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(shè)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(shè)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(rèn)識。此外，數(shù)字模擬技術(shù)現(xiàn)在已經(jīng)成為模 具設(shè)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(yīng)的模擬系統(tǒng)。通過實驗結(jié)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(guān)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(jìn)入模具中。因此，模具的材料需要有足 夠的熱性能和機(jī)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?？焖俪尚湍＞咴谛阅苌鲜怯袆e與傳統(tǒng)的金屬模具。主要差異是導(dǎo)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(dǎo)熱率小于鋁制 的工具的千分之一。在用快速成型技術(shù)來制造鑄模時，整個模具設(shè)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(dāng)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(jié)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(guān)系是非?；鸺钡?。這樣就可以確 定模具設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)和快速模具的注塑的技術(shù)。此外，計算機(jī)模擬是一種預(yù)測模塑件的質(zhì)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(shè)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(jié)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(zhǔn)確。但是對于快速成型模 具，潛在的失真會更多，在當(dāng)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(yù)測部分失真，主要是用與預(yù)測快速成型模具的缺陷。先進(jìn)的仿真系統(tǒng)可以用 于預(yù)測快速成型模具設(shè)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(shù)，但是我們還是專注于利用立體光照模具的技 術(shù)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(zhǔn)確 的，高品質(zhì)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(jī)械性能， 熱學(xué)性能，所以它可以更好的應(yīng)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(fù)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(shè)是，溫度和負(fù)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(fù)荷和邊界條件，然后對光模具進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析，其中失真的計算 是在該注塑過程中進(jìn)行的。4如果模具的扭曲收斂了，那么直

7、接進(jìn)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(yīng)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(jī)仿真技術(shù)已經(jīng)能成功的預(yù)測到在極其復(fù)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(yīng)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(shè)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(yīng)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(dāng)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(zhǔn)面來引入，而不是中性平面。根據(jù)以往的調(diào)查，流量和溫度場的方程式可以寫為：X,Y是中性平面坐標(biāo)系中的兩個平面，Z是高度坐標(biāo)，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(dǎo)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(jié)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(jié)合方程14和方程5 6,表明了 u, v, T, P在Z坐標(biāo)上面應(yīng)該是對稱的，因此在上半個高度中的平均u, v應(yīng)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(biāo)也隨之改變了。為了配合上述調(diào)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(biāo)（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(biāo)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(yīng)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(dǎo)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(yīng)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(yīng)該分開處理，應(yīng)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(kuò)張到

12、熔線前線，所以核查方程10是否準(zhǔn)確是相當(dāng)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(yīng)該加以比較和調(diào)整。所以在進(jìn)行模擬 之前，描述同一節(jié)點有限元的信息應(yīng)該準(zhǔn)備好，也就是說，匹配的原理應(yīng)該先預(yù)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(yīng)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(yīng)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(gòu)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(yùn)用伽遼金方法，對壓力的有限元方程推導(dǎo)為：己戲 WW、=il?iN J-L其中l(wèi)是所有要素的的導(dǎo)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(yīng)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(dǎo)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(dāng)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(jié)構(gòu)分析結(jié)構(gòu)分析的目的是預(yù)測在填充過程中，模具由于熱和機(jī)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(yīng)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(yīng)力。因此，在決定模具變形的時候，模 具材料是一個基準(zhǔn)。模具的熱性能和力學(xué)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(jī)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(shè)是自由的.熱邊界的推導(dǎo)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(fù)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(zhuǎn)變?yōu)榉匠?2：其中是指在這個區(qū)域上的表面成分。把恰當(dāng)?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(guān)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(yùn)動和剛體自轉(zhuǎn)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?；诜匠?2的注塑假設(shè)，下面將給出元件的應(yīng)力和應(yīng)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(yīng)力和應(yīng)變分別是:用類似的方法可以預(yù)測在回火玻璃中的殘余應(yīng)力了。以積分的形式在平面上分析粘性 和彈性結(jié)構(gòu)關(guān)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(kuò)張的應(yīng)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(jié)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(yīng)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(yīng)力和應(yīng)變的形式，那么注塑中殘余的應(yīng)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(zhǔn)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(guān)于翹曲分析，節(jié)點位移和曲率將以殼單元表達(dá)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(fù)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(zhǔn)確知道翹曲的結(jié)果。但是，當(dāng)零件的形狀 很復(fù)雜的時候，它也是相當(dāng)麻煩的。在本文中，在殼體理論基礎(chǔ)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(yuǎn) 遠(yuǎn)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(yù)測翹曲。每三個節(jié)點 殼單元組合成一個恒應(yīng)變?nèi)菃卧鸵粋€離散克?；舴蛉窃?，如圖3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(yīng)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(biāo)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(jìn)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(xiàn)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(qiáng)筋的厚度都是1.5毫米，這個注塑材料是聚丙烯。注 塑機(jī)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(dá)3 0 0度的高溫。如上所述，熱傳導(dǎo)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(zhuǎn)移會產(chǎn)生溫度的 不均勻分布，所以導(dǎo)致了成型零件的翹曲.立體光照成型模具的周期是可以預(yù)測的。以高 的熱傳導(dǎo)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(dǎo)率。圖4模型腔ENpcri皿5也】一圖5不同的熱傳導(dǎo)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(jié)果.常規(guī)是指實驗中最好的結(jié)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(dǎo)率下，在Y方向上的扭曲失真比較FxpcrimcTilslPrcs-cntciiThrEE