立體光照成型的注塑模具工藝的綜合模擬

1、立體光照成型的注塑模具工藝的綜合模擬摘要 功能性零部件都需要設計驗證測試，車間試驗，客戶評價，以及生產(chǎn)計劃。在小 批量生產(chǎn)零件的時候，通過消除多重步驟，建立了有快速成型形成的注塑模具，這種方法 可以保證縮短時間和節(jié)約成本。這種潛在的一體化由快速成型形成注塑模具的方法已經(jīng)被 多次證明是可行的。無論是模具設計還是注塑成型的過程中，缺少的是對如何修改這個模 具材料和快速成型制造過程的影響有最根本的認識。此外，數(shù)字模擬技術現(xiàn)在已經(jīng)成為模 具設計工程師和工藝工程師開注塑模具的有用的工具。但目前所有的做常規(guī)注塑模具的模 擬包已經(jīng)不再適合這種新型的注塑模具，這主要是因為模具材料的成本變化很大。在本文 中，以

2、完成特定的數(shù)字模擬注塑液塑造成快速成型模具的綜合方法已經(jīng)發(fā)明出來了，而且 還建立了相應的模擬系統(tǒng)。通過實驗結果表明，目前這個方法非常適合處理快速成型模具 中的問題。關鍵詞 注塑成型，數(shù)字模擬，快速成型1引言在注塑成型中，聚合物熔體在高溫和高壓下進入模具中。因此，模具的材料需要有足 夠的熱性能和機械性能來經(jīng)受高溫和高壓的塑造循環(huán)。許多研究的焦點都是直接有快速成 型形成注塑模具的過程。在生產(chǎn)小批量零件的時候，通過消除多重步驟，直接由快速成型 形成的注塑模具可以保證縮短時間和節(jié)約成本。這種潛在的有快速成型形成注塑模具的方 法已經(jīng)被證明成功了。快速成型模具在性能上是有別與傳統(tǒng)的金屬模具。主要差異是導熱

3、 性能和彈性模量（剛性）。舉例來說，在立體光照成型模具中的聚合物的導熱率小于鋁制 的工具的千分之一。在用快速成型技術來制造鑄模時，整個模具設計和注塑成型工藝參數(shù) 都需要修改和優(yōu)化，傳統(tǒng)的方法是改變徹底的刀具材料.不過，目前還沒有對如何修改這 個模具材料的方法有根本的了解.在當前的模具中，僅僅改變一些材料的性能是不能得到 一個合理的結果的。同樣，使用傳統(tǒng)方法的時候，實際生產(chǎn)的零件也會有出先次品。因此， 研究出一個快速成型過程，材料和注塑模具之間的互動關系是非?；鸺钡摹＿@樣就可以確 定模具設計標準和快速模具的注塑的技術。此外，計算機模擬是一種預測模塑件的質量的有效的方法。目前，商用仿真軟件包已 經(jīng)

4、成為模具設計師和工藝工程師在注塑過程中例行性的工具。不幸的是，目前常規(guī)注塑成 型的模擬程序已經(jīng)不再適用于這個快速成型模具，因為它極大的需要不同的刀具材料。例 如，利用現(xiàn)在的仿真軟件在鋁和立體光照模具之間做個實驗比較一下，雖然鋁模具模擬植 的部分失真是合理的，但是結果是不可以接受的，因為誤差超過了百分之五十。在注塑成 型中，失真主要是由于塑料零件的收縮和翹曲，模具也是一樣的。對于通常模具，失真的 主要因素是塑料件的收縮和翹曲，這個在目前的模擬中能測試準確。但是對于快速成型模 具，潛在的失真會更多，在當前的測試中，其中就會有些失真會被忽視。例如，用一個簡 單的三步驟模擬分析模具變形的時候，就會出現(xiàn)

5、很多偏差。在本文中，基于以上分析，一個新的快速成型模具的仿真系統(tǒng)已經(jīng)開發(fā)出來了。擬議 制度著重于預測部分失真，主要是用與預測快速成型模具的缺陷。先進的仿真系統(tǒng)可以用 于預測快速成型模具設計和工藝是否最合理。我們的仿真系統(tǒng)已經(jīng)被我們的實驗證明是沒 有錯誤的。雖然有很多材料可以用于快速成型技術，但是我們還是專注于利用立體光照模具的技 術來制造聚合物模具.立體光照成型的過程是利用激光能量一層一層建立零件的部分。使 用立體光照則可以體現(xiàn)出雙方在快速成型工業(yè)的商業(yè)優(yōu)勢，而且在以后也可以生產(chǎn)出準確 的，高品質的零部件。直到最近，立體光照主要是用于建立物理模型，為了檢查視覺效果， 僅僅只利用了它的一點點功能

6、。不過，新一代的立體光照的光改善了立體化，機械性能， 熱學性能，所以它可以更好的應用于實際的模具中。2綜合仿真的成型過程2.1方法為了在注塑成型過程中模擬立體光照模具的功能，反復的試驗中得到了一個方法。不 同的軟件組已經(jīng)開發(fā)出來了，而且也已經(jīng)做到了這一點。主要的假設是，溫度和負載邊界 條件造成立體光照模具的扭曲，仿真步驟如下：1部分幾何模型則作為一個實體模型，這將通過流量分析軟件包被翻譯到一個文件 中。2模擬光聚合物模具中熔融體填充的過程，然后輸出溫度和壓力的資料。3在前一步獲得了熱負荷和邊界條件，然后對光模具進行結構分析，其中失真的計算 是在該注塑過程中進行的。4如果模具的扭曲收斂了，那么直

7、接進行下一步.否則，扭曲的型腔（改動扭曲后的 型腔的尺寸）返回第二個步驟，以熔體形式模擬注入扭曲的模具中。5然后注射成型零件的收縮和翹曲模擬就開始應用了，算出該成型零件最終的扭曲部 分.上述的模擬流動中，基本上是三個仿真模塊。2.2充型模擬的熔體2.2.1數(shù)字建模計算機仿真技術已經(jīng)能成功的預測到在極其復雜的幾何形狀下的填充情況。然而，目 前大多數(shù)字模擬是基于一種混合有限元和有限差的中性平面上的。模擬軟件包的應用過程 基于這一模型說明圖1。然而，不同與CAD系統(tǒng)中模具設計中的表面/實體模型，這里 所謂的中性平面（如圖所示，圖1B）是一個假想的在中間型腔中有距離和方向的一個平 面，這個平面可能會在

8、應用的過程中帶來很大的不便。舉例來說，模具表面常用于目前的 快速成型系統(tǒng)中（通常是STL格式），所以當用模擬軟件包的時候，第二次建模是不可 避免的。那是因為模型在快速成型系統(tǒng)和仿真系統(tǒng)中是不一樣的?？紤]到這些缺點，在模 擬系統(tǒng)中，型腔的表面將以基準面來引入，而不是中性平面。根據(jù)以往的調查，流量和溫度場的方程式可以寫為：X,Y是中性平面坐標系中的兩個平面，Z是高度坐標，U，V，W是X，Y，Z方向 上的速度.U，V是整體的平均厚度，n , p ,CP （T）, K（T）分別表示聚合物的粘性，密度， 周期熱，熱導率。圖1 A-D是中性平面的模擬程序.A是3維表面模型，B是中性平面模型，C是網(wǎng)狀的平面

9、模型， D是最后的模擬結果此外，在高度方向上的邊界條件的誤差可以表示為：u =w = v = 0, T = Tw心=占（5）duBt dT=o = = 0. tu = 0 at ; = 0i6）i叱 di正如圖2中的A中表示，TW是恒壁溫度.結合方程14和方程5 6,表明了 u, v, T, P在Z坐標上面應該是對稱的，因此在上半個高度中的平均u, v應該和整個高度中的 平均u, v是一樣的。根據(jù)這個特點，我們可以把整個型腔在上下高度上分為兩個部分， 正如圖2B中的第一部分和第二部分。同時，型腔（如圖2B）表面產(chǎn)生的三角有限元將 替代了中性平面（如圖2A）。因此，在高度方向上的有限元誤差僅僅限

10、于型腔表面，正 如圖2B所示，高度上的誤差將從0到B。這是中性平面上的單一性。此外，從圖2A到 圖2B，坐標也隨之改變了。為了配合上述調整，方程仍是用方程14。然而，原來的 邊界條件高度方向則改寫為： TOC o 1-5 h z j = U=0. T = Th- at; = 0i )與此同時，為了保持在同一坐標（7）上的兩部分能夠流動，那么更多的邊界條件必須滿 足 Z = B。Li; =iin- L-,1 = L-.1.1： T; = T；;： p； = P；1= h西）Cm -1 = Cn: - III JO）下標I和II則分別代表第一部分和第二部分的參數(shù).Cm-I和Cm-II則表示在填充階

11、段中 分開的兩個表面上的自由移動的熔融線。應該指出的是，方程9與10和方程7與8不同，9和10在數(shù)字模擬過程中將變的 更難，主要原因是以下幾點：1同一個斷層的表面都已經(jīng)都已經(jīng)有著特殊的網(wǎng)格，這將導致同一層上的獨特的格 局.因此，在比較兩個熔接口的時候，應該計算出各自的u, v, T, P。2因為兩個部分都有各自的流道通向節(jié)點A和節(jié)點C （如圖2B所示）.在同一段中， 有可能兩個都充滿，也有可能一個滿，一個空.這兩個情況應該分開處理，應該平均流動， 使后者也分配到流動。3這意味著在前線熔合處出現(xiàn)一點點小的誤差是可以允許的.通過控制時間和選擇更 好的位置來控制前線熔合節(jié)點。4每個流場的邊界都擴張到

12、熔線前線，所以核查方程10是否準確是相當重要的。5鑒于上述分析，在同一個節(jié)點處的物理參數(shù)應該加以比較和調整。所以在進行模擬 之前，描述同一節(jié)點有限元的信息應該準備好，也就是說，匹配的原理應該先預備好。圖2 A-B表明表面模型中的中性平面B的高度方向A上的邊界條件2.2.2數(shù)字模擬壓力場.在建模中，粘度 健由于熔提的剪切速率，溫度和壓力引起的性能.剪切變 稀后，這就代表一個跨越式的模式，例如：其中對應于幕律指數(shù)，T的特點是在在牛頓和幕律漸近極限之間的剪應力過渡區(qū)。無論 在溫度還是壓力指數(shù)上，n0(T, ?)都可以有合理的表示，詳情如下：方程11和12構成了一個五個常數(shù)，可以代表粘度，而且通過粘度

13、的剪切速率的計算可 以得到：根據(jù)上述情況，通過方程14,我們可以推斷出一下充氣壓力方程：V.iJVf . = 0(141其中S是由 J 計算出來的。運用伽遼金方法，對壓力的有限元方程推導為：己戲 WW、=il?iN J-L其中l(wèi)是所有要素的的導線，包括節(jié)點N，而且其中i和j代表此處的N節(jié)點的數(shù)目，：的計 算方法如下：其中廣代表三角有限元，而匚代表有限元中的壓力。溫度場中，為了確定高度方向上的誤差，應該在模具表面上分為一層一層的三角有限 元的網(wǎng)格。左邊的能量方程4可以表示為：心若|勺.襯=心如(I7-.=I二上. . E其中代表每一層N節(jié)點上的溫度。熱傳導的計算方法是：其中1是所有要素，包括節(jié)點

14、N，而且訝田分別代表此處的N節(jié)點個數(shù)。對流項的計算方法是：(親十 L霍)|_MjQ V I偵山偉!七J | 口 * (岑)喝+(省椰, e+ij= J.2. . . NZ(19)當是粘性熱時，計算方法是：儼耳J= 1.E.3.即(20)把方程1720帶入方程4,溫度方程變?yōu)椋篕T = F(21)2.3模具結構分析結構分析的目的是預測在填充過程中，模具由于熱和機械壓力而產(chǎn)生的變形。這個模 型是基于一個三維熱邊界元法。邊界元法是比較適合這個應用的，因為只有變形的模具表 面才有這樣的信息。此外，邊界元法有一個優(yōu)點，那就是在計算變形的模具的時候，它的 計算是不會白費的。模具在所受載荷超過彈性范圍的時候

15、會產(chǎn)生應力。因此，在決定模具變形的時候，模 具材料是一個基準。模具的熱性能和力學性能是各向同性的，而且溫度也是獨立的。盡管這個過程是循環(huán)的，但是相同時間的溫度和熱流都是可以用于計算模具變形 的.通常情況下，在模具里面每個瞬間溫度都局限于型腔的表面和噴嘴的頂端。在觀察距 離的時候，瞬間的衰減變化是很微笑的，小于2.5毫米.這說明在模具的噴嘴處的變形 是很小的，因此，忽略這個影響也是合理的.穩(wěn)態(tài)溫度場滿足拉普拉斯方程2T = 0的邊 界條件。至于機械邊界條件，型腔表面受到熔體的壓力，模具的表面會連接到工作臺上的， 而其他的外部表面將會假設是自由的.熱邊界的推導方程10是大家都知道的，這是由于：%

16、IA1 些 E 十 I 染 I：A V出* .Y)ydny：i =I E l EH泗日川+ $授J器砌一門著心1 VJ J L 網(wǎng)其中uk, pk和T分別是位移，牽引力和溫度。a,是代表材料的膨脹系數(shù)和泊松比Ulk 是在XY方向上基本的位移。在一個三維空間中，各向同性彈性區(qū)域中，由一個單元產(chǎn)生的負荷主要集中在xl方向上，它是以下面的形式產(chǎn)生的：曲，6況ff伽+S網(wǎng)其中0 lk是Kronecker三角函數(shù)，p是該模具材料的剪切模量。Plk的基本收縮都是在 模具表面的每個N節(jié)點處測量的，可以表示為：整個N將分散在模具的表面上，轉變?yōu)榉匠?2：其中是指在這個區(qū)域上的表面成分。把恰當?shù)木€性函數(shù)代入方程

17、2 5,得到的線性邊界方程就是模具的方程.這個方程適 用于每個離散的模具表面，從而組合成線性方程組，其中N是節(jié)點的總數(shù)。每個節(jié)點有八 個相關數(shù)量，三個位移組成部分，三個牽引組成部分，還有溫度和熱流量。在穩(wěn)態(tài)熱模型 中，每個節(jié)點處的溫度和磁場是已知的，余下的6個量中，三個必須是已知的。此外，在 若干個節(jié)點處的位移值的方程必須消除剛體運動和剛體自轉的奇異系統(tǒng)。由此產(chǎn)生的系統(tǒng) 方程式是一個集合起來的綜合矩陣，它可以為有限元方法求解。基于方程12的注塑假設，下面將給出元件的應力和應變：。.邛=Ciyx = Ol- = g =位=。S工0 i) = ffyUi o = Qi(Xj) = ayX, t)

18、= J) 時X. t =t) = x(X, J) = ()該偏元件的應力和應變分別是:用類似的方法可以預測在回火玻璃中的殘余應力了。以積分的形式在平面上分析粘性 和彈性結構關系時，可以表示為以下公式： TOC o 1-5 h z E3U I G|液if 亦頂)扳(28)8其中G1是材料的的剪切模量。擴張的應變的情況如下：=3G2-129)其中K是材料體積的彈性模量，a和。的定義是：。氐門=f Cr(t)dT o=0f( 7b)(30)ao JIn如果a(t) = a0,那么方程2 7到方程2 9的結果則為：商十小二一拓口血,畢-7U,。(31)同樣的，利用方程3 1到方程2 8消除應變sxx(

19、z, t)，得到：=“。底一斧法以/)一如兇二早一11二口川農(nóng)30利用拉普拉斯變化方程3 2,輔助系數(shù)R(E)由下面的方程得出：壽 / G|逆一我.十唯1=紡|成心30利用上述方程3 3,并簡化在模具中的應力和應變的形式，那么注塑中殘余的應力在 冷卻階段中，由下面的方程獲得：曰=3 I 用 EE)gL 二 bl弧兀二|4)K方程3 4可以通過梯形正交被解決。由于材料的時間在快速的變化，所以需要一個準數(shù)控 程序來檢測。輔助模量是檢測數(shù)控梯形的規(guī)則。關于翹曲分析，節(jié)點位移和曲率將以殼單元表達為：伉上仿川葉二/血口區(qū)由葉)其中k單元剛度矩陣，Be是衍生算子矩陣，d是位移，re是 負載單元，可以由下

20、面的方程得出：|網(wǎng)二I &。向血一 I血險盹澎耳VV使用完整的三維有限元分析法的好處就是可以準確知道翹曲的結果。但是，當零件的形狀 很復雜的時候，它也是相當麻煩的。在本文中，在殼體理論基礎上介紹了一種二維有限元 分析方法。這種方法被大量使用是因為大多數(shù)注塑模具的零件都有一些部分幾何的厚度遠 遠小于其他部分。因此，那些部分則可以被作為一個集會的單元來預測翹曲。每三個節(jié)點 殼單元組合成一個恒應變三角單元和一個離散克?；舴蛉窃鐖D3所示，因此翹曲可 以分為平面伸展變形CST和板彎曲變形DKT。并相應的以單元剛度矩陣來描述翹曲的 拉伸剛度矩陣和彎曲剛度矩陣。Plate Stretching (IS

21、 T hkjncnt)Plate Bending iDKTEkmcntj圖3 a-c是殼單元在局部坐標系統(tǒng)里的變形分解.a是平面伸展元素，b是平面彎曲元素，c是殼單元三實驗驗證對提出的模型進行了評定和發(fā)展，最后核查是非常重要的。從模型模擬中得到的扭曲 數(shù)據(jù)將和文獻8中的立體光照模具數(shù)據(jù)比較。如圖4所示，有一個注塑尺寸36 x 36 x 6毫 米和實驗數(shù)據(jù)中是相同的。薄壁和加強筋的厚度都是1.5毫米，這個注塑材料是聚丙烯。注 塑機的型號是ARGURY Hydronica320-210-750，它的工藝參數(shù)是，熔解溫度是2 5 0度， 模具溫度是3 0度，注塑壓力是13.7 9帕，保壓時間是3秒，

22、冷卻時間是4 8秒。立體 光照模具材料使用杜邦SOMOSTM6 11 0樹脂，能抵御高達3 0 0度的高溫。如上所述，熱傳導是區(qū)分立體光照模具和傳統(tǒng)模具的一個重要因素。模具中的熱量轉移會產(chǎn)生溫度的 不均勻分布，所以導致了成型零件的翹曲.立體光照成型模具的周期是可以預測的。以高 的熱傳導率金屬為背面做的薄殼立體光照模具將會增加自身的熱傳導率。圖4模型腔ENpcri皿5也】一圖5不同的熱傳導率下，在X方向上的扭曲失真比較.實驗值，三步走和常規(guī)都是指最后的實驗結果.常規(guī)是指實驗中最好的結果.三步走步驟的模擬過程分別與傳統(tǒng)的注塑成型相似圖6在不同的熱傳導率下，在Y方向上的扭曲失真比較FxpcrimcTilslPrcs-cntciiThrEE