型分析中的应用虽然简单、方便，但是具有一定的局限性，所以表面模型和三维实体模型技术便应运而生了。
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三维实体模型技术 优点：利用这些三维立体网格进行有限元计算，不仅获得实体制品表面的流动数据，还获得实体内部的流动数据，计算数据完整。
实体模型技术在数值分析方法上与中性面技术有较大差别。在实体模型技术中熔体在厚度方向的速度分量不再被忽略，熔体的压力随厚度方向变化。实体流动技术直接利用塑料制品的三维实体信息生成三维立体网格。 优点：利用这些三维立体网格进行有限元计算，不仅获得实体制品表面的流动数据，还获得实体内部的流动数据，计算数据完整。 缺点：计算量大，计算时间长
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表面模型技术（fusion） 表面模型技术是指型腔或制品在厚度方向分成两部分，与中性面不同，它不是在中面，而是在型腔或制品的表面产生有限元网格，利用表面上的平面三角网格进行有限元分析。在流动过程中，上下两表面的塑料熔体同时并且协调地流动。 从本质上讲，表面模型技术所应用的原理和方法与中性面模型相比没有本质上的差别，其主要不同之处是采用了一系列相关的算法，将沿中性面流动的单股熔体演变为沿上下表面协调流动的双股流。
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表面模型技术（fusion） 缺点： 分析数据不完整
由于表面模型仍然采用和中性面模型一样的二维半的简化模型假设，所有它除了用有限差分法求解温度在壁厚方向的差异外，基本上没有考虑其他物理量在厚度方向上的变化。 无法准确解决复杂问题 随着塑料成型工艺的进步，塑料制品的结构越来越复杂，壁厚差异越来越大，物理量在壁厚方向上的变化变得不容忽视。 真实感缺乏 由于在表面模型中，熔体仅仅沿着制品的上下表面流动，因此，分析结果缺乏真实感，与实际情况仍有一定的距离。
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从整体上讲，表面模型技术只是一种从二维半数值分析（中性面模型）向三维数值分析（实体模型）的一种过渡。要实现严格意义上的注射成型产品的虚拟制造，必须大力开发实体模型技术。
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实例一 汽车空调罩注射成型分析
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问题描述
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建立有限元模型 １
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网格划分 Moldflow软件网格划分的基本思想是采用工程领域中最为常用的有限元方法。在Moldflow中就称这些单元为网格（mesh）。在Moldflow中，划分成的网格主要有三种类型：中性面网格（Midplane）、双层面网格（Fusion）和实体网格（3D） 中性面网格（Midplane）、双层面网格（Fusion）和实体网格（3D）
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网格划分 本文在Pro/E中建立CAD模型通过STL标准格式导入到MOLDFLOW前处理器中，对其划分网格（双层面网格（Fusion）），网格剖分结果如图
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材料选择 根据本文实际情况，制件材料采用ABS100．其物性参数为： 参 数 值 导热系数W/（m·K） 0.14 比热容J/（Kg·K）
参 数 值 导热系数W/（m·K） 0.14 比热容J/（Kg·K） 1963 熔体密度g/cm3 1.04 最大剪切压力MPa 0.3 最大剪切速率1/s 50000
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浇注系统参数设置 主浇道（圆锥形状）：小口直径4mm，锥度2°，长度50mm，冷凝道直径5mm，长4mm；
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工艺参数设置 熔融体温度（Melt temperature）=200 ℃ 模具温度（Mold temperature）=65 ℃
注射压力（Pressure）=60 Mpa
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结果分析 ２
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材料选择 充型过程
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缺陷分析
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缺陷分析
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缺陷分析
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实例２ 某电器外壳注射成型分析
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电器外壳注射成型分析 初始方案为在制件中间部位分布1个浇口（图1中“”位置且旁边以“A” 标注），注射时间为3 S，注射温度为240C，不采用分级注射。我们首先对初始方案进行模拟分析，从流动前沿的动态显示可以看出：熔体最后充填位置为“B”处（如图1所示），所需的注射压力达130.1MPa，超出了选定注射机的许可注射压力，可能会出现注射不足的情况。另外，软件还显示图中“B”处有熔接纹（见图中黑线），实物显示确实如此，且熔接纹十分明显。
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电器外壳注射成型分析
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电器外壳注射成型分析
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电器外壳注射成型分析
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电器外壳注射成型分析
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实例３ 塑件翘曲分析
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塑件翘曲分析实例 注塑过程中，翘曲是由于制品收缩率不均匀而产生的。收缩率变化的原因包括： 1、 塑件内部温度不均匀。
2、 塑件凝固时，沿着壁厚方向的压力差异和冷却速率差异。 3、 塑件尚未完全冷却就顶出，或是顶出销变形，倒勾太深，顶出方式不当，脱模斜度不当等因素都可能造成塑件翘曲。 4、 塑件壁厚变化导致冷却速率的差异。
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塑件翘曲分析实例 5、不均匀冷却以及塑件在凸模、凹模之间壁厚方向的不对称冷却都会导致收缩差异。 6、 塑件具有弯曲或不对称的几何形状。
7、 塑件材料有、无添加填充料的差异。 8、 流动方向和垂直于流动方向之分子链／纤维取向性差异，造成不同的收缩率。 9、 保压压力的差异（例如浇口处过度保压，远离浇口处却保压不足）。
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塑件翘曲分析实例 图1 制品模型及网格剖分 图2 流道和冷却管道布置
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塑件翘曲分析实例 初始注射时间4.8S， 注射温度230℃， 模具温度50℃， 保压压力90MPA， 保压时间10秒。
模具钢号20#，冷却剂为水，水温25℃，流速0.0062M^3/MIN,要求可顶出面积达到95%以上方可脱模。
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塑件翘曲分析实例 总体变形 X向变形 Y向变形 Z向变形
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塑件翘曲分析实例 翘曲原因分析： 从流动分析的结果如图所示，流动不平衡，长边部位最后充满。这时在充填长边时流前速度急剧增大，导致分子取向严重，而流前温度的下降使取向得不到松弛。同时长边距离浇口位置远，保压不充分也是收缩大的重要原因。
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塑件翘曲分析实例 另从制品冷却厚向温差来看，温差最大达到24℃，远远大于要求小于10℃的要求。这主要是型芯冷却不够，特别是拐角处热应力集中，引起长边的内翘。
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塑件翘曲分析实例 可见，需要调整流动和冷却设计，对流动设计采用分级注射的方式，使流动前锋速度始终保持一致，使取向保持均匀。同时加强型芯冷却，使温度分布均匀。改进后翘曲量减少到1.43MM，基本满足设计要求。
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