韓 云，林有希

（1.中能電氣股份有限公司，福建省福州市 350301；2.福州大學(xué)，福建省福州市 350108）

微孔注塑成型過程的Moldfow模擬仿真

韓 云，林有希

（1.中能電氣股份有限公司，福建省福州市 350301；2.福州大學(xué)，福建省福州市 350108）

針對微孔注塑成型對塑料制品的影響和出現(xiàn)的問題，從仿真分析入手對制品成型特點進(jìn)行分析和解釋。采用Moldflow仿真分析軟件對制品——電腦上蓋進(jìn)行微孔發(fā)泡成型過程的仿真模擬分析。在已有研究的基礎(chǔ)上，模擬分析各種因素對微孔發(fā)泡成型過程的影響，并解釋各因素對泡沫制品產(chǎn)生的影響。分析論證了發(fā)泡劑、剪切應(yīng)力、摩擦能等對氣泡成核的作用是真實存在的，它們共同對微發(fā)泡注塑成型的過程產(chǎn)生作用，以達(dá)到發(fā)泡成型的目的。同時，給研發(fā)人員提供更優(yōu)化的工藝參數(shù)設(shè)置方案，以縮短制品的研發(fā)周期。

丙烯腈-丁二烯-苯乙烯共聚物 微孔注塑 Moldflow軟件 模擬仿真 殘余應(yīng)力

隨著現(xiàn)代工業(yè)技術(shù)的快速發(fā)展，塑料制品占據(jù)了重要地位，特別是微孔泡沫材料；但微孔注塑成型是比較復(fù)雜的加工過程，微孔注塑模具的設(shè)計與制造以及注塑成型過程分析是量大而復(fù)雜的任務(wù)，單純依靠設(shè)計人員的經(jīng)驗和模具工人的手藝很難保證微孔注塑制品的高精度要求。

現(xiàn)代計算機技術(shù)的迅猛發(fā)展給工業(yè)技術(shù)的發(fā)展提供了便利，可以很好地提高生產(chǎn)效率并且節(jié)約材料。其中，計算機輔助設(shè)計（CAD）和計算機輔助工程技術(shù)的出現(xiàn)徹底改變了微孔注塑成型過程的分析方法，顯著提高了微孔注塑成型過程仿真分析的效率和塑料制品質(zhì)量。針對實際生產(chǎn)過程中出現(xiàn)的各種影響因素和最終制品出現(xiàn)的“三明治”結(jié)構(gòu)等問題（見圖1），通過Moldflow軟件的模擬仿真分析［1］，解釋了各因素的影響作用和泡孔結(jié)構(gòu)產(chǎn)生分層的原因等，希望能對實際工業(yè)生產(chǎn)與制造提供指導(dǎo)作用。本工作以一款電腦上蓋的流動模擬分析為例，研究了泡沫塑料制品出現(xiàn)的問題。

1 模型建立

要建立一個工程項目并進(jìn)行仿真分析，首先要建立制品的CAD三維模型［2］。制品的三維幾何模型是使用專業(yè)設(shè)計軟件（Pro/E三維軟件）繪制的，其外形為380 mm×250 mm×8 mm的長方體，平均壁厚為2 mm（見圖2a）。電腦上蓋三維幾何模型見圖2b。使用Pro/E三維軟件中的相關(guān)命令將繪制好的制品模型轉(zhuǎn)換成模流分析軟件能導(dǎo)入的光固化立體造型格式文件，導(dǎo)入Moldflow軟件中，通過軟件中的前處理模塊、分析模塊和后處理模塊對模型進(jìn)行仿真模擬分析。

圖1 微孔泡沫塑料制品的掃描電子顯微鏡照片（×100）Fig.1 SEM photos of microcellular plastic products

圖2 電腦上蓋實體及其三維模型Fig.2 Physical body and 3D model of computer cover

2 網(wǎng)格劃分

精確的網(wǎng)格劃分需要一定的工程分析經(jīng)驗，Moldflow軟件中首先使用自適應(yīng)功能進(jìn)行劃分網(wǎng)格，再根據(jù)經(jīng)驗進(jìn)行改正，使劃分完成后的網(wǎng)格滿足要求，才能保證更準(zhǔn)確地劃分網(wǎng)格，實現(xiàn)模型分析結(jié)果的正確性。自適應(yīng)劃分完成的網(wǎng)格并不能滿足要求，所以需要改正網(wǎng)格中的不合理部分，利用Moldflow軟件中豐富的網(wǎng)格處理功能，對于自適應(yīng)網(wǎng)格中不合理的部分進(jìn)行自我診斷，后續(xù)手動修改處理，最后完成模型網(wǎng)格的劃分，實現(xiàn)準(zhǔn)確的仿真分析。圖3為修復(fù)后的網(wǎng)格劃分，表1為修復(fù)后的網(wǎng)格統(tǒng)計，其中，模型匹配率為97.0%，遠(yuǎn)大于軟件要求的85.0%，這些都是仿真分析結(jié)論準(zhǔn)確性和實用性的必要前提條件［3-4］。

圖3 修復(fù)后的網(wǎng)格劃分Fig.3 Meshing after restoration

3 成型工藝及材料選擇

制品模型完成網(wǎng)格劃分后，下一步要確定制品的理論澆口位置，設(shè)置成型工藝為微發(fā)泡注射成型，再根據(jù)本工作的研究目的、分析要求及準(zhǔn)確性，設(shè)置項目進(jìn)程為“填充+保壓”來作為模型分析的步驟。

由于要與實驗相對應(yīng)，以便可相互驗證，故注塑制品的原料是臺灣奇美實業(yè)公司生產(chǎn)的牌號為Polylac PA-757的丙烯腈-丁二烯-苯乙烯共聚物（ABS）工程塑料。

表1 網(wǎng)格統(tǒng)計Tab.1 Mesh statistics

4 澆口確定

本工作選用的注塑制品——電腦上蓋比較簡單，只需要采用單澆口就可以滿足要求。模擬制品直接使用前文分析出的理論澆口位置來進(jìn)行仿真分析［5］。采用軟件默認(rèn)的成型工藝參數(shù)值，根據(jù)前處理結(jié)果，可知制品的幾何中心點就是最佳澆口位置。從圖4看出：澆口匹配性和流動阻力都小于等于1（圖中紅色為等于1，其余顏色小于1），本模型的澆口位置選擇滿足此次仿真分析的要求。

圖4 最終澆口位置、澆口匹配性和流動阻力指示器Fig.4 Final gate location，gate matching and flow resistance indicator

5 微孔發(fā)泡成型過程的仿真分析

對制品模型進(jìn)行前置處理，采用微發(fā)泡注射成型工藝，再根據(jù)實際問題點確定工藝參數(shù)（包括模具溫度、熔體溫度、注射速率、冷卻時間、初始?xì)怏w濃度等，見表2），進(jìn)行仿真分析，整個計算過程由Moldflow軟件的Moldflow Plasyic Insight(MPI)系統(tǒng)自動完成。然后根據(jù)實際中出現(xiàn)的問題，進(jìn)行查看相關(guān)分析內(nèi)容，并能查看分析結(jié)果的實時數(shù)據(jù)圖解，軟件項目中包含各種影響注塑成型的因素。本工作只對相關(guān)的部分作介紹［6］。

表2 工藝參數(shù)設(shè)置Tab.2 Process parameter settings

為使模擬仿真的結(jié)果更準(zhǔn)確，在注塑制品模型的右對角線上選取五個不同實體節(jié)點提取分析結(jié)果，從澆口到最遠(yuǎn)端分別為T2726號實體、T2458號實體、T2728號實體、T2186號實體和T164號實體（見圖5）。其中，T2726號實體節(jié)點在澆口位置，在整個注塑過程中處于高溫熔體中的時間最久，主要受熱力學(xué)因素影響；T164號實體在制品的頂端位置，主要受動態(tài)因素影響，中間的實體節(jié)點為對照點，據(jù)此找到影響氣泡成核的各種因素的作用機理。

5.1 填充時間

圖5 實體節(jié)點的選取Fig 5 Selection of entity node

圖6 充模時間Fig.6 Filling time

分析超臨界流體對ABS熔體的稀釋和增塑作用，在其他工藝參數(shù)不變的情況下，設(shè)置N2初始體積分?jǐn)?shù)分別為0.4%，0.6%，0.8%，1.0%，然后查看制品的填充時間。

通過命令設(shè)置查看填充時間的等值線圖或動態(tài)結(jié)果圖，它能反映出熔體從開始填充到完成的全過程，可查看熔體填充到制品任意一處的時間。熔體填充質(zhì)量的好壞主要從兩個分析結(jié)果圖中進(jìn)行判斷，一個是制品模腔中各位置是否具有相同的填充時間，另一個是在ABS熔體填充過程中的流動是否平衡。從圖6a看出：熔體充模完成后，在4個頂點的最大時間差只有0.016 0 s，從圖6b看出：分布均勻的同心圓，反映出熔體填充流動平衡。因此，本次模擬分析的填充效果很好。

從圖7看出：當(dāng)超臨界流體N2的體積分?jǐn)?shù)從0.4%增至1.0%時，制品的充模時間也由1.871 0 s降至1.850 0 s。熔體充模時間的降低間接證明了在超臨界流體含量不斷增加時，由于超臨界流體N2的加入使ABS熔體的黏度降低，熔體的流動性提高，ABS熔體的充模速度更快。所以，在發(fā)泡成型過程中，ABS熔體中加入的超臨界流體N2起到良好的增塑作用，降低熔體黏度，提高熔體流動性，進(jìn)一步改善ABS的注塑特性，提高微孔注塑成型的可能性。

圖7 N2體積分?jǐn)?shù)不同時填充時間模擬的結(jié)果Fig.7 Simulation results of filling time in different volume fraction of N2

5.2 螺桿速率分析

為了保證熔體均勻的流動速率，選取分析結(jié)果推薦的注射速率為實際注射速率。在實際工作中以此注射速率進(jìn)行指導(dǎo)，同時作為車間生產(chǎn)工藝參數(shù)修改的有效依據(jù)，有效地改善制品的充模穩(wěn)定性，提升制品整體質(zhì)量。該螺桿推薦速率方便工人調(diào)試制品參數(shù)，很好地提高制品試模效率，增加制品的生產(chǎn)效率，并可以使制品達(dá)到理想中的質(zhì)量狀態(tài)。從圖8看出：螺桿速率先增大后減小，中間有一個緩慢區(qū)域是保壓階段。

5.3 熔體取向和殘余應(yīng)力分析

充模完成后，制品芯部的ABS熔體取向和充模流道方向成一定夾角（見圖9a），而表層的熔體取向平行于流道方向（見圖9b）。微孔注塑制品的泡孔結(jié)構(gòu)和力學(xué)性能主要受熔體取向的影響，在實際生產(chǎn)中就會出現(xiàn)制品泡孔的取向問題。

圖8 推薦的螺桿速率Fig.8 Recommended screw speed

圖9 芯部和表層的熔體取向Fig.9 Melt orientation of core and surface

從圖10可看出：殘余應(yīng)力在熔體芯部最小，由內(nèi)而外殘余應(yīng)力逐漸增大，在制品表層處出現(xiàn)波動；在N2體積分?jǐn)?shù)相同的條件下，5個實體點在遠(yuǎn)離中心方向上的殘余應(yīng)力依次增大；當(dāng)N2體積分?jǐn)?shù)增大時，同一實體點的殘余應(yīng)力相應(yīng)減小，特別是在澆口附近的殘余應(yīng)力降幅最大，殘余應(yīng)力從表面到芯部逐漸減小并趨于平穩(wěn)。間接證明了超臨界流體N2的增塑作用，提高了熔體流動性能，同時減小了出現(xiàn)應(yīng)力集中可能，能更好地實行微孔注塑成型。

結(jié)合氣泡的形態(tài)進(jìn)行分析，從圖10還可看出：由于流道和芯部取向成一定夾角，熔體受到較小剪切力，充模后的殘余應(yīng)力也很小，所以芯部出現(xiàn)較大的氣泡，且呈圓球形；泡孔無取向現(xiàn)象；而流道與表層取向平行，熔體受到較大的剪切力，充模后殘余較大的應(yīng)力，此時氣泡在殘余應(yīng)力和剪切應(yīng)力的作用下出現(xiàn)取向行為。5.4 泡孔半徑分析

圖10 N2體積分?jǐn)?shù)不同時制品模型上具有代表性的五個點的熔體殘余應(yīng)力Fig.10 Residual stress of five typical points on product model in different volume fraction of N2

圖11 泡孔半徑與標(biāo)準(zhǔn)厚度和N2含量的關(guān)系Fig.11 Bubble radius as a function of standard thickness and N2content

眾多因素影響微孔發(fā)泡成型過程中泡孔半徑，本工作僅就制品標(biāo)準(zhǔn)厚度、N2含量和注射速率等進(jìn)行分析。從圖11a看出：泡孔半徑隨標(biāo)準(zhǔn)厚度變大而減小，且離澆口越遠(yuǎn)的位置泡孔半徑變小越快。由文獻(xiàn)［6］可知，由于內(nèi)摩擦力對表層的熔體影響較大，同時氣泡成核受摩擦能影響也大，氣泡較均勻，密度大，在同等氣體含量時相應(yīng)的泡孔半徑較小，遠(yuǎn)離澆口位置受到的熱力學(xué)影響越小，這時摩擦能的貢獻(xiàn)作用越明顯，但在熔體表面也會因為內(nèi)摩擦力過大而引起泡孔取向明顯；芯部的熔體不受內(nèi)摩擦力影響，摩擦能基本為零，此時氣泡只受熱力學(xué)影響，氣泡核在熱力學(xué)作用下成長定型，則芯部泡孔較大，呈球狀。從圖11b看出：泡孔半徑隨著ABS熔體中超臨界流體N2（發(fā)泡劑）含量的增加而增大，且這種增大趨勢離澆口越遠(yuǎn)越明顯。在芯部，泡孔半徑達(dá)到一定值后已不再隨N2含量的增加而改變，這時熔體中N2含量對氣泡成核的作用已達(dá)極限；但遠(yuǎn)離澆口位置的部位受N2含量的影響較大。這說明在其他條件一定時，熱力學(xué)的成核理論對這種現(xiàn)象的解釋已不能滿足實際情況，這時摩擦能在其中起到關(guān)鍵作用。

從圖12看出：注射速率越大，泡孔半徑越大，而在熔體芯部則沒有這種變化趨勢。這是由于在熔體芯部附近，熔體不受內(nèi)摩擦力影響，即沒有摩擦能作用在熔體上，氣泡在熱力學(xué)作用下成核、長大。注射速率對邊緣位置的泡孔半徑影響相對較大，這是由于熔體內(nèi)摩擦力做功產(chǎn)生的摩擦能對氣泡成核的影響，所以在邊緣位置影響更加明顯。

圖12 泡孔半徑與注射速率的關(guān)系Fig.12 Bubble radius as a function of injection rate

由以上分析可知，摩擦能對氣泡成核具有積極的作用，在其成核能量不足時，為其提供一定的熱能量，有效地促進(jìn)了氣泡成核的產(chǎn)生，氣泡成核中摩擦能是真實存在的。

6 結(jié)論

a）利用Moldflow對微孔注塑成型的填充、流動和冷卻等進(jìn)行仿真分析，得到微孔注塑成型過程中各因素對最終泡沫制品的影響，也可以更快、更便捷地為生產(chǎn)找出缺陷產(chǎn)生的原因，最終為生產(chǎn)優(yōu)質(zhì)的微孔塑料制品提供專業(yè)的指導(dǎo)。

b）注射速率等因素引起的摩擦能對氣泡的成核行為起著強化作用，促進(jìn)氣泡成核，進(jìn)而長大，同時促使泡孔分散的更加均勻。有利于制品的注塑成型。

c）制品的氣泡形狀在剪切應(yīng)力的方向具有取向現(xiàn)象，且部分氣泡發(fā)生破裂，這將影響制品質(zhì)量，因此，注射速率要控制在可控范圍內(nèi)。

[1] 劉瓊. 塑料注射Moldflow實用教程［M］. 北京：機械工業(yè)出版社，2008：118-135.

[2] 王衛(wèi)兵. Moldflow中文版注塑流動分析案例導(dǎo)航視頻教程［M］. 北京：清華大學(xué)出版社，2008： 36-98.

[3] 高軍，李熹平，高田玉，等. 注塑成型工藝分析及模具設(shè)計指導(dǎo)［M］. 北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2009： 50-108.

[4] 劉朝福，劉建偉，何玉林. 基于正交試驗的PP車門內(nèi)飾板注塑工藝參數(shù)優(yōu)化［J］. 合成樹脂及塑料，2015，32（1）：50-53.

[5] Shih-Jung L，Jer-Haur C. Application of the taguchi method to optimize the surface quality of gas assist injection molded composites［J］. Journal of Reinforced Plastics and Composites，2000，19（17）：1352-1363.

[6] 韓云. 聚合物微孔發(fā)泡成型過程的內(nèi)摩擦行為研究［D］. 福州：福州大學(xué)，2013.

Moldfow simulation for microcellular injection molding process

Han Yun， Lin Youxi
（1. CEE Installations Co.，Ltd.，F(xiàn)uzhou 350301，China；2. Fuzhou University，F(xiàn)uzhou 350108，China）

The characteristics of products of microcellular injection molding were analyzed by simulation in terms of effects and emerging issues of the process on the products. Moldflow software was used to simulate the manufacturing process of the product， the computer cover. The factors contributing to the process were simulated and analyzed based on previous studies along with those on the foam product. Analysis show that the impact of the blowing agent， shear stress and friction on the bubble nucleation exist， which play important roles in injection molding process. The optimization for the process parameters is offered to shorten the research and development period.

acrylonitrile-butadiene-styrene copolymer； microcellular injection molding； Moldflow；simulation； residual stress

TQ 328

B

1002-1396（2017）01-0060-06

2016-07-30；

2016-10-29。

韓云，男，1989年生，碩士，2013年畢業(yè)于福州大學(xué)機械制造及其自動化專業(yè)，現(xiàn)在從事高低壓電器研發(fā)工作。E-mail：hanyun8925@126.com；聯(lián)系電話：15750843575。

福建省科技計劃重點項目（2012H0024）。