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              氣體輔助注射成型及Moldflow分析要點

                一、前言

                在世界汽車工業,汽車注塑件氣輔成型工藝應用較廣,它包括的加工方法:

                結構發泡成型:利用這種方法可以生產具有良好表皮及發泡內芯的成型制品,具有無縮痕、低內應力、很少翹角、重量輕、高剛度等優點。

                內部氣體注射:氣體被注射進入溶體,用于制造模塑制品的中空部分。優點是無縮痕、重量輕、節省材料、縮短成型周期。

                在汽車工業中,許多塑料零部件(保險杠、儀表盤、消聲器、門把手、發動機蓋、方向盤,擋泥板等)可采用氣輔成型工藝。目前日本、歐美等發達國家的80%汽車注塑件采用氣輔成型工藝技術,而國內氣輔技術的設備和模具基本上是從國外引進,僅局限于小部分部件,如前后保險杠、門把手、坐椅扶手等。

                二、氣輔成型原理

                氣輔成型定義:氣體輔助注射成型是一個在聚合物注射階段結束時通過壓力將惰性氣體引入聚合物熔體流的過程。

                如下示意圖:

                氣體注射可將氣體前方的熔化聚合物型芯推動到模具中尚未填充的部分,并可補償體積收縮率的影響,從而完成周期中的填充和保壓階段,生產出空心零件。過去,注射成型組件的設計是,整個組件中的壁厚保持相對一致。此設計準則有助于避免產生重大瑕疵或缺陷,如縮痕和翹曲。但是,除非零件及其簡單,否則不可能設計出所有部分的厚度均相同的組件。此類壁厚差異將導致零件不同部分的保壓不同,而保壓不同反過來又意味著在整個成型過程中收縮率將會不同,從而又會導致常發生在此類情況下的變形和下沉。

                通過移除熔體中心,氣體注射成型會將保壓作用力(補償收縮率的不同)直接傳遞到那些需要注意的成型區域。這會顯著降低收縮率的差異,從而使下沉幾率也隨之降低。此外,內部應力將保持在最小值,否則便無法顯著減少形變。

                在成型周期中的保壓階段,鎖模壓力通常需要達到最大值。這是因為在聚合物澆口處施加的力可將熔體推入模具型腔的各個末端,以試圖補償固化熔體的體積收縮率。與緊湊的注射成型相比,氣體注射成型通常會由于氣體型芯的存在而顯著縮短固化的熔體需要推進的距離。這意味著達到相同效果所需的保壓壓力將適當降低,而反過來,所需的機器鎖模力也會隨之降低。

                三、氣輔成型的優勢主要表現在以下幾點

                ● 各部分的幾何較厚

                ● 無縮痕

                ● 內部應力降至最低

                ● 減少翹曲

                ● 鎖模壓力較低

                ● 氣體輔助填充+保壓分析的好處

                ● 氣體輔助填充+保壓分析可用于研究零件模型中聚合物和氣體流動行為以及檢查設計修改對聚合物和氣體流動路徑兩者產生的影響

                Moldflow的MidPlane和3D技術可以模擬氣體輔助成型。MidPlane可以做冷卻、流動和翹曲分析。隨著Moldflow本身技術的進步,現在已經可以用3D做流動、冷卻和翹曲分析

                四、氣輔成型Moldflow分析要點

                與為傳統注射成型建模相比,為氣體輔助填充+保壓分析建模更需要注意氣體預計要穿過的區域的網格細節。

                這需要特定的建模和網格劃分技術,氣體輔助工藝的主要目標是在使氣體滲透達到最大程度的同時保證氣體不泄露到型腔壁內,從而不會吹穿到周圍環境中。這需要通過分析準確預測氣體流動路徑及其滲透情況。預測的精確度取決于流動路徑的幾何與網格質量。

                氣體通道通常為較厚的加強筋,表示氣體通過聚合物的首選路徑。如何通過外殼單元或柱體單元為該路徑建模和劃分網格取決于通道的寬度與厚度之比。

                寬度與厚度之比大于 4:1 的氣體通道

                含加強筋的氣體輔助注射成型的零件設計的寬度與厚度之比通常大于 4:1,如下圖所示。

                這些加強筋特征(a)應根據加強筋輪廓建模為厚度值呈階梯狀的區域 (b)。如果要建立階梯狀輪廓的最佳模型,厚度過渡的區域也應建模,如下圖所示。為避免解不穩定,流動求解器會在過渡邊上節點的任一側留出一個單元的距離以使厚度階梯過渡平滑。通過添加過渡區域,可以更好地表示加強筋輪廓。

                在上圖中,下方的兩個圖片呈現的是分析解釋出的幾何。通過為過渡區域 (R) 建模,所定義的幾何形狀將更加精確。

                寬度與厚度之比小于 4:1 的氣體通道

                此處,氣體通道橫截面寬度與厚度(W與T)之比小于4(如下圖所示),應將氣體通道建模為橫截面尺寸合適的“零件柱體”型曲線。柱體更好的說明了通過寬度與厚度之比小于4:1的厚加強筋邊緣的熱傳導效應。此傳導對冷卻和凍結層預測有重要影響,因此是定義氣體滲透路徑的重要因素。

                下圖展現的是應建模為柱體的氣體通道的詳細示例。橫截面不規則的柱體可以指定為“其他”橫截面形狀,直徑和形狀因子可按照關于橫截面形狀和形狀因子中的說明進行計算。

                五、實際氣輔案例分享

                Moldflow 氣輔成型技術在汽車門把手上的應用

                1) 分析目的

                通過Moldflow氣輔成型技術對進氣位置,進氣時間,塑料注入量,延遲時間,氣體保壓曲線等設計和工藝參數的優化,使得設計者對設計心中有數,注塑工程師工藝調節有參考數據,從而減少設計過程的盲目性,降低試模改模次數,減少試模時間。節約成本,產品開發周期縮短。

                2) 產品介紹

                原始的3D模型

                產品尺寸:198.5×68×34.5mm

                橫截面積:27×19mm

                圈示處為氣體進氣位置。

                氣輔分析過程:采取逐步調整的方法優化工藝參數具體包括模具溫度、熔體溫度、塑膠注入量、氣體延遲時間,氣體壓力等希望達到既可保證塑料完全充填,又能夠使氣體有效滲透的目的,優化后的工藝參數如下:

                1. 模具溫度: 70.0 deg.C

                2. 熔體溫度:     295.0 deg.C

                3. 注射時間: 1 sec (大約)

                4. 塑膠注入量:    55%(約110cm^3)

                5. 氣體延遲時間: 0.5 sec (大約)

                6. 氣體保壓壓力設置: 氣體壓力 [MPa]每步的時間[sec]

                2.0 0.000

                2.0 2.000

                1.0 0.000

                1.0 98.000

                7. 初步估算成型周期:117s

                分析結果

                1、氣體充填和保壓時間

                氣體充填和保壓時間,當時間達到約2s時,氣體開始推動塑膠進一步充填并做氣體保壓,左圖顯示氣體經過的路徑,關鍵點在于氣體的壓力和時間。

                2、氣體穿透空間

                綠色區域顯示的是氣體滲透的空間,我們可以確認氣體沒有滲透到產品表面,確認產品的大致厚度,如圖所示:

                3、溫度

                分析顯示當時間約為78s時,產品上大部分區域已經接近或者達到材料的頂出溫度173deg.C,當時間約為117s時,僅有圈示區域仍然處在較高溫度狀態。Moldflow分析剛好反應了氣輔成型這個技術本身的缺陷,因為氣體的本身的熱導率和比熱低。成型周期約117s。

                4、該產品普通注塑成型與氣輔方案對比

                5、結論與建議

                1. 進氣位置合理,能保證氣體順利填充。

                2. 塑料填充量和進氣時間合理,剛好在氣體填充區域合理的情況下充滿整個型腔。

                3. 氣體保壓曲線合理,保證得到最佳的產品厚度,而又不至于氣體滲透到產品表面。

                4. 充填時間大約1.2秒,最大壓力和最大鎖模力均在提供的成型機規格范圍內。

                5. 料流前鋒溫度高且均勻。

                6. 請確認在主要的困氣位置已經做了排氣設計。

                7. 成型周期約為117s。

                六、小結

                通過Moldflow氣輔分析,設計工程師可優化產品設計并確定出聚合物和氣體注射點的精確位置。并且利用Moldflow氣體注射成型工藝的完整功能還可以確保產品外觀、尺寸得到保證,減少產品修改,縮短產品開發周期。

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