搜索CAE在塑料光學零件注射成型中的應用
2013-06-22 by:廣州有限元分析、培訓中心-1CAE.COM 來源:仿真在線
目前光學塑料非球面零件在各種光電儀器中的應用越來越普遍。針對在注射成型光學塑料零件時對質量的特殊要求,本文介紹了利用注射成型CAE(computer aidedengineering)軟件Moldflow,通過對塑料填充過程、保壓過程和冷卻過程的模擬分析,對在成型中各工藝參數和模具結構影響光學塑料零件的殘余應力和收縮率等最終質量問題進行了研究。從工藝參數的選取和模具結構設計等方面,提出了如何改善成型光學塑料零件質量的措施,給出了模具面形成型前補償的方法。通過采用最大實體原則,利用Moldflow分析結果進行模具面形補償最優化計算。
隨著近代光學和光電子技術的飛速發展,光電儀器以及構成這些光電儀器的零件發生了深刻而巨大的變化。由于模具材料、模具制造技術和精密模壓工藝的發展,所以可以采用模壓技術加工精密光學塑料零件,特別是非球面光學零件、透鏡陣列和其它一些難以加工的特殊形狀的零件。精密模壓成型技術適于大批量生產,成本較低,它適宜制造各種復雜形狀的光學零件。雖然塑料光學零件耐熱性差、線膨脹系數大、雙折射大等,但它卻具有制造成本低、易于制造復雜形狀及非球面、重量輕、抗沖擊性能好等優點。隨著成型技術、新型塑料材料、鍍膜技術的發展,光學塑料零件的應用越來越廣泛。
目前,國外各種光學塑料零件加工工藝已經比較成熟,可以經濟地加工高精度的光學塑料零件。相比之下,國內仍采用傳統的工藝進行加工,加工的零件也以玻璃產品為主,光學塑料的制造和應用還比較少。由于計算機硬件及CAE(computer aidedengineering)軟件的發展,所以可以利用軟件來提高光學塑料零件的成型質量并且縮短開發周期。
二、光學塑料零件注射成型的特點
工程塑料零件成型的精度一般在0 1~0 01mm級,而光學塑料零件成型的精度則在微米級,其面形精度在波長級,如在CD讀寫頭中的塑料非球面透鏡的形狀精度要求在0 1μm以內。光學塑料成型的任何內部和外部缺陷都是不允許的,例如熔接線在普通的塑料成型中只是降低了此處的機械強度,而在光學塑料零件中,熔接線直接影響光學性能,象氣孔等內部缺陷對工程塑料的應用影響并不大,而在光學塑料零件中,則是嚴重的缺陷。
熱塑性塑料最常用的成型方法是注射成型法和注射壓縮成型法。注射壓縮成型法得到的產品面形精度最高,產品的面形幾乎可以和模具的面形完全一樣。但由于注射壓縮成型設備比普通注塑機貴得多,在我國使用得還不廣泛,大多數廠家只有普通的注塑機,所以如何用普通的注射成型法生產高精度的光學塑料零件有著很重要的現實意義。
三、CAE在注射成型中的作用
目前,我國的注塑模具設計和注塑工藝的處理還主要依靠經驗。模具加工出來后進行試模,如果產品不合格,再進行修模或改進注塑工藝,這樣可能需要反復多次,不僅造成模具設計周期延長、模具費用和生產成本提高,更重要的是即使最有經驗的設計人員也不可能把各種因素都非常準確地考慮進去,從而使模具設計質量不高,不能模塑出高質量的產品。利用CAE技術可以設計出高質量的模具,給出最佳的工藝參數,減少試模和修模次數,這將大大縮短設計周期,降低成本。
簡單地說,CAE就是在計算機上對產品進行模擬分析,以此來代替試制和試驗。塑料注射成型的CAE主要是對塑料的流動狀態、壓力分布、冷卻過程等進行模擬分析。CAE能模擬塑料注塑零件的工藝條件,以獲得最佳的模具結構和工藝參數,預測制品的幾何尺寸、微觀結構以及其最終性能。采用CAE技術,可以使工程技術人員通過對塑料融料在型腔內的流動、保壓及冷卻進行全面的分析,以此來改進模具的澆注系統、冷卻系統,調整成型工藝條件,可以預測填充的剪切應力、熔接線等,提高試模的一次成功率,提高產品質量和生產率。
MoldFlow注塑CAE軟件是澳大利亞Moldflow公司開發的,對熱塑性塑料熔體進入模具的流動過程的模擬分析是非常成功的,特別是在復雜情況下的分析,是世界公認的注塑CAE工業標準,它精確高效的模擬注塑工藝全過程,能使生產廠家實現高質量、低成本、短周期的目標。現在,在世界上已得到了廣泛的應用,有許多公司應用MoldFlow來改善其產品質量,縮短開發周期。
對于采用普通注射成型法制造光學塑料透鏡來說,由于透鏡的厚度較厚,且厚度變化大,收縮系數變化大,所以很難憑經驗預測模具結構和工藝參數對制品質量的影響。對于光學塑料零件來說,CAE有更大的作用,使得能夠利用普通的注塑機生產較高質量的光學塑料零件。
四、工藝參數的優化
在塑料注射成型過程中,工藝參數很多,對收縮及殘余應力影響較大的主要有:注射壓力、注射溫度、填充速度及速度曲線類型、保壓壓力大小及時間、保壓壓力曲線類型、模具溫度以及冷卻系統的溫度等。
由于在注射過程中過大的剪切應力會導致過大的殘余應力,并可能引起塑料的分解等缺陷;又由于塑件的收縮直接影響幾何尺寸和面形,所以在注射過程中的剪切應力應當控制在合理的范圍內,并且盡量減小塑件的收縮。
由于澆道系統及各部位幾何形狀不同,不同部位對充模熔體的流動(速度、壓力)提出不同的要求,否則就要影響熔體在這一部位的流變性能或高分子的結晶定向作用,以及制品的表面質量,所以這就要求采用多級注射工藝。填充速度曲線類型如圖1所示。
圖1 填充速度曲線類型
圖2 填充速度曲線類型對剪切應力的影響
由圖2可以看出,填充速度曲線(A)和曲線(B)的剪切應力差別極小,而填充速度曲線(C)比曲線(B)和曲線(A)的剪切應力小得多,這是因為在填充的最后階段,邊緣的厚度較薄,如果還以高的填充速度注射,必然產生較大的剪切應力。填充速度曲線(C)在注射結束階段降低了速度,這樣既可以減低剪切應力,又可以避免產生溢邊的現象。所以在注射過程中,應當采用多級注射。
通過模擬分析和理論分析可知,填充速度越大剪切應力越大,所以填充速度不宜過大,且過大的填充速度可能引起噴射等缺陷。模具溫度等參數對剪切應力的影響較小。
保壓流動和充模時的壓實流動都是在高壓下的熔體致密流動。這時的流動特點是熔體流速很小,不起主導作用,而壓力卻是影響過程的主導因素。在保壓階段,模內壓力和比容不斷變化。產生保壓流動的原因是因為型腔壁附近的熔體受冷卻后收縮,熔體比容發生變化,在流入口凝固前,熔體在注射壓力作用下繼續向型腔補充熔體,產生保壓流動。保壓壓力曲線類型如圖3所示。
圖3
從模擬分析中可以得出對塑件收縮影響最顯著的因素是:保壓壓力大小、保壓壓力曲線、保壓時間,而其它因素的影響較小。收縮率隨著保壓壓力的增大而減小。
保壓壓力曲線類型對塑件收縮影響如圖4所示。
圖4 保壓壓力曲線類型對塑件體積收縮的影響
在圖4中,曲線(A)是常壓方式,它不僅一直以較高的壓力補充熔體,又可以使塑件在澆口凝固時產生高的“封口壓力”,根據PVT方程得,封口壓力越高則收縮率越小。而曲線(B)由于從開始就隨時間下降,所以保壓效果不如曲線(A)。曲線C的保壓效果和曲線(A)相近,這種方式比較合理,因為可以使塑件在較高的壓力下凝固,減小了塑件的收縮。而在澆道系統凝固后,再施加保壓壓力已經不能傳遞到型腔內,這時的保壓已經沒有作用,而只能使能量白白地浪費。最合理的保壓方式應該選擇曲線(C),既可以減少收縮,又可以避免過保壓,并且能夠節約能量。
根據模擬分析所選擇的最佳工藝參數的剪切應力和體積收縮如圖5和圖6所示。
圖5 最佳參數時的剪切應力
圖6 最佳參數時的收縮率
五、模具面形的補償
模具面形補償有兩種方法:成型后測量變形的補償方法和成型前預測變形的補償方法。
目前普遍采用的模具面形補償方法是成型后測量變形的補償方法,這一方法中的評價技術、補償技術以及連續成型的穩定性是決定性因素,其過程如下:用形狀和設計值接近的模具進行實際的成型,評價在最合適的工藝條件下成型的模壓零件,并與模具形狀相比較,計算模具的補償量,修正模具面形,再進行成型,直到成型的零件合格為止。
對于透鏡來說,形狀誤差不僅僅是由于樹脂收縮而造成的,彎曲和脫模時的變形也起重要的作用。由于塑料的成型是一個復雜的過程,成型品各個部位的變形及收縮是不同的,隨成型品的形狀和工藝條件的變化而不同。這就決定了補償過程是一個費用高、時間長的反復過程。
另一種對模具面形的補償方法是成型前預測變形的補償方法,它是根據CAE軟件對復雜的零件模擬分析,不用制造模具就可以確定零件各部位的收縮率及變形,然后修改模具面形的幾何尺寸,再進行模擬分析,使得可以加工出滿足要求的零件形狀。這種方法節約了模具的制造試制費用,縮短模具開發時間,提高了塑件成型的精度。
因為在模具加工完后進行試模,模具可能不完全合適,還需要修模,所以在一般模具制造中,把型腔做的稍微小一些,以便在修模的過程中模具可以直接在模具上加工,否則如果模具型腔太大,則需要對模具進行補焊或鍍膜,這將大大增加加工的難度和成本。
在進行模具面形補償時,為了便于模具的修模,補償的面形應當使模具的型腔也小一些,即模具型腔保持最大的實體,如圖7所示。在圖7中,曲面A為補償后的模具面形,曲面B為根據計算機模擬分析的結果或所要求的模具面形,用此模具面形在設定的工藝條件下可以產生所設計的透鏡形狀。但是由于直接加工曲面B是不可能的,所以要用可加工的曲面來近似,這可以選用球面或回轉非球面。所以在曲面擬合時使負誤差比正誤差小,使負誤差與正誤差的比值為一個小數,用此條件作為優化函數的約束條件。在此約束條件下使補償的面形與模擬分析所要求的面形的誤差加權平方和最小,求得此時的面形參數,這樣就有利于模具的修復。
圖7 模具球面的補償
A-補償的面形
B-要求的面積
光學透鏡的面形是對稱旋轉曲面,為了便于加工,模具的面形選用旋轉曲面。高精度的型腔面形可以采用單點金剛石加工的方法,它的加工精度很高,可以直接加工出高精度非球面的面形。設模具補償的面形方程為Z=φ(x,y)。如果根據計算機模擬的結果計算的理想模具面形為Z=Φ(x,y),則補償曲面與理想模具面形的誤差為ΔZ=φ(x,y)-Φ(x,y)。
根據最大實體原則得到:
其目標函數為
約束條件為F-(X)=ηF (X),η為一個正小數,即h(X)=ηF (X)-F-(X)=0
利用罰函數法求函數F(X)的最優解X ,就得到了模具面形曲面方程的參數。根據以上的目標函數和優化方法,可以求得模具面形,使它成型出的零件最終尺寸接近零件面形幾何尺寸的要求。
六、結論
本文介紹了利用先進的塑料模擬分析軟件Moldflow對光學塑料透鏡進行了模擬分析,可以對各種工藝參數進行優化以取得最佳的成型結果。采用優化技術等計算方法在成型前對其進行了模具型腔的面型補償。采用成型前補償模具的方法可以大大減少模具的試模和修模次數,能夠提高成型的面型精度,這將減少開發費用、開發時間,并提高了制品的質量。
相關標簽搜索：CAE在塑料光學零件注射成型中的應用 Fluent、CFX流體分析 HFSS電磁分析 Ansys培訓 Abaqus培訓 Autoform培訓 有限元培訓 Solidworks培訓 UG模具培訓 PROE培訓 運動仿真
