基于Moldflow注塑模拟仿真优化在某ABS大型薄壁件成型中的应用
摘要：以实例的形式对某ABS薄壁件的注塑成型过程进行了系统的有限元模拟分析，该分析结果不仅表明了Moldflow在产品的注塑成型方面涉及的产品设计优化、模具设计优化、产品质量控制等方面具有非常重要的现实意义。同时对该ABS成型时的工艺参数的核心关键点进行了简要的说明，希望对读者有所帮助作用。注塑成型有限元模拟仿真软件可帮助产品设计者和模具设计者检测其设计和制造工艺的合理性。注塑模设计中模拟成型软件的作用可以优化塑料制品，得到制品的实际最小壁厚，优化制品结构，降低材料成本，缩短生产周期，保证制品能全部充满。同时可以优化模具结构，可以得到最佳的浇口数量与位置，合理的流道系统与冷却系统，并对型腔尺寸、浇口尺寸、流道尺寸和冷却系统尺寸进行优化，在计算机上进行试模、修模，大大提高模具质量，减少修模次数。另外用户可以非常方便的优化注塑工艺参数，确定最佳的注射压力、保压压力、锁模力、模具温度、熔体温度、注射时间、保压时间和冷却时间，以注塑出最佳的塑料制品。本文重点对注塑成型模拟分析软件MoldFlow的功能及其在产品注塑成型优化分析过程中的应用进行简要介绍。 1 Moldflow软件的基本功能
Moldflow软件包括MPA/MPI/MPX三部分，其中MPA（MoldFlow Plastics Advisers）产品优化顾问主要用于优化产品的设计方案，并确认产品表面质量。注塑成型模拟分析（MPI MoldFlow Plastics Insight）可以在计算机上对整个注塑过程进行模拟分析，包括填充、保压、冷却、翘曲、纤维取向、结构应力和收缩，以及气体辅助成型分析等，使模具设计师在设计阶段就找出未来产品可能出现的缺陷，提高一次试模的成功率。而注塑成型过程控制专家MPX （MoldFlow Plastics Expert）可以直接与注塑机控制器相连，可进行工艺优化和质量监控，自动优化注塑周期、降低废品率及监控整个生产过程。
2 某薄壁异形件Moldflow成型分析
下述针对某ABS大型薄壁异型件注塑成型过程中，通过Moldflow进行模拟分析的情况进行简要介绍。该产品长度方向大于1000mm，宽度方向尺寸不足360mm，高度方向小于150mm。而且有多处细节连接结构与加强筋，且该产品外观成型后的光洁度要求较高，注塑一级表面要求。下述利用Moldflow对该产品的注塑成型进行模拟，从冷却分析、收缩分析、所需的注塑压力以及冷却后的变形情况在Moldflow中进行模拟分析。从而达到有效的指导模具设计与注塑压机的选用以及有效的完善产品的结构优化设计等目的。
如图1所示为在Moldflow Advisior和Moldflow Plastics Insight模块中，分别对其模具包容设计、浇口设计以及有限元网格划分的结果。从图中可以看出，用户可以非常方便的完成模具设计与注塑模拟的前期有限元模型的创建工作。
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图1 浇口设计与有限元网格划分 如图2所示为该ABS薄壁异形件不同充型时刻的塑料流动过程，这一步分析为产品的塑料流动以及模具浇口的优化设计可以提供较好的指导作用，同时对注塑机的选择与生产节拍的制定进行指导。图3所示为塑料凝固过程以及最佳浇口设计示意图。
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图2 注塑充型过程
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图3 凝固过程与最佳浇口位置
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图4 注塑压力分布与压力曲线
图4所示为注塑成型压力需求分析其结果表明浇口分布的位置不同以及分布的数量对注塑件的注塑压力吨位以及成型的过程有着较大的影响。
如图5所示为注塑成型后材料的收缩情况分布以及注塑成型时的模具型面的分布温度场。如下图6所示为注塑成型，产品成型冷却后，不同方向的变形情况，这个分析数据对于优化产品模具的设计以及后续工序的校形工作包括校形工装的制作数据的确定非常有意义。
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图5 收缩情况与温度场分布
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图6 成型后的变形情况分布 3 薄壁异形件注塑成型常见的缺陷控制
该ABS薄壁异形件注塑成型时的工艺参数对于产品的质量有着重要的影响，尤其是大型薄壁的结构件要求更为严格。料温偏低或模具温度低、注塑压力低、注射速度慢、加料不均或排气不良；时，容易导致表面出现融合纹、波纹等，甚至出现欠注或模具过冷且冷却时间过长时容易引起裂纹的产生。如果料温过高产生分解物，回用次数过多，塑料含水，模具的温度过高或者冷却不均匀时表面容易出现斑纹、黑点与条纹；热脆甚至引起变形等现象。原料不纯、牌号相混、润滑剂过多时则容易导致塑件脱皮分层。因此控制原材料、注塑压力与模具的温度是ABS薄壁件成型中最为关键的工艺参数。
由于ABS易吸湿，成型塑件表面容易出现斑痕，因此成型前要求进行干燥处理。同时ABS比热容较低，在料筒内很容易加热，塑化效率高，在模具中凝固的速度比较快，因而成型周期短。ABS树脂表面粘度依赖于剪切速率，因此模具浇注系统一般采用点浇口的结构形式。ABS为非结晶高聚物，成型收缩率小，树脂热融温度低，融化温度范围比较宽，流动成型性相对较好。但是其与冰醋酸、植物油发生化学反应引起应力开裂。同时ABS升温时粘度增加，故成型压力较高，脱模斜度宜设置稍大比较好。ABS成型时易产生融接痕，模具设计时要求尽量减少浇注系统对塑料流动成型的阻力，在保证尺寸精度时，模具温度一般控制在50～60度之间比较合理，需要较高的表面光洁度时一般控制在60～80度之间。如需同时保证尺寸精度与表面光洁度，模具温度控制在55～65度之间是可行的。通过上述工艺参数的合理控制，以及结合Moldflow模拟的情况，有效的控制了该大型ABS薄壁件批量成型生产时的产品质量。
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