基于Moldflow的雙色成型數(shù)值分析及正交法優(yōu)化

譚安平，尹小燕，劉克威

（成都理工大學(xué) 工程技術(shù)學(xué)院，四川省樂山市 614000）

雙色成型是兩種塑膠材料在同一臺(tái)雙色注塑機(jī)上注塑，分兩次成型，但產(chǎn)品只出模一次。雙色成型的后模必須完全一樣，第1色材料的熔點(diǎn)必須高于第2色［1-2］。雙色成型的考察重點(diǎn)為：（1）第2色熔體是否會(huì)融化第1色固體的表面膠料；（2）總的翹曲變形量是否在規(guī)定范圍內(nèi)。通過Moldflow軟件的熱塑性塑料重疊注射模塊，可以模擬雙色成型的充填流動(dòng)情況，并預(yù)測(cè)在不同工藝條件下雙色成型制品的翹曲變形量。

1 Moldflow軟件前處理

1.1 某雙色塑料扣板的3D數(shù)據(jù)及材質(zhì)

某雙色塑料扣板3D Unigraphics NX（UG）建模見圖1，產(chǎn)品總尺寸為195 mm×103 mm×49 mm，總體積為63.69 cm3。第1色材料為聚酰胺（PA）66，廣州金發(fā)科技股份有限公司，牌號(hào)為PA66-C112 NC013，熔體密度為0.961 g/cm3，固體密度為1.151 g/cm3。推薦加工工藝參數(shù)為：熔體溫度285 ℃，模具溫度60 ℃。第2色材料為熱塑性聚氨酯彈性體（TPU），美國(guó)路博潤(rùn)公司，牌號(hào)為Estaloc 59300，熔體密度為0.961 g/cm3，固體密度為1.151 g/cm3。推薦加工工藝參數(shù)為：熔體溫度230 ℃，模具溫度74 ℃。第2色材料熔體溫度低于第1色熔體溫度，滿足雙色成型的條件。

圖1 某雙色塑料扣板的3D模型Fig.1 3D model of double-shot molded plastic gusset

1.2 網(wǎng)格劃分

雙層面網(wǎng)格不能分析裝配體的翹曲變形，因此，雙色產(chǎn)品應(yīng)該采用3D網(wǎng)格。用Moldflow Desgin Link模塊對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行3D網(wǎng)格劃分，修復(fù)完成后見圖2。網(wǎng)格在厚度方向上的正四面體層數(shù)為6層，弦角度為60°，四面體個(gè)數(shù)為821 720個(gè)，最大縱橫比為15，最大二面角為160°。為了保證重疊分析能夠正常運(yùn)行，第1色和第2色接觸面的節(jié)點(diǎn)已經(jīng)對(duì)齊。

1.3 澆注系統(tǒng)和冷卻系統(tǒng)的建立

圖2 3D網(wǎng)格劃分Fig.2 3D meshing

網(wǎng)格劃分完成后，應(yīng)建立合適的澆注系統(tǒng)和冷卻系統(tǒng)。第1色外觀要求比較高，澆口不允許設(shè)置在產(chǎn)品的外表面，采用了潛伏式澆口，流道為冷流道。第2色產(chǎn)品為彈性體，為了保證良好的填充性，采用熱流道系統(tǒng)，澆口為直澆口。產(chǎn)品無深腔及復(fù)雜的內(nèi)部特征，可采用常規(guī)的冷卻水路布置形式。由于產(chǎn)品尺寸不是很大，可采用一模兩腔的型腔布局。建模完成后澆注系統(tǒng)和冷卻系統(tǒng)見圖3。

圖3 澆注系統(tǒng)和冷卻系統(tǒng)建模Fig.3 Modeling for gating and cooling systems

2 Moldflow軟件模擬結(jié)果

系統(tǒng)默認(rèn)的工藝參數(shù)為材料推薦的熔體溫度和模具溫度，保壓壓力設(shè)為最大注射壓力的80%，保壓時(shí)間為10 s。采用默認(rèn)工藝參數(shù)，分析序列設(shè)為填充+保壓+重疊注塑充填+重疊注塑保壓+翹曲，模擬完成后主要考察重新融化區(qū)域及翹曲變形量這兩個(gè)分析結(jié)果。

2.1 重新融化區(qū)域

雙色成型過程中，在第1色成型完畢并冷卻結(jié)束后，第1色熔體凝結(jié)成固體，未從模具中頂出。此時(shí)，后模旋轉(zhuǎn)180°，第1色固體成為第2色型腔的一部分。若第1色溫度較低或2種材料溫度接近，當(dāng)?shù)?色熔體進(jìn)入型腔時(shí)，第1色固體表面達(dá)到熔點(diǎn)被融化，并可能被第2色的熔體料流沖蝕帶走。其結(jié)果是：產(chǎn)品顏色混亂、影響產(chǎn)品外觀、密度不均勻、收縮率不一致、翹曲變形的風(fēng)險(xiǎn)增加。

默認(rèn)工藝參數(shù)的第1色PA 66熔體溫度為285℃，第2色TPU的熔體溫度為230 ℃，模擬結(jié)果顯示沒有重新融化區(qū)域。當(dāng)PA 66的熔體溫度為265℃，TPU的熔體溫度為240 ℃時(shí)，模擬顯示：第1色存在重新融化區(qū)域，見圖4。分析可知：雖然第1色PA 66的熔體溫度較第2色TPU高25 ℃，但剪切應(yīng)力過大可能導(dǎo)致TPU熔體局部溫度過高，使PA 66達(dá)到熔點(diǎn)而融化。

圖4 第1色重新融化區(qū)域分布Fig.4 Distribution of remelting area of the first shot

2.2 翹曲變形量

默認(rèn)工藝參數(shù)下，雙色成型產(chǎn)品的總翹曲變形見圖5，翹曲變形量為2.853 mm，變形量偏大，需要進(jìn)行優(yōu)化。

圖5 默認(rèn)工藝參數(shù)下某雙色塑料扣板的翹曲變形量Fig.5 Warpage of double-shot molded plastic gusset under default process parameters

圖6 注射時(shí)間與成型質(zhì)量的關(guān)系曲線Fig.6 Relationship curve between injection time and molding quality

產(chǎn)生翹曲變形的原因主要有：收縮不均、冷卻不均和取向效應(yīng)［3］。查看分析結(jié)果，冷卻不均和取向效應(yīng)產(chǎn)生的翹曲變形量非常小，不到0.100 mm，可忽略不計(jì)。因此，翹曲變形產(chǎn)生的原因主要是收縮不均。收縮不均是指產(chǎn)品不同區(qū)域的收縮率不一致，其原因主要是澆口不合理、產(chǎn)品壁厚不均勻或工藝參數(shù)設(shè)置不正確等［4］。優(yōu)化的方法是先調(diào)整工藝參數(shù)，若不能解決問題再調(diào)整澆口，仍不能解決問題再調(diào)整產(chǎn)品壁厚。

3 工藝參數(shù)優(yōu)化

工藝參數(shù)包括熔體溫度、模具溫度、注射時(shí)間、保壓壓力、保壓時(shí)間等，雙色成型工藝參數(shù)數(shù)量為普通注塑成型的2倍。其中，注射時(shí)間和保壓時(shí)間這兩個(gè)參數(shù)可以通過Moldflow軟件分析得到。

3.1 注射時(shí)間

注射時(shí)間是注塑成型過程中的一個(gè)關(guān)鍵參數(shù)。若注射時(shí)間過短，極高的注射速度會(huì)使?jié)部趨^(qū)域產(chǎn)生很大的剪切應(yīng)力，局部摩擦加劇，產(chǎn)生高溫；若注射時(shí)間過長(zhǎng)，注射速度過慢會(huì)因材料的冷卻，黏度增加而不易流動(dòng)，造成注射壓力高，甚至發(fā)生短射［5］。

對(duì)第1色和第2色分別進(jìn)行成型窗口分析，可以得到不同模具溫度和熔體溫度條件下的最佳注射時(shí)間。從圖6可以看出：當(dāng)?shù)?色熔體溫度和模具溫度為材料推薦工藝參數(shù)（模具溫度60 ℃，熔體溫度285 ℃）時(shí)，曲線的最高點(diǎn)坐標(biāo)為（0.733，0.865），其物理意義為：當(dāng)注射時(shí)間為0.733 s時(shí)，成型質(zhì)量達(dá)到最高。因此，第1色最佳注射時(shí)間約為0.733 s。同理，當(dāng)?shù)?色熔體溫度和模具溫度為材料推薦工藝參數(shù)（模具溫度74 ℃，熔體溫度230℃）時(shí)，第2色最佳注射時(shí)間為0.537 s。

3.2 保壓時(shí)間

在保壓的過程中，熔體流速很小，保壓時(shí)間必須適當(dāng)。若保壓時(shí)間過短，則熔體不能到達(dá)制件表面縮水的位置，制件可能發(fā)生短射、縮水等缺陷；澆口凍結(jié)以后，制件的質(zhì)量不再增加，繼續(xù)增加保壓時(shí)間是徒勞的，會(huì)造成成型時(shí)間增加、能源浪費(fèi)、成本增加等。

Moldflow軟件可以通過分析型腔質(zhì)量得出澆口凍結(jié)的時(shí)間，然后通過計(jì)算得到最佳保壓時(shí)間。從圖7可以看出：當(dāng)曲線達(dá)到拐點(diǎn)后，型腔質(zhì)量達(dá)到定值，不再增加。當(dāng)?shù)?色和第2色成型時(shí)間分別為7.978，10.280 s時(shí)，型腔質(zhì)量分別為32.06，21.76 g。這表明澆口已經(jīng)凍結(jié)，熔體不能繼續(xù)進(jìn)入型腔，此時(shí)為最佳保壓時(shí)間。根據(jù)公式：成型最佳保壓時(shí)間=澆口凍結(jié)時(shí)間-最大注射壓力時(shí)間，得到第1色最佳保壓時(shí)間約為7 s，第2色約為8 s。

圖7 成型時(shí)間及型腔質(zhì)量關(guān)系曲線Fig.7 Relationship curves between molding time and cavity weight

4 正交試驗(yàn)優(yōu)化

為了使雙色成型制品的翹曲變形量較小，確定注射時(shí)間和保壓時(shí)間后，還需要對(duì)熔體溫度、模具溫度、保壓壓力進(jìn)行田口正交試驗(yàn)，以獲得最佳工藝參數(shù)組合。

4.1 正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)

選取兩次成型的熔體溫度、模具溫度、保壓壓力共計(jì)6個(gè)參數(shù)作為因素，并為每組因素設(shè)定3個(gè)水平，參數(shù)設(shè)定主要根據(jù)推薦的工藝參數(shù)及系統(tǒng)默認(rèn)保壓參數(shù)。正交試驗(yàn)的因素與水平見表1。

表1 正交試驗(yàn)的因素與水平Tab.1 Factor and level of orthogonal test

建立6因素3水平的正交試驗(yàn)L27（36），將每組參數(shù)輸入Moldflow軟件中，實(shí)驗(yàn)1～實(shí)驗(yàn)27的翹曲變形量分別為2.833，2.733，2.433，2.633，2.415，2.307，2.653，2.633，2.915，2.516，2.556，2.356，2.833，2.402，2.433，2.633，2.533，2.533，2.733，2.833，2.053，2.526，2.456，2.422，2.587，2.454，2.554 mm。

4.2 正交試驗(yàn)結(jié)果分析

極差體現(xiàn)了因素變化對(duì)實(shí)驗(yàn)指標(biāo)的影響程度，極差越大，表示所對(duì)應(yīng)的工藝參數(shù)對(duì)實(shí)驗(yàn)?zāi)繕?biāo)（翹曲變形量）影響越大，這個(gè)因素就越重要［6］。從表2可以看出：影響某雙色塑料扣板翹曲變形量的工藝參數(shù)中，其重要程度由大到小依次為E，C，B，A，D，F(xiàn)。

各影響因素的均值主效應(yīng)曲線見圖8，查看曲線的最低點(diǎn)，可以得到最佳工藝組合為A3B2C2D2E3F2，即：第1色熔體溫度295 ℃，第2色熔體溫度230 ℃，第1色模具溫度60 ℃，第2色模具溫度74 ℃，第1色保壓壓力為最大注射壓力的90%，第2色保壓壓力為最大注射壓力的80%。

表2 翹曲變形量的極差分析Tab.2 Range analysis of warpage deformation results

在工藝設(shè)置里輸入最佳工藝參數(shù)后重新模擬，從圖9可以看出：翹曲變形量為1.975 mm，較默認(rèn)工藝參數(shù)（2.853 mm）降低31%，滿足裝配要求，不需要調(diào)整澆口或改變壁厚進(jìn)行優(yōu)化。

圖8 各影響因素的均值主效應(yīng)曲線Fig.8 Mean main effect curves of various influencial factors

圖9 最佳工藝參數(shù)下得到的所有效應(yīng)翹曲變形量Fig.9 Effect warpage deformations obtained by optimum parameters

5 結(jié)論

a）為了預(yù)測(cè)雙色成型可能出現(xiàn)的問題，運(yùn)用Moldflow軟件對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行網(wǎng)格劃分，對(duì)澆注系統(tǒng)和冷卻系統(tǒng)進(jìn)行建模，對(duì)每一色賦予相應(yīng)材料。

b）第1色和第2色最佳注射時(shí)間分別為0.733，0.537 s；第1色和第2色最佳保壓時(shí)間分別為7，8 s。

c）采用正交試驗(yàn)優(yōu)化工藝參數(shù)，得到各因素影響程度由大到小依次為第1色保壓壓力，第1色模具溫度，第2色熔體溫度，第1色熔體溫度，第2色模具溫度，第2色保壓壓力。最佳工藝組合為：第1色、第2色熔體溫度分別為295，230 ℃，模具溫度分別60，74 ℃，保壓壓力分別為最大注射壓力的90%，80%。使用最佳工藝組合得到的翹曲變形量為1.975 mm，較默認(rèn)工藝參數(shù)變形量（2.853 mm）降低31%，滿足雙色成型質(zhì)量要求。