注塑成型模擬的新維數(shù)

注塑成型模擬的新維數(shù)作者：現(xiàn)代塑料 來(lái)源：PT現(xiàn)代塑料歐洲與亞洲的兩家仿真軟件供應(yīng)商認(rèn)為3D注塑成型分析是解決大量注塑制品的最好方法，但是一些著名的美國(guó)供應(yīng)商卻不以為然。不管怎樣，3D模擬和標(biāo)準(zhǔn)的2.5D模擬的能力都在迅速擴(kuò)張。過(guò)去幾年里，用于厚壁復(fù)雜制件的3D流動(dòng)模擬和用于薄壁制件的傳統(tǒng)2.5D中型面分析均取得了創(chuàng)造性的進(jìn)展?，F(xiàn)在，模塑商有更多可供選擇的工具軟件，用于預(yù)測(cè)厚壁制件的注塑流動(dòng)、冷卻、纖維取向、收縮和翹曲。幾家知名軟件供應(yīng)商如Moldflow公司和Plastics&Computer公司，已經(jīng)開(kāi)發(fā)出了3D和2.5D兩種分析技術(shù)軟件的新版本和增強(qiáng)版，但是它們也遇到了新的競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手，如臺(tái)灣的Moldex3D和德國(guó)的Sigmasoft，這些軟件幾乎都無(wú)一例外地專注于3D領(lǐng)域。3D分析正在首次被應(yīng)用到共注塑成型、多次注射成型、氣體輔助成型、組合模腔成型和疊模成型。新的仿真軟件分析三維的纖維取向和翹曲，3D技術(shù)在此非常重要。因?yàn)?.5D只能表明纖維在一個(gè)平面上的取向，而3D可以表明纖維在各個(gè)角度的取向。據(jù)稱在模擬冷卻管路、模內(nèi)鑲件或者模腔金屬組成的效果方面，新3D軟件也比2.5D的應(yīng)用好。然而，2.5D軟件仍然是迄今為止的主導(dǎo)模擬技術(shù)，近期又推出了用于微孔發(fā)泡（Trexel公司的MuCell工藝）和雙動(dòng)滑閥式澆口（Synventive公司的Dynamic Feed）的版本?，F(xiàn)在，簡(jiǎn)單、低成本的2.5D分析軟件已經(jīng)補(bǔ)充了冷卻和翹曲分析功能。為什么是3D？供應(yīng)商認(rèn)為3D模擬日益引起關(guān)注的原因有幾個(gè)。過(guò)去五年里，許多公司一直在開(kāi)發(fā)挑戰(zhàn)設(shè)計(jì)極限的制件，這些制件也在考驗(yàn)舊仿真軟件的能力，2.5D是一種歷經(jīng)反復(fù)試驗(yàn)的技術(shù)，已經(jīng)應(yīng)用了20年。但是對(duì)于大型、厚壁制件，尤其是復(fù)雜、薄壁制件的模擬效果不好。而使用3D模擬可以分析從螺絲刀把手到小接插件等各種制件。最近，大多數(shù)塑料制件都開(kāi)始用3D實(shí)體模型進(jìn)行分析。3D模擬才剛剛起步，許多公司用3D CAD設(shè)計(jì)制件，需要開(kāi)發(fā)的是3D在模擬和分析中的應(yīng)用。”現(xiàn)在，有更多功能強(qiáng)大的計(jì)算機(jī)可以比以往更加快速地產(chǎn)生模型和處理分析。這一點(diǎn)對(duì)于3D模擬十分重要，因?yàn)閷?shí)體模型比2.5模擬的信息“密集”。如今的雙處理器計(jì)算機(jī)可以將模型的產(chǎn)生時(shí)間和解讀時(shí)間縮短40%60%。隨著64位處理器逐漸替代當(dāng)前的32位芯片，預(yù)計(jì)還將會(huì)在性能上有相似的飛躍。把強(qiáng)大的計(jì)算機(jī)功能應(yīng)用到復(fù)雜模擬中，使用基于Linux的多處理器服務(wù)器，可以提高整個(gè)過(guò)程的經(jīng)濟(jì)性。在Moldex3D Linux Cluster的輔助下，分析計(jì)算時(shí)間不再是個(gè)問(wèn)題。計(jì)算機(jī)嚴(yán)格地用于構(gòu)筑模型和審查結(jié)果，Linux系統(tǒng)用于數(shù)字解讀。這樣的配置可以迅速處理一個(gè)幾百萬(wàn)網(wǎng)格的模型，因此3D模擬的分析處理時(shí)間將接近2.5D模擬的時(shí)間。表面或?qū)嶓w模型Plastics&Computer公司的總裁Giorgio Bertacchi說(shuō)，選擇傳統(tǒng)的2.5D軟件還是新型的3D軟件取決于制件的幾何結(jié)構(gòu)、復(fù)雜程度、材質(zhì)以及用戶想得到的模擬數(shù)據(jù)的類型。通常情況下，傳統(tǒng)的2.5D中型面模型的最佳應(yīng)用是分析時(shí)間較短的薄壁制品。復(fù)雜程度高、厚壁或者壁厚薄變化大的制品最好使用3D分析，盡管建模的時(shí)間會(huì)較長(zhǎng)。模塑工藝的類型（如氣輔、共注射、過(guò)量模塑、重?；蚪M合模腔）也影響選擇結(jié)果，因?yàn)槟壳斑@些工藝的專用模型主要以2.5D 軟件為基礎(chǔ)，3D版本尚處于開(kāi)發(fā)階段或剛剛出現(xiàn)在市場(chǎng)上。然而換個(gè)角度講， 3D分析提供的信息是2.5D 所無(wú)法比擬的，像湍流與層流的辨識(shí)，熔融物料中的氣泡，噴射和重力的影響等。3D模擬還可以了解模具本身的情況。在2.5D 模擬中，在模具中嵌入一個(gè)鑲件后，你需要生成一個(gè)網(wǎng)格，然后計(jì)算熱量是怎樣穿過(guò)這個(gè)鑲件的。但是在3D模擬中，當(dāng)你進(jìn)入模型，就可以觀察到溫度變化。盡管有些應(yīng)用完全使用2.5D 模擬，但是現(xiàn)在更多的制件可以用3D模擬。如果對(duì)一個(gè)長(zhǎng)3ft，寬4ft、厚0.1in的汽車儀表盤生成網(wǎng)格，用標(biāo)準(zhǔn)的四面體元做 3D模擬將是不現(xiàn)實(shí)的，因?yàn)樾枰娜S元數(shù)太多。這是制件的中型面網(wǎng)格。但是，使用Moldex3D的新型復(fù)合棱柱形網(wǎng)格，就可以對(duì)制件做三維分析。”這種獨(dú)特的復(fù)合網(wǎng)格可以在同一個(gè)模型中組合不同大小和形狀的三維元，大幅度減少制件的三維元的數(shù)量。對(duì)于較簡(jiǎn)單的制品，3D模擬比2.5D 模擬的分析時(shí)間長(zhǎng)得多。Moldflow等供應(yīng)商開(kāi)發(fā)了類似MPI/Fusion這樣的產(chǎn)品，允許用戶直接分析三維實(shí)體CAD模型，而不需要先人工抽象出一個(gè)中型面。從制品的三維CAD實(shí)體模型到中型面模型總有一個(gè)權(quán)衡取舍問(wèn)題。沒(méi)有一種程序能夠自動(dòng)地對(duì)各種幾何結(jié)構(gòu)的制品生成一個(gè)準(zhǔn)確的中型面，需要手動(dòng)提取中型面的數(shù)量太多。對(duì)于結(jié)構(gòu)復(fù)雜的制件，人的大腦必須對(duì)中型面的最佳表示方法做出重要的決定。迎接新來(lái)者在Windows和Linux上運(yùn)行的Moldex3D軟件系列包括2.5D “表面”和新的3D“實(shí)體”版。Moldex3D是在臺(tái)灣清華大學(xué)的研究基礎(chǔ)上，由Core Tech System有限公司開(kāi)發(fā)出來(lái)的。Core Tech公司已經(jīng)向400多個(gè)用戶出售了該技術(shù)的“座席”，這些用戶多數(shù)位于亞洲。1999年該公司向全球推出了Moldex3D的英文版，并在去年的芝加哥NPE展會(huì)上進(jìn)行了展示。Moldex3D軟件的特點(diǎn)是一種新穎的復(fù)合實(shí)體元網(wǎng)格法，據(jù)說(shuō)比競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手的模型更準(zhǔn)確，網(wǎng)格密度更高，三維元更少。用戶可以混合使用各種三維元，包括四面體，棱柱形、錐形和六面體。模擬制品的薄壁部分時(shí)，可以使用產(chǎn)生幾個(gè)三維元的棱柱形網(wǎng)格。當(dāng)對(duì)同一制品的厚壁部分建模時(shí)，軟件會(huì)自動(dòng)轉(zhuǎn)換為四面體元。據(jù)說(shuō)使用不同的三維元比僅使用一種三維元的網(wǎng)格輪廓清晰。而且，“自動(dòng)流道網(wǎng)格”功能允許用戶點(diǎn)擊一下鼠標(biāo)就生成一個(gè)基于實(shí)體元的流道系統(tǒng)，同時(shí)優(yōu)化澆口附近的網(wǎng)格密度。最近，程序組中增補(bǔ)了一個(gè)結(jié)構(gòu)分析軟件的先進(jìn)界面，包括填充、壓實(shí)、冷卻、翹曲、纖維取向、氣輔和反應(yīng)注射成型的模塊。近期發(fā)行的7.0版軟件擁有更大的材料數(shù)據(jù)庫(kù)（多于以前的5700個(gè)品牌）、改進(jìn)的FastPack和FastCool解算器和多處理器。能夠模擬共注射成型、過(guò)度模塑和兩次注料模塑的7.1版將于今年同Linux-Cluster版一起推出。使用各種3D幾何元組成一個(gè)模型是Moldex3D的一個(gè)獨(dú)有特征。該軟件允許在詳細(xì)區(qū)域生成更多的網(wǎng)格，在大的平面區(qū)域使用較少的網(wǎng)格，以便在較短的時(shí)間內(nèi)進(jìn)行準(zhǔn)確地模擬。Moldex3D的開(kāi)發(fā)人員正在測(cè)試一種新型翹曲模塊，他將翹曲制品的“底片”作為一個(gè)STL格式模型輸出，然后將這個(gè)模型引入CAM軟件，從而允許制模者準(zhǔn)確地在模具上切削出翹曲的“底片”。CoreTech同樣提供一種可以插入流行的Solidworks CAD軟件包中運(yùn)行的模塊。Moldex3D Works只提供3D實(shí)體充模模擬。德國(guó)亞琛的Sigmasoft公司完全致力于3D模擬。它的Sigmasoft仿真軟件于1998年商業(yè)化。為Windows或Linux設(shè)計(jì)的Sigmasoft有一個(gè)全自動(dòng)網(wǎng)格生成程序，據(jù)說(shuō)可以在30秒到2分鐘的時(shí)間內(nèi)完成工作。Sigmasoft還可以將模具模型與各種鑲件和冷卻管路結(jié)合在一起，以便更加準(zhǔn)確地觀察模具內(nèi)的熱傳遞。Sigmasoft軟件的獨(dú)特功能之一是模擬制品離開(kāi)模具后的變化，計(jì)算制品脫模后的持續(xù)翹曲和應(yīng)變，直到制品達(dá)到環(huán)境溫度。有些軟件可以預(yù)測(cè)脫模后的全部翹曲，但是Sigmasoft模擬的是制品脫模后6000sec內(nèi)的變化。對(duì)于帶鑲件的模具，該軟件在計(jì)算應(yīng)力和翹曲時(shí)會(huì)考慮鑲件的金屬組成等因素。Sigmasoft可以計(jì)算充模時(shí)模具內(nèi)的氣壓以確定排氣的最佳位置。這一點(diǎn)十分實(shí)用，因?yàn)槟＞邇?nèi)空氣的壓縮會(huì)產(chǎn)生灼痕，尤其當(dāng)模塑熱固性塑料或其他釋放氣體的材料時(shí)。Sigmasoft還具有多次循環(huán)分析特征，可以多次重復(fù)計(jì)算模具內(nèi)的溫度直到模具內(nèi)的溫度恒定下來(lái)。這樣比假定一個(gè)模具溫度要準(zhǔn)確得多。該特征可以幫助認(rèn)識(shí)模塑循環(huán)過(guò)程中的熱累積。用戶通過(guò)監(jiān)測(cè)模擬過(guò)程來(lái)優(yōu)化操作循環(huán)周期。Sigmasoft正在開(kāi)發(fā)一套3D多相分析軟件，處理模具內(nèi)的兩種物料，如氣體和樹(shù)脂，或者共注射的熔融物料。Sigmasoft的下一代43版軟件將具有基于Windows的雙處理器功能，從而將分析時(shí)間縮短30%到40%。氣輔成型的三維模擬使用英國(guó)新開(kāi)發(fā)的仿真軟件可以首次對(duì)氣體輔助注射成型的厚壁制件進(jìn)行準(zhǔn)確的三維建模和分析。Cinpres Gas Injection公司（CGI）使用的是威爾士大學(xué)工程學(xué)院聚合物加工模擬和設(shè)計(jì)中心開(kāi)發(fā)的軟件。該軟件是中心與CGT公司的三年聯(lián)合項(xiàng)目。中心主任John F.T. Pittman博士說(shuō)，模擬過(guò)程包括塑料在模具中的填充。氣體的產(chǎn)生和排出以及冷卻。軟件使用實(shí)體四面體或六面體模擬各種氣輔方法短射、溢流和反推。CGT聲稱，這是現(xiàn)在唯一能對(duì)制品中心的熔融聚合物和注入的氣體之間的相互作用進(jìn)行詳細(xì)模擬的軟件。Pittman說(shuō)：“我們通過(guò)跟蹤聚合物和氣體的界面，解決了二者的流動(dòng)問(wèn)題?！迸c中型面分析相比，該軟件的突出之處在于，中型面分析只提供制品部分的接氣截面的信息，而此軟件詳細(xì)地表現(xiàn)了氣道周圍尤其是彎曲處的壁的厚薄變化。分析汽車和家庭用品把手等厚壁管狀制品時(shí)其價(jià)值尤為顯著。據(jù)說(shuō)該軟件還可以準(zhǔn)確地預(yù)測(cè)氣輔注射成型的潛在加工問(wèn)題，如指紋現(xiàn)象，突然噴出等，并解釋注氣延遲的影響，這時(shí)塑料已經(jīng)部分冷卻了。據(jù)稱，該軟件可以在幾分鐘內(nèi)生成一個(gè)適當(dāng)?shù)腃AD模型的網(wǎng)格，并在一天內(nèi)完成一個(gè)中等模型（20萬(wàn)個(gè)有限元）的分析包括塑料充模和一次、二次氣體滲入。Pittman說(shuō)，分析結(jié)果可以以空心塑料制品的CAD模型的形式輸出，適合進(jìn)行應(yīng)力分析。有關(guān)3D和2.5D的更多消息Moldflow為其最新的MPI4.1版Moldflow Plastics Insight分析軟件包開(kāi)發(fā)了幾種新模塊，包括預(yù)測(cè)纖維取向、翹曲和厚壁制件中的熱機(jī)械性能分析的MPI3D模塊。Moldflow在其3D軟件中擴(kuò)展了創(chuàng)建熱固性塑料制品模型的能力。MPI4.1現(xiàn)在可以對(duì)熱流道進(jìn)行3D模擬。MPI3D還可以給出注射壓力和鎖模力與時(shí)間的關(guān)系曲線。MPI4.1支持64位計(jì)算機(jī)，可以較快地創(chuàng)建大的模型。去年，為了模擬Trexel公司的Mucell微孔發(fā)泡工藝，Synventive公司的Dynamic Feed序貫閥式澆口系統(tǒng)（不同的噴嘴有最多32個(gè)獨(dú)立的壓力曲線），以及二次注料和鑲件過(guò)度模塑工藝，Moldflow用模塊增強(qiáng)了它的2.5D軟件。產(chǎn)品市場(chǎng)經(jīng)理Peter Rucinski說(shuō)，以前第一次注料和第二次注料的分析需要兩個(gè)獨(dú)立的模擬，二者可能無(wú)法協(xié)調(diào)起來(lái)，因此沒(méi)有辦法模擬兩種材料在交界處的相互作用。翹曲的預(yù)測(cè)和冷卻效率的分析是近期添加到Moldflow Plastics Advisers(MPA)軟件中的兩個(gè)新特性。MPA是為制品和模具的前期開(kāi)發(fā)而設(shè)計(jì)的進(jìn)行快速、低成本估定的簡(jiǎn)化的軟件包。新的Performance Adviser和Cooling Circuit Adviser模塊是最新的MPA7.0版的一部分。這些功能以前只在高端MPI產(chǎn)品上提供。Plastics&Computer公司還為2.5D和3D分析軟件包增加了幾項(xiàng)新功能，其中之一是與意大利Fiat研究中心合作四年開(kāi)發(fā)而成的faBest 2.5D軟件的填充、壓實(shí)和保壓的多次注射模擬。Plastics&Computer公司還推出了用中型面軟件創(chuàng)建組合模腔模具和重模成型模具模型的功能。值得一提的是，該公司一直在應(yīng)用一種將2.5D中型面充模分析與3D實(shí)體冷卻模擬結(jié)合起來(lái)的專利復(fù)合建模方法。Plastics&Computer的3D faSolid模塊有一個(gè)快速解算器，可以將3D分析時(shí)間縮減為2.5D faBest模塊的兩倍。Giorgio Bertacchi說(shuō)：“我們開(kāi)發(fā)的建模和分析方法考慮到了模塑商和制模商的計(jì)劃、工作流程和組織需要，使制模商可以剛好及時(shí)地交付模具。這個(gè)過(guò)程可以在一周內(nèi)多次重復(fù)3D分析以優(yōu)化設(shè)計(jì)?！?兩年前，faSolid模塊擴(kuò)展了序貫閥式澆口分析。但是到目前為止，序貫建模的大部分精細(xì)工作都是用2.5D faBest完成的。Bertacchi覺(jué)得，當(dāng)他對(duì)一個(gè)用11個(gè)閥式澆口噴嘴生產(chǎn)的6ft長(zhǎng)的制件建模時(shí)，他擴(kuò)大了那個(gè)領(lǐng)域的范圍。流道模擬僅模擬流道系統(tǒng)而不是模腔是Mold CAE Solutions這個(gè)創(chuàng)建三年的公司一直以來(lái)的軟件開(kāi)發(fā)焦點(diǎn)。該公司的MoldCAE專題是一個(gè)快速的、簡(jiǎn)單易用的流動(dòng)分析程序，可以幫助優(yōu)化熱流道和冷流道。這個(gè)程序面向制模商和模具設(shè)計(jì)人員，而不是制件設(shè)計(jì)人員?？偛肂ob Meng說(shuō)：“有太多的人在討論模腔的模擬和優(yōu)化，但是對(duì)模腔的設(shè)計(jì)，用戶有最終的發(fā)言權(quán)，而不是模具設(shè)計(jì)人員或制模商。他們能夠真正優(yōu)化的是將熔融物料送到模腔的系統(tǒng)。他們可以改變模腔的布局和澆口的大小，平衡流道系統(tǒng)，獲得均勻的壓力和填充?！盡oldCAE尤其有助于解決不對(duì)稱的模腔布局引起的填充問(wèn)題。它可以模擬組合模腔模具和疊模成型模具。最新的4.2版軟件可以處理大模型，包括有144個(gè)模腔的PET預(yù)成型模具。MoldCAE專題軟件不需要?jiǎng)?chuàng)建CAD模型，也不需要生成網(wǎng)絡(luò)，因此它既沒(méi)有2.5D有限元也沒(méi)有3D有限元。用戶可以根據(jù)簡(jiǎn)單的指導(dǎo)在30分鐘內(nèi)學(xué)會(huì)模擬軟件的使用。用戶輸入流道系統(tǒng)的類型、流道的直徑、流道的布局、澆口的類型、澆口的數(shù)量和位置、塑料種類和