Moldflow在氣體輔助注塑成型中的應(yīng)用

2016-11-09  by:CAE仿真在線  來源:互聯(lián)網(wǎng)

一.氣輔工藝原理

第一階段:塑料注射:熔體進(jìn)入型腔遇到溫度低的模壁,形成一個(gè)較薄的凝固層。
第二階段:氣體注射:惰性氣體進(jìn)入熔融的塑料,推動中心未凝固的塑料進(jìn)入尚未充滿的型腔。
第三階段:氣體入射結(jié)束:氣體繼續(xù)推動塑料熔體流動直到熔體充滿整個(gè)型腔。
第四階段:氣體保壓結(jié)束:在保壓狀態(tài)下,氣道中的氣體壓縮熔體,進(jìn)行補(bǔ)料確保制件的外觀。

二.氣輔注射成型技術(shù)的特性

(1)可保證壁厚差異較大制品的成型質(zhì)量

采用氣輔技術(shù)可將制品壁厚處“挖空”設(shè)計(jì)成氣道,從而保證壁厚差異較大制品的成型質(zhì)量?？珊喕破返男螤?可將原來因壁厚差異較大需分成幾個(gè)零件成型然后組合的制品,實(shí)現(xiàn)一體成型。

(2)注射壓力低

所需注射壓力為普通注射成型注射壓力的10%~75%,相應(yīng)成型同樣投影面積制品的鎖模力也只需普通注射成型鎖模力的10%~75%。

(3)可消除縮痕,提高制品表面質(zhì)量

從制品整體收縮的情況分析,普通注射成型采用樹脂保壓,保壓壓力較高,直到澆口封閉之前都不斷向型腔內(nèi)補(bǔ)充樹脂,因而樹脂密度增大,收縮減小,但澆口封閉以后其收縮部分得不到補(bǔ)償,而無法保證制品表面形體完全與模具型腔表面一致。采用氣輔技術(shù)氣體保壓壓力較小,雖然樹脂自身的收縮較大,但其收縮可由氣體從內(nèi)部膨脹予以補(bǔ)償,使制件不會出現(xiàn)凹痕,因而可使制品表面重現(xiàn)模具型腔表面質(zhì)量。

另外,制品筋肋部分表面出現(xiàn)縮痕是由于制品的壁厚差異造成的,對于這種情況,采用氣輔技術(shù)后,可將筋肋與表面相交處“挖空”減小甚至消除縮痕。

(4)可減小制品成型應(yīng)力和翹曲

采用普通注射成型需要很高的注射壓力,才能使樹脂填滿整個(gè)型腔,并因從澆口處至填充末端的壓力梯度很大而產(chǎn)生應(yīng)力,樹脂在凝結(jié)固化的過程中,應(yīng)力就會“凍結(jié)”、“殘留”,成為成型中的一種“記憶”,待制品脫落型腔后,可能會馬上發(fā)生翹曲變形,或在使用過程中逐步變形,尤其是在噴漆、電鍍等二次加工或裝飾時(shí),這種現(xiàn)象會更明顯。

采用氣輔技術(shù)后,所需注射壓力較低,而且內(nèi)部填充的氣壓處于均等,因此可顯著降低制品內(nèi)部應(yīng)力,又使制品在冷卻時(shí),內(nèi)部氣壓保持恒定,可進(jìn)一步減低制品的扭曲變形趨勢。

(5)可提高制品的強(qiáng)度與剛度

采用氣輔技術(shù)可使壁厚差異較大制品實(shí)現(xiàn)均勻充填,避免了普通注射成型產(chǎn)生較大內(nèi)應(yīng)力缺陷,并可在不增加制品重量下,通過氣道設(shè)計(jì)增加制品截面的二次慣性矩。

綜上所述,采用氣輔技術(shù)后,可簡化模句結(jié)構(gòu)、減輕制品重量、大大節(jié)省材料(20%~30%)、降低鎖模力、縮短成型周期,達(dá)到降低制品成本及提高制品質(zhì)量的目的,因而氣輔技術(shù)得到各行業(yè)的廣泛關(guān)注。

三.氣體輔助注射成型工藝過程

氣輔成型一般包括熔融樹脂注射、氣體注射、氣體保壓、氣體回收、制件頂出等幾個(gè)主要步驟。

首先由澆口向模具型腔內(nèi)注入熔融的樹脂后,再注入一定壓力的惰性氣體(氮?dú)?,借助氣體壓力的作用推動樹脂充實(shí)到模具型腔的各個(gè)部位,使塑件最后形成中孔斷面而保持完整外形,并從樹脂內(nèi)部進(jìn)行保壓,此時(shí)氣體壓力就變?yōu)楸簤毫?。由于靠近模具表面部分塑料的溫度?表面張力高,而處于模具型腔中心部位的熔體溫度高,粘度低,致使氣體易于在塑件較厚的部位(如加強(qiáng)筋)形成空腔,而被氣體所取代的熔融塑料被推向模具的末端,形成所需要成型的制件。氣體可回收,其回收過程發(fā)生在冷卻結(jié)束,開模之前。與傳統(tǒng)注塑成型相比,多了一個(gè)氣體輔助充填階段,且保壓階段是靠氣壓進(jìn)行保壓的,保壓壓力低,可降低制品內(nèi)應(yīng)力,防止制品翹曲變形。由于氣體能有效傳遞所施加的壓力,可保證制件內(nèi)表面上壓力分布均勻一致,即可補(bǔ)償熔體冷卻時(shí)的體積收縮,也避免了制件頂出時(shí)的變形。采用氣輔成型是通過控制注入型腔內(nèi)的塑料量來控制制品的中空率及氣道的形狀,氣輔成型有壓力控制法與體積控制法兩種。氣輔成型循環(huán)周期:

(A)充填階段

1:循環(huán)開始
1-2:注入樹脂
2:完成樹脂填充
2-3:注入氣體前樹脂膨脹時(shí)間
3:開始注入氣體
3-4:注入氣體
4:型腔填充完畢

(B)保壓階段

4-5:氣體保壓
5:氣體泄壓(抽回氣體或派出氣體)
6:開始脫模

(C)脫模階段

注射成型循環(huán)周期內(nèi)壓力與時(shí)間的關(guān)系如圖6所示。普通注射成型,其注射壓力與時(shí)間大關(guān)系曲線表明,在時(shí)間間隔t1內(nèi),型腔的大部分被充滿,從t1~t2之間型腔充填時(shí),注射壓力急劇增大,t2時(shí)刻的壓力為充滿型腔所需的最大的注射壓力,這壓力值也決定了所需的鎖模力。在t2~t3階段,型腔內(nèi)樹脂壓力隨冷卻而下降,在t3之后開模。

對氣輔成型而言,t1時(shí)刻內(nèi)為缺料注射,t1~t2這一段時(shí)間為注入氣體之前,注入型腔內(nèi)的熔融樹脂膨脹時(shí)間。這個(gè)時(shí)間很重要,是一個(gè)重要的工藝參數(shù),根據(jù)不同情況可設(shè)定為零到幾秒之間。這時(shí)間需精確控制。在t2~t3時(shí)間內(nèi)注入氣體,有氣體將熔融樹脂填充到型腔各表面,在t3~t4時(shí)間內(nèi)樹脂冷卻,氣體保持恒定壓力,在t4時(shí)刻開始回收氣體至t5時(shí)刻開模取出制品。

四.氣輔成型制品設(shè)計(jì)的基本原則

能否采用氣輔技術(shù)成型制品,首先在于制品設(shè)計(jì)是否成功。在構(gòu)思及設(shè)計(jì)制品時(shí),就必須考慮樹脂的澆口位置,氣體的入口位置,氣道的形狀及布置,制造的可行性。根據(jù)不同制品的形狀及工藝方法,氣體的入口位置可與樹脂澆口是同一位置,也可以在型腔及分模線的某一部位設(shè)置,可以設(shè)置一個(gè)或多個(gè)。

氣體的入口位置及氣道設(shè)計(jì)是制品設(shè)計(jì)的關(guān)鍵,氣道的作用除了引導(dǎo)氣體之外,另一個(gè)作用是便于樹脂流動。在注入樹脂階段,氣道成為樹脂的流道,因截面面積較大,可降低注射壓力。在氣道設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)注意:(1)氣道相對澆口的布置應(yīng)是對稱或單一的;(2)氣道必須是連續(xù)的,但不應(yīng)自己形成回路;(3)一般情況下氣道體積應(yīng)小于制品整個(gè)體積的10%。

利用氣輔成型的制品根據(jù)結(jié)構(gòu)形狀不同,大致分為三類:

棒類制品,類似把手之類的大壁厚制件
板類制品,容易產(chǎn)生翹曲變形和局部熔體聚積的大平面制件
特殊制件,由傳統(tǒng)注射成型技術(shù)難以一次成型的特殊結(jié)構(gòu)的制件

棒類制品

氣輔成型技術(shù)在棒類制品的成型中顯示出明顯的優(yōu)勢,一般采用中空注射的氣輔工藝,即氣體穿過整個(gè)制件的壁厚部位形成氣道。因此,制件的設(shè)計(jì)即是氣道的設(shè)計(jì)應(yīng)考慮以下方面:

制品截面最好是接近圓形。因?yàn)闅怏w在氣道中穿透形成的中空部分截面趨向于圓形,這樣制品接近圓形可避免因熔體的不均勻分布而造成壁厚不均勻。

當(dāng)制品因使用或結(jié)構(gòu)要求不允許采用圓形截面時(shí),應(yīng)遵循以下原則:外形盡量接近圓形; 避免尖角,采用大的圓角過渡;避免熔體在角部產(chǎn)生堆積;保證整個(gè)制品壁厚均勻。

采用矩形截面時(shí),氣道通常為橢圓形。為保證氣體穿透的均勻性,應(yīng)滿足b≤(3~5)h

制件長度應(yīng)大于制件截面高度h的5倍,保證沿制件長度方向氣體盡量穿透,以得到均勻的壁厚。

氣道轉(zhuǎn)彎處制件應(yīng)有足夠大的圓角半徑,避免內(nèi)外轉(zhuǎn)角處的壁厚差異。

氣道截面尺寸變化應(yīng)平緩過渡,以免引起收縮不均。

氣道入口位置不應(yīng)設(shè)置在外觀面或制件承受機(jī)械外力處。

進(jìn)氣口位置應(yīng)接近澆口,以保證氣體與熔體流動方向一致,但兩者距離應(yīng)在30mm以上,以避免氣體反灌入澆口。

熔體和氣體的注射入口應(yīng)盡量布置在制件中間,熔體流動和制品設(shè)計(jì)應(yīng)保證平衡結(jié)構(gòu),才能確保氣道的均勻穿透。

板類制品

氣輔成型技術(shù)的主要應(yīng)用之一就是板類制件的成型。氣輔成型技術(shù)能有效克服傳統(tǒng)注塑成型中板類制件的一些困難,顯著降低縮模力,減小制件翹曲變形,提高制件的剛強(qiáng)度,避免局部的表面凹陷。

因?yàn)闅怏w總是沿著阻力最小的方向前進(jìn),容易在較厚的部位進(jìn)行穿透,因此設(shè)計(jì)板類制件時(shí)常將加強(qiáng)筋或肋板等較厚部位作為氣道,一般設(shè)在制品的邊緣或壁的轉(zhuǎn)角處。對制品的設(shè)計(jì)也就是對加強(qiáng)筋和肋板的設(shè)計(jì),即氣道的設(shè)計(jì)。

特殊制品

由于結(jié)構(gòu)和使用的要求,一些復(fù)雜的塑料制品不能采用傳統(tǒng)方法一次注射成型,往往需要多個(gè)部件裝配而成。如圖所示的汽車支架零件,凸緣的壁厚遠(yuǎn)大于側(cè)壁的壁厚,采用傳統(tǒng)的注射成型會在凸緣形成明顯的凹陷,影響表觀質(zhì)量和使用性能。該類制品采用氣輔成型后,均能很好地保證制件的表面質(zhì)量,并且大大地節(jié)省材料,縮短冷卻時(shí)間

五.氣體輔助注射成型技術(shù)設(shè)備

氣體輔助注射成型是通過在普通的注塑機(jī)上安裝一套附加的氣體注射裝置來完成的,氣體注射成型裝置有注塑機(jī)、氣輔裝置及特種進(jìn)氣嘴三部分組成。

(1)注塑機(jī)

由于氣輔成型采用壓力控制與體積控制法控制制品的中空率及氣道形態(tài),以對注射熔融樹脂量及注射壓力的精度誤差有一定的要求。要求注射量的精度控制在±0.5%,注射壓力波動相對穩(wěn)定,只要能滿足上述要求的注塑機(jī)在控制系統(tǒng)上能與氣體單元相匹配,均可用于氣輔成型。

(2)氣輔裝置有氮?dú)獍l(fā)生器、控制單元及氮?dú)饣厥昭b置組成。其功能是從氮?dú)獍l(fā)生器中獲取低壓氮?dú)夂?將其增壓為高壓氣體,儲于高壓氣缸內(nèi)。

(3)進(jìn)氣嘴根據(jù)氣輔方式大致分為兩類:一類是主流道式進(jìn)氣嘴,這種氣嘴是利用注射機(jī)噴嘴注射樹脂的通路,實(shí)現(xiàn)對型腔注入氣體也就是待噴嘴完成熔融樹脂注射后,切換成氣體通道。另一類是獨(dú)立的氣體通路專用氣嘴,根據(jù)要求及分析結(jié)果可在塑件的任何位置設(shè)置。

六.利用閥式澆口控制溢料井

這個(gè)例子將討論如何模擬有溢料井的制件在成型過程中利用閥澆口來控制氣體的穿透情況,利用該特征,必需在工藝參數(shù)設(shè)置模板上設(shè)置其參數(shù),在有限元網(wǎng)格文件中相關(guān)的閥澆口的開關(guān)時(shí)間也必需指定。

對于某些氣輔成型例子來說,溢料井可連接在氣道的末端,以便獲得理想的氣體穿透效果。在樹脂注射階段,樹脂填充型腔的其它區(qū)域,而到溢料井的通道是關(guān)閉的,如圖上部所示,在樹脂注射結(jié)束后,可設(shè)定一個(gè)延遲時(shí)間,讓樹脂松弛、薄壁區(qū)域樹脂固化。在注氣之前必須立即打開溢料井,創(chuàng)建多余的一部分體積,與被注入的氣體代替的樹脂相當(dāng)。當(dāng)制件被頂出型腔后,溢料井如不需要可修剪掉。

采用溢料井的優(yōu)點(diǎn)可減少樹脂和氣體充填時(shí)動力學(xué)方面的復(fù)雜性問題,同時(shí),還提供了另一個(gè)控制氣體穿透的方法。其缺點(diǎn)是需要作二次修剪工作,要用額外的材料來填充溢料井。

分析前的設(shè)計(jì)準(zhǔn)備:

模型:制件是一300×60mm,厚度是2.5mm的長方形,氣道布置在制件的邊緣處,直徑為10mm,溢料井布置在氣道的末端。

材料選擇:材料PC(GE Lexan 141)

工藝條件設(shè)定:

工藝條件設(shè)定如表所示,選擇氣體壓力控制,延遲時(shí)間0.4s,氣體注射時(shí)間15s,氣體注射壓力20Mpa。

分析結(jié)果:

熔體流動前沿:熔體在2.55s,型腔充填到90%時(shí)的流動前沿,溢料井此時(shí)打開。延遲時(shí)間為0.4s,在2.95s開始注入氣體,隨著氣體的穿透,熔體前峰進(jìn)入到溢料井中,當(dāng)時(shí)間為3.1s時(shí),熔體前峰在氣體的推動下完全填滿溢料井。

樹脂皮層厚度因子:

充填結(jié)束時(shí),氣體繼續(xù)穿透以補(bǔ)償樹脂的體積收縮,氣體二次穿透情況如圖所示。

壓力分布:

是在4.5s時(shí)的型腔壓力的分布情況,壓力分布較均勻。

結(jié)論:通過分析獲得理想的氣體壓力曲線,以便獲得合適的熔體流動速度,確定合適的工藝參數(shù),獲得在氣體壓力控制或氣體體積控制下的相似的氣體壓力曲線。

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