翹曲模擬不準？那是因為沒有考慮注塑工藝

模具製造商已經使用基於零件設計的模流分析工具20多年，以獲得能夠提前對注塑成型行為的洞察，即使這種洞察只是暗示在他們的下一次成型試驗中可能實際發生的情況。現在很少有注塑企業敢在沒有基本設計模流分析的情況下製造模具。然而，注塑企業面臨著一個尷尬的現實：在模流分析階段，注塑工藝還是未知數，如果在最初的模具試驗中無法開發出視窗足夠大的注塑工藝，最終的結果可能是需要修改模具，同時進行額外的試模。這樣的結果會造成大量的時間和經濟損失。

圖1 實驗產品示意圖

在透過模流分析軟體預測產品的收縮和變形時，模擬和實際之間的差距尤其重要。我們如何做到透過模流軟體虛擬地最佳化零件設計、模具設計和注塑工藝，使得新模具的生產工藝視窗變得足夠大，並且第一次試模就能達到期望的效果？

在過去，人們使用模流分析軟體可能僅僅是用於預測模腔充填的時間。而今天，我們所處的時代已經要求使用模流軟體不只是要預測模腔填充時間，而且能夠完整的預測到整個模具和成型過程的每一個細節，包括所有成型階段（填充、固化、頂出、脫模後的冷卻和成型週期之間間隔的時間等等）。這項技術的一個顯著進步是，可以在多個連續的成型週期內模擬成型工藝，從而考慮開機啟動後模具溫度的變化情況。

我們現在正處於一個所謂的“虛擬成型”時代：在模具製造之前，模具配置和工藝的結果可以被精確地最佳化。它不再需要先開模具，然後再找到一個工藝。所有問題在模具加工之前都可以預先找到。

使用模流分析軟體虛擬成型方法對注塑公司的工作流程有著巨大的影響。為了更快地交付更高質量的產品，注塑企業面臨的壓力越來越大，在虛擬成型環境中同時最佳化模具和工藝的需求也變得越來越迫切。

本文透過一個例項說明了傳統注塑成型方法和虛擬成型方法之間的一些區別。重點研究了每種方法對產品頂出後冷卻到環境溫度後產品零件變形的影響。

對於塑膠而言，收縮率是聚合物密度區域性變化的結果，這在很大程度上取決於塑膠的溫度和壓力。在注塑成型過程中，塑膠的溫度或壓力的任何變化都會對聚合物的區域性收縮和聚合物分子之間的自由能產生影響。塑膠分子間距和取向的變化，會導致產品尺寸不穩定，這種變化甚至在零件從模具中彈出後仍在進行，甚至會持續數日，即所謂的產品後變形。

因此，要了解翹曲的發生的根本原因，有一個特別重要的領域：頂出時零件的熱力梯度。我們採用的例子當中，使用了10%玻璃填充聚碳酸酯，你可能會問，玻璃纖維取向如何影響變形？

由於產品本身的厚度較厚，而材料只含有10%的玻璃纖維，所以，雖然纖維取向會對翹曲產生影響，但在這個例子當中，它不佔主導地位。相對而言，產品的熱梯度更為重要，因為熱梯度會影響脫模後的塑膠固化過程。這些區域可以與保壓壓力隔離，並會進一步收縮。後期固化的獨立區域也會在產品脫模後收縮更多。在脫模之後，由於零件不再收到模腔的約束，產品更容易發生翹曲變形。

不考慮注塑工藝的模流結果

使用10%玻纖填充的PC對圖1所示產品進行注塑成型。傳統的模流模擬方法會使用均勻的模具溫度來預估翹曲。而且模擬的收只會計算一個成型週期（填充、保壓和冷卻），基於此假設的翹曲分析結果如圖2a所示。

圖2a，基於一個成型週期的翹曲分析結果

這個結果可能會有什麼問題，其含義是什麼？注塑企業通常將模具溫度視為一個固定的值，通常會與冷水機組上的設定值相同。但是，模具溫度動態變化的，模具沒有特定的固定溫度，它會在一個特定的範圍之內波動。模具溫度甚至會受到模具在兩個迴圈之間間隔的時間影響，此時開模狀態的模具會產生對環境的熱輻射。

我們採用第二種更為靠譜的模流分析方法。我們不假設模具溫度均勻，而是將模具溫度計算為和時間相關的函式。為了得到這個結果，所有模具部件和塑膠之間的總傳熱需要考慮進來，然後計算冷卻迴路和模具板之間的傳熱、模具部件導熱的影響、熱流道歧管的熱效應、甚至對環境的傳熱等等。不只是考慮型腔形狀，而是考慮整個模具結構（圖3）。