Modex3D在注塑成型模拟分析中的应用
合集下载
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
Modex3D 在注塑成型模拟分析中的应用
严志云，谢鹏程，丁玉梅，杨卫民*
北京化工大学机电工程学院，北京（100029）
*Email: yangwm@
摘要：本文介绍了专业模流分析软件 Modex3D 及分析模块，并通过两个实例介绍了 Modex3D 在注塑成型模拟分析中的应用， 实例说明通过 Modex3D 可以优化注塑制品结构、 浇注系统和 注塑工艺参数，从而为改善注塑制品质量提供参考。 关键词：注塑成型；CAE；Modex3D;优化 中图分类号：TQ320.66 文献标识码：A
图 5 LCD 外壳 Fig5 Model of the LCD cover
图 6 制品厚度分布 Fig6 Thickness distribution of the LCD cover
图 7 浇注系统 Fig7 Gating system of the LCD cover
冷却水道布置如图 8 所示，图中蓝色水道靠近型腔侧温度为 60℃，其余水道靠近型腔 侧温度为 25℃，冷却系统共有 20 个出入口和 20 组冷却介质。
X 方向变形范围为-1.4mm~2.1mm。
Y 方向变形范围为-0.6mm~1.4mm。
Z 方向变形范围为-1.2mm~1.2mm。 改进方案 为了降低制品两侧部位的收缩率和翘曲变形量，增大注射速度，延长保压时间，降低模 具温度。 工艺参数设置：
注射点压力结果：
改变工艺参数后最大注射压力为 101MPa，压力降为 33MPa，为最大注射压力的 33%。 可见增大注射速度导致流道压力降增大，但是降低了注射压力。
纤维取向结果：
X 方向
Y 方向
总体变形结果：
不考虑纤维取向
考虑纤维取向
分析结果与实际成型结果比较：
分析结果：最大直径 38.60mm，最小直径 38.36mm，圆度 0.24。 实际结果：最大直径 38.68mm，最小直径 38.24mm，圆度 0.44。 从分析结果和实际结果可以看出制品翘曲变形，镜筒截面圆度不佳。 从以上分析结果可以看出熔体流动不平衡， 保压压力不平衡是导致制品收缩不均衡和翘 曲变形的主要原因。改进方案增大浇注系统尺寸如图 2 所示。
体积收缩率结果：
改变工艺参数后，体积收缩率范围为 0%~3.8%，分布仍然不均匀，但是流动末端孔周 围区域的收缩率从 4.6%下降到 3.8%。
表 1 初始方案与改进方案项目比较 项目 注射压力 压力降 注射时间 最大体积收缩率 填充体积 初始方案 106MPa 32MPa 6.7Sec 4.66% 231.55cc 1.4mm 2.1mm 0.6mm 1.4mm 1.2mm 1.2mm 改进方案 101MPa 33MPa 10.6Sec 3.84% 231.55cc 翘曲变形比较 X 方向最小变形量 X 方向最大变形量 Y 方向最小变形量 Y 方向最大变形量 Z 方向最小变形量 Z 方向最大变形量 1.3mm 1.6mm 0.5mm 1.2mm 1.0mm 1.0mm 7.1% 23.8% 16.7% 14.2% 16.7% 16.7% 改善 4.7% -3.1% -58.2% 17.6% 0.0%
PC+ABS_MultilonTN-1000V。选用注射机为三菱注射机 Mitsubishi 450Ton。制品两侧多孔， 填充较困难，孔周围的肋板出容易产生收缩。初始方案浇注系统如图 7 所示。采用增大注射 压力的办法可以解决制品欠注问题，但是会增大锁模力，降低模具与注射机的寿命，同时增 大肋板收缩。改变孔周围的肋板厚度，肋板收缩问题仍然存在。
会因温度而改变，采用的方程式为 Modified-Cross Model
(T , )
0 (T ) 1 (0 / )1 n
Tb ) T
(5)
其中 0 (T ) B Exp(
(6)
3. Moldex3D 优化模具结构
实例模型为镜头筒， 初始分析方案浇注系统及模型如图 1 所示。 镜头筒为镜头安装组件 中的重要零件，要求塑料筒的圆度较高，因此要控制制品的翘曲变形。制品长度为 50mm， 直径为 39mm，体积为 5.5cm3，材料为 PC+20%GF，工艺条件为：注射时间 0.8s，熔体温度 为 310℃，模具温度为 105℃。
改进方案
初始方案：最大直径 38.60mm，最小直径 38.36mm，圆度 0.24。 改进方案：最大直径 38.74mm，最小直径 38.55mm，圆度 0.19。 由结果可知，通过改进浇注系统，制品翘曲变形得到改善，圆度提高。
4．Moldex3D 优化注射工艺
实例模型为 LCD 外壳，模型如图 5 所示，制品厚度分布如图 6 所示。LCD 外壳广泛用 于电脑电视机，制品长度 458mm，宽度 174mm，高度 116.5mm，体积 260cm3。材料为
图 1 镜头筒模型及浇注系统 Fig1 Model and gating system of the lens module
填充结果：
填充 50%
填充 60%
填充 70%
填充 80%
填充 90%
填充 95%
保压结果：
体积收缩率结果：
1.5%
3%
翘曲变形结果：
X 方向变形（-0.1~0.1mm）
Y 方向方向变形（-0.02~0.02mm）
分析。最具代表性的应用包含未饱和多元酯纤维、聚氨酯、液态硅橡胶及利用环氧 基树酯调和成型的微芯片封装之射出成型。 I2 模块接口数据处理功能，可进一步整合 Moldex3D/Solid 分析结果与常见的结构 分析软件，如 ABAQUS、ANSYS、MSC.Nastran 等。 Parallel Computing 并行计算，提高计算效率，节省计算时间。 Viscoelasticity 黏弹性分析模块，可以进一步由流动残留应力的最大正向应力推估 出非等向性的分子排向， 再辅以最大正向应力与最大剪切应力量值提供使用者了解 成品的分子排向与残余应力分布是否符合设计，并进行模具设计与加工条件调整。 后续并可以作为光学非等向性质分析变形之基础， 与纳入翘曲分析之考虑， 以取得 更精确之预测。 OPTICS（实体光学分析模块）除了可精准模拟出射出各阶段下的流动导致之双折 射与受热应力导致之双折射， 并进一步整合光弹分析理论， 提供使用者在光线穿过 物体后所累积之光程差、 条纹级数与光弹条纹等实用信息， 真正做到与实务紧密结 合，提供使用者方便易判读结果之计算机辅助工具。 IC Package 封装模块，可帮助使用者建立微芯片网格，并进行金线布局的设计，以 利进行微芯片封装之金线偏移及导线架偏移等计算。 透过金线偏移计算可预测出充 填过程中， 塑料流动的拖曳力是否造成金线偏移量过大， 导致金线接触而造成成品 短路或金线断裂等问题。此外，导线架受到塑料流动拖曳力所造成的偏移，亦可透 过导线架偏移计算得之。 经由上述的计算分析， 使用者即可在生产前提早预测出因 制程所产生的缺陷并加以避免。
p I ( u u T ) C p (
T uT ) (k T ) 2 t
其中 u 表示速度向量，T 表示温度，t 表示时间， p 表示压力， 表示全部的应力分量，
表示密度， 表示黏度， k 表示热传导系数， C p 表示比热， 表示剪切速率。熔胶黏度
1. Moldex3D 简介
Moldex3D 是台湾科盛科技公司自行开发成功并商业化的注射成型计算机辅助工程分析 (CAE)软件，其中 Moldex 是 Mold Expert（模具专家）的缩写[1]。Moldex3D 完整提供设计链 各个阶段所需要的不同分析工具。eXplorer 直接建构在各种主流 CAD 软件的操作接口，设 计者可直接进行流动分析。eDesign 系列则是一套完整的产品与模具设计工具，方便模具设 计者在模具加工前快速进行验证。Solid/Shell 则是高阶的注塑成型工程分析与优化软件，对 各种塑件均提供深入完整的分析功能。Moldex3D 目前已经发布最新 R9.1 版本。Moldex3D 产品包括以下一些分析模块[2,3,4,5]： Flow（实体流动分析模块）以完整三维不等温 Navier-Stokes 理论为分析基础，可 正确预测流道中受剪切力流影响导致之流动不平衡现象， 可提供实体熔胶流动宏观 及微观的深入分析见解，如喷泉流、惯性效用、重力效用等。 Pack（实体保压分析模块）可提供保压程序问题分析与解析，进一步预测塑料压缩 值（PVT 比容变化） ，以计算保压程序中热塑性材质之流动行为及其密度变化。可 准确决定浇口固化时间、 正确保压时间及适当的保压压力， 最小化高体积收缩率范 围。 Cool（实体冷却分析模块）为分析射出冷却的真实三维分析工具，可供使用者针对 粗厚件、厚度差异大、以及复杂几何塑件进行冷却模拟。在设计阶段能有效且准确 地分析模温、水路配置效能以及冷却时间。 Warp（Moldex3D 翘曲分析模块）为真实三维翘曲模拟分析工具，可详细剖析收缩 与翘曲成因，在开模之前即可修正问题。 Fiber（实体纤维配向分析模块）可精准仿真充填过程的纤维三维配向，并进一步 计算纤维强化塑件内， 因加工过程引起非等向热机械特性。 可让使用者了解纤维三 维配向， 并可进一步控制强化纤维塑件之非等向收缩。 纤维配向模块基于真实三维 技术，提供正确且详尽的三维纤维配向信息；因此，由纤维配向导致之加工非等向 收缩和机械性能可纳入分析之考虑，以取得更精准的翘曲预测分析。 MCM 多材质成型分析模块， 包含嵌件成型 （insert molding） 、 双射出 （over molding） 和多射依序成型（multi-shot sequential molding） 。以精准的分析能力正确地分析不 同塑件的交互作用行为， 进而优化产品设计。 使用者可以自由铸造金属或塑料嵌件 的模型并进行全面性流动、保压、冷却、翘曲分析。Moldex3D/Solid-MCM 帮助您 预测延迟冷却时间、双色或双射过程中不对称收缩及相异塑料因 CTE （热扩张系 数）产生的翘曲问题。 RIM 反应注射模块为针对热固性塑料的真实三维模拟工具，可进行反应射出成型
从表 1 中数据可知，通过增大注射速度，延长保压时间，降低模具温度后，制品收缩和 翘曲变形得到改善。
5. 结论
Modex3D 丰富的分析模块为注塑成型模拟分析提供了专业的工具， 其 3D 模型也使得模 拟结果更为逼真准确。本文通过两个实例介绍了 Modex3D 在注塑成型模拟分析中的应用， 用户可通过 Modex3D 分析优化制品结构、制品浇注系统和注塑工艺参数，从而提高制品质 量，降低生产成本。
初始方案 图 2 浇注系统改进方案 Fig2 Improvement of the gating system
改进方案
填充结果比较：
初始方案
改进方案 图 3 填充结果比较 Fig3 Comparison of filling results
翘曲变形结果比较：
初始方案 图 4 翘曲变形结果比较 Fig 4 Comparison of warp results
图 8 初始方案冷却水道布置 Fig8 Cooling water arrangement of the initial program
初始方案 工艺参数设置：
填充结果：
51%
82%
95%
98%
流动速率结果：
由图可知，SN4 浇口的流动速率最大，SN3 和 SN2 浇口的流动速率相当。 注射点压力结果：
最大注射压力为 106MPa，压力降为 32MPa，达到注射压力的 30%。 体积收缩率结果：
制品体积收缩率范围为 0%~4.66%，收缩不均匀。图中流动末端孔周围收缩率较大，容易产 生翘曲变形。
冷却后模具温度结果：
型腔侧温度分布（范围：55~79℃）
型芯侧温度分布（范围：47~79℃）
翘曲变形结果：
2. Moldex3D 充模流动数学模型
Moldex3D 中采用 3D 网格，聚合物的塑胶行为被假设为牛顿流体，因此非等温三维流 动行为可由以下的数学式表示[6]：
u 0 t ຫໍສະໝຸດ ( u) ( u u ) g t
(1) (2) (3) (4)
严志云，谢鹏程，丁玉梅，杨卫民*
北京化工大学机电工程学院，北京（100029）
*Email: yangwm@
摘要：本文介绍了专业模流分析软件 Modex3D 及分析模块，并通过两个实例介绍了 Modex3D 在注塑成型模拟分析中的应用， 实例说明通过 Modex3D 可以优化注塑制品结构、 浇注系统和 注塑工艺参数，从而为改善注塑制品质量提供参考。 关键词：注塑成型；CAE；Modex3D;优化 中图分类号：TQ320.66 文献标识码：A
图 5 LCD 外壳 Fig5 Model of the LCD cover
图 6 制品厚度分布 Fig6 Thickness distribution of the LCD cover
图 7 浇注系统 Fig7 Gating system of the LCD cover
冷却水道布置如图 8 所示，图中蓝色水道靠近型腔侧温度为 60℃，其余水道靠近型腔 侧温度为 25℃，冷却系统共有 20 个出入口和 20 组冷却介质。
X 方向变形范围为-1.4mm~2.1mm。
Y 方向变形范围为-0.6mm~1.4mm。
Z 方向变形范围为-1.2mm~1.2mm。 改进方案 为了降低制品两侧部位的收缩率和翘曲变形量，增大注射速度，延长保压时间，降低模 具温度。 工艺参数设置：
注射点压力结果：
改变工艺参数后最大注射压力为 101MPa，压力降为 33MPa，为最大注射压力的 33%。 可见增大注射速度导致流道压力降增大，但是降低了注射压力。
纤维取向结果：
X 方向
Y 方向
总体变形结果：
不考虑纤维取向
考虑纤维取向
分析结果与实际成型结果比较：
分析结果：最大直径 38.60mm，最小直径 38.36mm，圆度 0.24。 实际结果：最大直径 38.68mm，最小直径 38.24mm，圆度 0.44。 从分析结果和实际结果可以看出制品翘曲变形，镜筒截面圆度不佳。 从以上分析结果可以看出熔体流动不平衡， 保压压力不平衡是导致制品收缩不均衡和翘 曲变形的主要原因。改进方案增大浇注系统尺寸如图 2 所示。
体积收缩率结果：
改变工艺参数后，体积收缩率范围为 0%~3.8%，分布仍然不均匀，但是流动末端孔周 围区域的收缩率从 4.6%下降到 3.8%。
表 1 初始方案与改进方案项目比较 项目 注射压力 压力降 注射时间 最大体积收缩率 填充体积 初始方案 106MPa 32MPa 6.7Sec 4.66% 231.55cc 1.4mm 2.1mm 0.6mm 1.4mm 1.2mm 1.2mm 改进方案 101MPa 33MPa 10.6Sec 3.84% 231.55cc 翘曲变形比较 X 方向最小变形量 X 方向最大变形量 Y 方向最小变形量 Y 方向最大变形量 Z 方向最小变形量 Z 方向最大变形量 1.3mm 1.6mm 0.5mm 1.2mm 1.0mm 1.0mm 7.1% 23.8% 16.7% 14.2% 16.7% 16.7% 改善 4.7% -3.1% -58.2% 17.6% 0.0%
PC+ABS_MultilonTN-1000V。选用注射机为三菱注射机 Mitsubishi 450Ton。制品两侧多孔， 填充较困难，孔周围的肋板出容易产生收缩。初始方案浇注系统如图 7 所示。采用增大注射 压力的办法可以解决制品欠注问题，但是会增大锁模力，降低模具与注射机的寿命，同时增 大肋板收缩。改变孔周围的肋板厚度，肋板收缩问题仍然存在。
会因温度而改变，采用的方程式为 Modified-Cross Model
(T , )
0 (T ) 1 (0 / )1 n
Tb ) T
(5)
其中 0 (T ) B Exp(
(6)
3. Moldex3D 优化模具结构
实例模型为镜头筒， 初始分析方案浇注系统及模型如图 1 所示。 镜头筒为镜头安装组件 中的重要零件，要求塑料筒的圆度较高，因此要控制制品的翘曲变形。制品长度为 50mm， 直径为 39mm，体积为 5.5cm3，材料为 PC+20%GF，工艺条件为：注射时间 0.8s，熔体温度 为 310℃，模具温度为 105℃。
改进方案
初始方案：最大直径 38.60mm，最小直径 38.36mm，圆度 0.24。 改进方案：最大直径 38.74mm，最小直径 38.55mm，圆度 0.19。 由结果可知，通过改进浇注系统，制品翘曲变形得到改善，圆度提高。
4．Moldex3D 优化注射工艺
实例模型为 LCD 外壳，模型如图 5 所示，制品厚度分布如图 6 所示。LCD 外壳广泛用 于电脑电视机，制品长度 458mm，宽度 174mm，高度 116.5mm，体积 260cm3。材料为
图 1 镜头筒模型及浇注系统 Fig1 Model and gating system of the lens module
填充结果：
填充 50%
填充 60%
填充 70%
填充 80%
填充 90%
填充 95%
保压结果：
体积收缩率结果：
1.5%
3%
翘曲变形结果：
X 方向变形（-0.1~0.1mm）
Y 方向方向变形（-0.02~0.02mm）
分析。最具代表性的应用包含未饱和多元酯纤维、聚氨酯、液态硅橡胶及利用环氧 基树酯调和成型的微芯片封装之射出成型。 I2 模块接口数据处理功能，可进一步整合 Moldex3D/Solid 分析结果与常见的结构 分析软件，如 ABAQUS、ANSYS、MSC.Nastran 等。 Parallel Computing 并行计算，提高计算效率，节省计算时间。 Viscoelasticity 黏弹性分析模块，可以进一步由流动残留应力的最大正向应力推估 出非等向性的分子排向， 再辅以最大正向应力与最大剪切应力量值提供使用者了解 成品的分子排向与残余应力分布是否符合设计，并进行模具设计与加工条件调整。 后续并可以作为光学非等向性质分析变形之基础， 与纳入翘曲分析之考虑， 以取得 更精确之预测。 OPTICS（实体光学分析模块）除了可精准模拟出射出各阶段下的流动导致之双折 射与受热应力导致之双折射， 并进一步整合光弹分析理论， 提供使用者在光线穿过 物体后所累积之光程差、 条纹级数与光弹条纹等实用信息， 真正做到与实务紧密结 合，提供使用者方便易判读结果之计算机辅助工具。 IC Package 封装模块，可帮助使用者建立微芯片网格，并进行金线布局的设计，以 利进行微芯片封装之金线偏移及导线架偏移等计算。 透过金线偏移计算可预测出充 填过程中， 塑料流动的拖曳力是否造成金线偏移量过大， 导致金线接触而造成成品 短路或金线断裂等问题。此外，导线架受到塑料流动拖曳力所造成的偏移，亦可透 过导线架偏移计算得之。 经由上述的计算分析， 使用者即可在生产前提早预测出因 制程所产生的缺陷并加以避免。
p I ( u u T ) C p (
T uT ) (k T ) 2 t
其中 u 表示速度向量，T 表示温度，t 表示时间， p 表示压力， 表示全部的应力分量，
表示密度， 表示黏度， k 表示热传导系数， C p 表示比热， 表示剪切速率。熔胶黏度
1. Moldex3D 简介
Moldex3D 是台湾科盛科技公司自行开发成功并商业化的注射成型计算机辅助工程分析 (CAE)软件，其中 Moldex 是 Mold Expert（模具专家）的缩写[1]。Moldex3D 完整提供设计链 各个阶段所需要的不同分析工具。eXplorer 直接建构在各种主流 CAD 软件的操作接口，设 计者可直接进行流动分析。eDesign 系列则是一套完整的产品与模具设计工具，方便模具设 计者在模具加工前快速进行验证。Solid/Shell 则是高阶的注塑成型工程分析与优化软件，对 各种塑件均提供深入完整的分析功能。Moldex3D 目前已经发布最新 R9.1 版本。Moldex3D 产品包括以下一些分析模块[2,3,4,5]： Flow（实体流动分析模块）以完整三维不等温 Navier-Stokes 理论为分析基础，可 正确预测流道中受剪切力流影响导致之流动不平衡现象， 可提供实体熔胶流动宏观 及微观的深入分析见解，如喷泉流、惯性效用、重力效用等。 Pack（实体保压分析模块）可提供保压程序问题分析与解析，进一步预测塑料压缩 值（PVT 比容变化） ，以计算保压程序中热塑性材质之流动行为及其密度变化。可 准确决定浇口固化时间、 正确保压时间及适当的保压压力， 最小化高体积收缩率范 围。 Cool（实体冷却分析模块）为分析射出冷却的真实三维分析工具，可供使用者针对 粗厚件、厚度差异大、以及复杂几何塑件进行冷却模拟。在设计阶段能有效且准确 地分析模温、水路配置效能以及冷却时间。 Warp（Moldex3D 翘曲分析模块）为真实三维翘曲模拟分析工具，可详细剖析收缩 与翘曲成因，在开模之前即可修正问题。 Fiber（实体纤维配向分析模块）可精准仿真充填过程的纤维三维配向，并进一步 计算纤维强化塑件内， 因加工过程引起非等向热机械特性。 可让使用者了解纤维三 维配向， 并可进一步控制强化纤维塑件之非等向收缩。 纤维配向模块基于真实三维 技术，提供正确且详尽的三维纤维配向信息；因此，由纤维配向导致之加工非等向 收缩和机械性能可纳入分析之考虑，以取得更精准的翘曲预测分析。 MCM 多材质成型分析模块， 包含嵌件成型 （insert molding） 、 双射出 （over molding） 和多射依序成型（multi-shot sequential molding） 。以精准的分析能力正确地分析不 同塑件的交互作用行为， 进而优化产品设计。 使用者可以自由铸造金属或塑料嵌件 的模型并进行全面性流动、保压、冷却、翘曲分析。Moldex3D/Solid-MCM 帮助您 预测延迟冷却时间、双色或双射过程中不对称收缩及相异塑料因 CTE （热扩张系 数）产生的翘曲问题。 RIM 反应注射模块为针对热固性塑料的真实三维模拟工具，可进行反应射出成型
从表 1 中数据可知，通过增大注射速度，延长保压时间，降低模具温度后，制品收缩和 翘曲变形得到改善。
5. 结论
Modex3D 丰富的分析模块为注塑成型模拟分析提供了专业的工具， 其 3D 模型也使得模 拟结果更为逼真准确。本文通过两个实例介绍了 Modex3D 在注塑成型模拟分析中的应用， 用户可通过 Modex3D 分析优化制品结构、制品浇注系统和注塑工艺参数，从而提高制品质 量，降低生产成本。
初始方案 图 2 浇注系统改进方案 Fig2 Improvement of the gating system
改进方案
填充结果比较：
初始方案
改进方案 图 3 填充结果比较 Fig3 Comparison of filling results
翘曲变形结果比较：
初始方案 图 4 翘曲变形结果比较 Fig 4 Comparison of warp results
图 8 初始方案冷却水道布置 Fig8 Cooling water arrangement of the initial program
初始方案 工艺参数设置：
填充结果：
51%
82%
95%
98%
流动速率结果：
由图可知，SN4 浇口的流动速率最大，SN3 和 SN2 浇口的流动速率相当。 注射点压力结果：
最大注射压力为 106MPa，压力降为 32MPa，达到注射压力的 30%。 体积收缩率结果：
制品体积收缩率范围为 0%~4.66%，收缩不均匀。图中流动末端孔周围收缩率较大，容易产 生翘曲变形。
冷却后模具温度结果：
型腔侧温度分布（范围：55~79℃）
型芯侧温度分布（范围：47~79℃）
翘曲变形结果：
2. Moldex3D 充模流动数学模型
Moldex3D 中采用 3D 网格，聚合物的塑胶行为被假设为牛顿流体，因此非等温三维流 动行为可由以下的数学式表示[6]：
u 0 t ຫໍສະໝຸດ ( u) ( u u ) g t
(1) (2) (3) (4)