搜索【干貨分享】Moldflow應用常見問題解答系列之三
2016-11-14 by:CAE仿真在線 來源:互聯網
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注塑是一個看不見的過程,產品有什么樣的缺陷只有將產品打出來之后才能被發現。當我們在為缺料、留痕、噴痕、縮水、包封、結合線等問題困擾時,怎么樣提前預測這些缺陷成為了一個關鍵的問題,Moldflow仿真正好彌補了實際成型后知后覺的問題,提供的結果正好可以提前預測充填及保壓階段出現的風險問題,把看不見的摸不著的成型問題變成人人都能看得懂的行業語言—Moldflow分析結果,讓每一個從業者變成未卜先知成為可能。
在注塑過程當中,會遇到一模多穴的模具,流道是平衡的,流道和澆口尺寸也是一致的,但是充填時卻不平衡,有的模穴跑得快,有的模穴跑得慢,其實這是由于流動過程當中塑料的剪切造成的,塑料在高速的流動過程當中,有很高的剪切速率,從而產生較多的剪切熱,熱量多溫度高的區域塑料粘度低,有較高的流動性,導致流動不平衡的現象。當我們理解到其出現的機理以后,不管是調整流道的排布,還是調整流動的速率,都是事半功倍的。
同時,注射壓力也是一個比較受人關注的參數,如何讀懂Moldflow輸出的一些參數,這也是一個關鍵的問題,在后面的介紹當中,會逐詳細介紹。
在軟件的操作當中,大家很多時候將關注的重心放在了外在上,比如網格,當然外在是很重要的,網格的匹配率、縱橫比直接影響了結果的準確性;同時,軟件的內在也很重要,比如對于求解器的選擇,中間結果的設定,這些也會影響到分析結果。有時,模擬分析和實際出現較大的偏差,正是由于中間結果默認的輸出數量不夠導致的。
Moldflow有很強大的材料數據庫,想要比較任何兩顆材料的屬性,就可以借助Moldflow的材料庫比較它們的流動性、密度、成型條件及PVT曲線。
先來看一個案例,該產品為一打印機外殼,材料為ABS,產品尺寸:106*106*11,如圖1所示。 產品外觀有較高的要求,在做Moldflow之前設計方案為在產品邊緣做側澆口(1X8mm),結果T0的走膠板有嚴重問題,澆口的四周流動是基本正常的,正對著澆口的膠位跑得非常快。
圖1
開始用Moldflow分析模擬,結果如圖2所示。流動是正常的,并沒有出現流動異常的情況。這是Moldflow工程師經常碰到的一個問題,軟件分析和實際的相差甚遠,這時我們有可能會懷疑自己,懷疑軟件,還要面對客戶或者上級的詢問,很無助。
圖2
其實懷疑的態度正是學習與提高所必需的,只有懷疑和不斷的總結,才能更好的提高。既然分析和實際出現了偏差,就需要找問題,找到問題才能對癥下藥。從產品的結構上來講,在產品的背面出現了加強筋,加強筋不但有增加強度的作用,同時,它的存在會使產品的局部壁厚變厚,從常識上來講,產品在筋位的區域跑得比其他區域更快,是合乎情理的,但是出現像圖1這樣的流動模式卻是不正常的。實際成型產品有明顯噴射現象,但Moldflow分析沒有問題,是怎么回事?
我們先來看看噴射的形成原理,當聚合物熔體高速推進通過限流區域(例如,噴嘴、流道或澆口)或推入到開放的較厚區域并且未與模壁形成接觸時,就會出現噴射問題。在噴射過程中,彎曲的蛇形噴射流會致使熔體折疊之間形成接觸點,生成小的“接縫”,如圖3所示。本案例就是由于澆口處的流速太高導致出現噴射的。
圖3 圖4
那為何又沒能模擬出噴射的效果呢?這和軟件的設置有關。要模擬產品的噴射現象,必須使用3D網格,并且在軟件的面板設置里第二頁,“充填+保壓”可選按鈕的地方,選中慣性影響因素。如圖4所示。選中慣性影響因素之后,模流分析結果,如圖5所示。可以明顯看到在高速的充填下,熔體有噴射的效果,速度大小不一樣,噴射的效果也存在差異。當然驗證了問題并不是分析的終點,搞清楚問題形成的機理也遠遠不夠,作為Moldflow的工程師,還應當知道如何改善產品的缺陷問題,俗話講知其然同時知其所以然。引起噴射的原因基本就是:(1).螺桿速度過大。(2).澆口位置不佳。(3).熔體與模具的接觸不嚴密會導致發生噴射。(4).熱流道系統設計不當。
圖5
解決的辦法:(1).優化澆口設計和位置。通過重新定位澆口將熔體對準金屬表面,或使用重疊或潛入式澆口。(2).使用護耳澆口或扇形澆口,通過逐漸擴散的流動區域來降低熔體流速,這樣可減小熔體剪切應力并降低剪切速率。如圖6所示。
圖6
圖6左圖出現明顯的噴射,改為右圖的a.疊加澆口,噴射的問題迎刃而解,這是因為澆口的形式變化改變了熔體的流動軌跡。
(3).同時優化螺桿速度曲線。使用優化的螺桿速度曲線,以使熔體通過澆口時最初具有較低的熔體前沿速度,而該速度會在完成分散之后提高。
對于本案的解決方法,澆口位置開在與原始方案相對的一側,可以讓熔膠先與筋位壁接觸,這樣就可降低熔膠的流速避免噴射流,用Moldflow分析,充填模式很平穩沒有出現噴射。最后項目決定將前后模仁報廢重做! 實際試模的樣板外觀,客戶很滿意,如圖7所示。
圖7
不過值得注意的是,解決注射成型過程中的一個問題后,常常可能又會帶來其他問題。因此,選擇每種方法都需要考慮模具設計規范的所有相關方面。
流痕(Flow mark)是指產品在澆口附近波浪形的表面缺陷,表現為以澆口方向為中心,樹脂流動的痕跡以同心圓的形狀在成型品的表面刻印的現象,其主要原因是產品溫度分布不均勻或塑料凝固太快,熔體在澆口附近產生亂流、在澆口附近產生冷料或是保壓階段沒有補充足夠的塑料。波紋是一種類似于流痕的缺陷,在邊緣附近或流動末端出現指紋狀小起伏。
造成流痕的原因包括:較低熔體溫度、模具溫度,較低的注射速度、注塑壓力或者流道和澆口太小,流動阻力太大。根據使用Moldflow分析結果進行觀察分的得知,流痕的產生可能因為熔體流動前鋒部分在型腔壁面冷卻,并且與后面的熔體持續翻滾和冷卻造成的缺陷。如圖1。
圖1
★Moldflow分析結果里觀察流痕的方法。
(1).等高線結果
等高線即同一條線上充填時間是一致的,間距的等值線表示快速流動;窄間距的等值線表示零件填充緩慢。流痕由于地域或者個人愛好的不同,被稱為虎皮紋或者其他的,將Moldflow充填結果切換成等高線的模式比較容易觀察,如圖2。右圖是實際出現流痕的區域,換成Moldflow里的充填時間等值線的結果,可以看出產品在該區域等高線較為密集,充填速度較慢,流動前沿滯流造成制品表面出現流痕。
圖2
(2). 溫度結果
溫度是一個很重要的結果,均勻的溫度分布,才能得到較高表面質量的產品。溫度太高,熔體可能發生裂解,溫度太低可能導致滯留和短射。
在填充階段中,流動前沿溫度下降幅度不應超過 2°C 至 5°C。較大幅度的變化通常表示注射時間過短,或存在遲滯區域。如果零件薄壁區域中的流動前沿溫度過低,則遲滯可能導致短射。在流動前沿溫度上升數攝氏度的區域中,可能出現材料降解和表面缺陷。
如何用溫度的結果來評估流痕,左圖產品整體溫度230℃,在產品右端孔的附近溫度急劇下降,溫度在218℃左右,溫差超過10℃,右圖顯示在該區域出現了流痕,如圖3 。當局部的地方出現了較大的溫度差異時,產品出現外觀缺陷的風險就會越高,盡量避免產品溫度劇烈的變化是Moldflow分析的一個重要的準則。
圖3
(3).其他結果
還有其他結果可以作為評判流痕的標準,如剪切速率、充填速度及殘余應力。
★流痕的解決對策:
(1).熔料流動不良導致產品表面產生以澆口為中心的年輪狀波流痕
當流動性能較差的低溫高粘度熔料在注料口及流道中以半固化波動狀態注入型腔后,熔體沿模腔表面流動并被不斷注入的后續熔料擠壓形成回流及滯流,從而在產品表面產生以澆口為中心的水波紋狀的流痕。
針對這一故障產生的原因,可分別采取提高模具及噴嘴溫度,提高注射速率和填充速度。增加注射壓力及保壓時間。也可在澆口處設置加熱器增加澆口部位的局部溫度。還可適當擴大澆口和流道截面積。而澆口及流道截面最好采用圓形,這種截面能夠獲得最佳的充填效率。但是,如果在產品的薄弱區域設置澆口,應采用正方形截面,應當盡量避免將澆口放置在薄壁區域。
(2).熔料在流道中流動不暢導致產品表面產生螺旋狀波流痕
當熔料從流道狹小的截面流入較大截面的型腔,或模具流道狹窄,光潔度很差時,流料很容易形成湍流,導致產品表面形成螺旋狀波流痕。對此,可適當降低注射速度或對注射速度采取慢,快,慢分級控制方式。
(3).揮發性氣體導致產品表面產生云霧狀波流痕
當采用ABS或其他共聚樹脂原料時,若加工溫度較高,樹脂及潤滑劑產生的揮發性氣體會使產品表面產生云霧狀波流痕。對此,應適當降低模具及機筒溫度,改善模具的排氣條件,降低料溫及充填速率,適當擴大澆口截面,還應考慮更換潤滑劑品種或減少數量。
“浮纖”現象是玻纖外露造成的,白色的玻纖在熔體充模流動過程中浮露于外表,待冷凝成型后便在塑件表面形成放射狀的白色痕跡,當塑件為黑色時會因色澤的差異加大而更加明顯。
★浮纖形成的原因:是由于熔膠溫度低或模具溫度低,射膠壓力不足,造成玻纖在膠內不能與塑料很好的結合,使纖泛出。通常采取的對策是加高熔體溫度,模具溫度,增大注射壓力。
下面介紹一個案例,產品內部模具溫度大部分為120℃,局部超過150℃,外側面模具溫度大概在30℃。外側面的模具溫度遠遠低于材料推薦模溫,這也是導致產品表面浮纖極為明顯的原因。如圖1。
通常來講,在塑料熔體流動過程中,由于玻纖與樹脂的流動性有差異,而且質量密度也不同,使兩者具有分離的趨勢,密度小的玻纖浮向表面,密度大的樹脂沉入內里,浮于表面的纖維由于熔體的快速冷卻包裹在產品的表面,又由于塑料的收縮,纖維并沒有隨著收縮回去,從而在產品表面形成了玻纖外露現象。
圖1
★解決辦法,在公模側做成鈹銅鑲件并通水路,目的是為了加強公模的冷卻,降低產品內部的溫度。將模具溫度已經從原方案的最高150℃降低到80℃,且控制模具動、定模側模具溫度較為均勻,進而浮纖問題得到解決。如圖2
圖2
總之,模具與熔體之間的溫差不宜太大,防止熔體充填時玻纖遇冷在表面淤積,形成“浮纖”,因此需采用較高的模具溫度,這對于提高熔體充填性能、增加熔接痕強度、改善制品表面光潔度、減少取向和變形也是有利的。但模具溫度愈高,冷卻時間愈久,成型周期延長,生產率降低,而且成型收縮率加大,故也不是越高越好。采用高料溫、高模溫、高壓、高速、低螺桿轉速注射,對改善“浮纖”現象比較有利。
平衡流動是模流分析又一個的基本準則,對于多澆口的產品來說,具有平衡后的流動的零件,塑料熔體會在同一時間和壓力下填充產品末端,對于一模多穴的模具來說,各模穴同時充填完成。平衡后的流動可以產生一致的取向、一致的收縮率和較少的內部應力及翹曲,并可以通過減少材料使用量而節約成本。澆口位置、流道系統設計和零件厚度均影響流動平衡。
圖1
一模十六穴的模具,最常出現的問題內側產品跑得快,外側產品跑得慢,俗稱內圈快外圈慢。內側的產品由于流動性好,容易產生過保壓,尺寸和重量都偏大,外側的產品容易發生保壓不足出現縮痕。如圖1。排除加工的誤差,在模具設計時,所有的流道及澆口尺寸都一樣,流道也排布對稱,流長基本一致,按常理來講,不應該出現流動不平衡的現象。那這種現象是怎么產品的呢?
原來這是流道內熔體溫度在作祟。大家都知道,熔體流道的快慢是由于材料的粘度所決定,而剪切速率是影響粘度的其中一個重要的因素。高分子在流動時各熔體層間總存在一定的速度梯度,細而長的大分子若同時穿過幾個流速不等的液層時,同一個大分子的各個部分就要以不同速度前進,在不同的速度下面,聚合物在流動過程中隨剪切速率或剪切應力的增加,產生較多的熱量,溫度也隨之升高,從而黏度降低。如圖2 。左圖顯示流道在充填過程中溫度的分布情況,在離模具壁較近的區域,由于高的剪切速率,出現比中心層更高的溫度,在流道拐彎的地方,高溫的熔體留在了內側,中心層低溫的熔體跑到了外側,最終造成流動不平衡,從而出現了內圈快外圈慢的現象。
圖2
同時,通過工藝上面的調整也能改善這種流動不平衡的現象,采用適當的注塑工藝,即“兩步注塑法”,通過在同一注射周期中采取從低速切換到高速注射的方式來改善流動平衡的影響,操作起來簡易、廉價、高效。
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