用材料数据实现理想的成型模拟

作者:文/CAE服务公司 Tim Lankisch 文章来源:PT《现代塑料》2015年4月刊 发布时间:2015-04-14
大多数从事塑料行业的人都会有一些成型模拟的经验,但是对于成型模拟的效果却意见不一.事实上,用于成型模拟的材料性能以及由此材料获得的数据质量对于模拟效果有重要影响,如果能对其进行妥善处理,那么就有更多可能实现理想的模拟效果.

大多数从事塑料行业的人都会有一些成型模拟的经验,但是对于成型模拟的效果却意见不一。事实上,用于成型模拟的材料性能以及由此材料获得的数据质量对于模拟效果有重要影响,如果能对其进行妥善处理,那么就有更多可能实现理想的模拟效果。

在过去的20年中,大多数一直从事塑料行业的人已经积累了一些流动分析的经验。对于外行来说,流动分析是计算机模拟,它提供了一种方法来预测塑料在注塑模具中将如何流动以及这一过程将对充模压力、收缩、冷却和最后的翘曲产生怎样的影响。一般,有模拟经验的人能很快给出一个对于这种分析方法的意见,这些意见一般分为三类:它糟透了,无法正确预测任何事情;它足够接近,能提供一个相当好的趋势;它完全正确。至于能实现哪种效果,很大程度上取决于用于这些模拟的材料性能。

警惕“GIGO”规则

构建一个好的模拟模型需要几个方面的良好输入,而一个熟练且有经验的分析师能评估这些输入,并从分析中获得理想的结果。对于注塑成型模拟,部件和模具的几何形状以及加工条件都必须被正确地建模。此外,还要特别注意材料的性能,这是本文的主旨。下面的内容将针对最常用的模拟软件之一Autodesk Simulation Moldflow Insight(ASMI)要求的材料数据进行详细讨论。

根据不同的模拟类型,充分表征一种用于分析目的的塑料可能需要多达10组的材料性能。在材料表征过程中,任何影响数据质量的不确定性都可能导致不确定的结果。通过这些数据生成的图片可能看起来非常好,但确是错误的,这就是“进来是垃圾,出去也是垃圾(garbage in,garbage out,简称‘GIGO’)”的典型例子。没有谁会希望制造或运行一个从不确定的结果中获得的模具。基于数据质量的重要性,审查Moldflow结果的工作人员要对材料数据非常了解,否则当开始成型部件时,会得到令人吃惊的结果。

充模/保压分析

较常用的一种模拟是在充模和保压阶段。充模分析的主要目的是预测基于浇口方案和输入此模型中的过程条件的充模模式(filling pattern)。充模模式可以让我们看到是否有合理的流动平衡,确定压力和合模力的要求是否合理,焊缝位置是否有问题。保压分析能帮助预测保压压力如何分布在部件的不同区域以及这些区域相对于其他区域的收缩情况。熔体流变性、接合头损失、压缩性(pvT)、和热性能(比热、热导率和转变温度)这几个材料性能常被模拟软件用于确定材料的流动和保压行为。

熔体流变性是流动行为的原动力,它描述了聚合物黏度与其剪切速率和温度之间的关系。图1显示了在毛细管流变仪上针对一个真实的剪切速率范围生成的黏度数据。这些曲线可以用于任何直接生成、填充或玻璃纤维增强的树脂。Y轴代表相对黏度,X轴代表剪切速率。每一条曲线表示该聚合物在其典型熔体温度范围内的一个不同温度值下获得的结果。

在注塑成型中,全塑料的流动方式是层流,即在观察一个横截面时,这些层以相对于彼此的不同速度流动。正是这种流动方式,使它们相互产生了剪切力,具有摩擦性质。这些摩擦力促使聚合物分子不断调整,以更容易流动,其所产生的热量往往大于模具钢对材料的冷却速度,因此会引起材料的剪切变热。这些影响都会在图中显示,其中温度和剪切速率的增加会导致黏度的下降。

需要注意的一点是,看上去相似的材料其黏度曲线往往存在显著差异。在注塑成型中通过对比每种材料的熔体流动指数(MFI)来评价两种材料的加工性能是很常见的,但用于判断一种材料,这可能不是一个好方法。这是因为MFI测量是在流变曲线的最左边进行的,此时的剪切速率非常低,与注塑成型中产生的剪切速率相差甚远。

图1显示了叠加的两种不同的20MFI(单位是g/10min)材料。部件中的整体剪切速率通常在50~1000s-1的范围内,而浇口中的剪切速率为5000~100000 s-1。对比黏度曲线可发现,基于MFI范围内的剪切速率测得的黏度水平与注塑成型中的黏度水平存在数量级的差异。

在充模分析中,接合点损失是一个常被忽视的材料特性。接合点损失是一种带有材料特点的压力损失,它发生在熔体输送系统中的接合点位置,如注道与流道相接或流道与浇口相接之处,在这些位置孔口尺寸会有大的变化。

接合点损耗系数(也称为Bagley校正系数)来自一系列基于不同模头长度的毛细管黏度试验。将从试验中测得的压力损失与在相同几何形状下得到的模拟压力损失进行比较来找到最合适的系数是一种可行的方法。由于保压结果很大程度上取决于压力的预测,因此接合点损失数据对模拟非常重要。如图2a+b所示,有无接合点损失数据会在压力预测中产生13%的差异,在收缩率预测上产生5%的差异。

热性能数据不仅能用于充模和保压分析,还可在冷却分析中使用(如图3a+b所示),这些性能数据主要有比热和热导率。非常关键的一点是,这些值要在宽泛的温度范围测量,因为通常情况下一个材料数据库对于每一个性能只有一个数据点,这可能会对结果产生很大的影响。相同的热性能必须针对模具钢进行测试,特别是部件中含有传导性较高的金属(如铜铍合金)嵌件时。这些性能对于确定塑料对模具钢的放热速率非常关键,且还会进一步影响到其他几个结果,如压力、材料冻结、收缩和翘曲。

在充模和保压分析过程中使用的最后一组数据是压缩性数据,又名“pvT(压力、体积和温度)数据”(如图4中所示)。虽然是在充模分析中使用,但它对保压分析同样有非常重要的影响。这些曲线描述了材料的比容(体积质量比,或密度的倒数)如何随温度(冷却)和保压压力的变化而变化。

如果从右到左地观察任何一条曲线会发现温度呈逐渐降低的趋势,而随着温度降低,材料的比容也不断减小,这意味着材料随着它的冷却而收缩并致密化,当然这些是我们已经知道的东西。这些曲线中的每一条都是在不同的压力下测得,最低的压力对应最高的曲线,最高的压力对应底部的曲线,这表明在一个给定的温度下,更高的压力会导致更低的比容,也意味着材料正被保压压力压缩。在这个区域里,数据库性能可能没有被完全表征或被另一种材料所取代,在此情况下,收缩(以及翘曲)的预测可能是错误的。

CRIMS是什么?

从充模、保压和冷却分析中获得的结果都会在部件脱模后的翘曲形状预测中起到作用。在此阶段,残余应力的计算是需要在后台进行的关键计算之一。这些在充模、保压和冷却过程中产生的残余应力成为作用于部件上的内部载荷,最终表现为翘曲。几年前,Moldflow开发了一个实证材料试验,用实证数据对残余应力的计算进行修正,以更好地预测材料的收缩。

CRIMS(修正模内残余应力算法)是对由分析所用的树脂制成的一系列成型标记模头部件进行验证从而获得数据的一种方法。在试验过程中,模具被设计成有单向流动。一系列的28个成型制品在各种不同的条件下制备,包括壁厚、填充速度、保压压力、熔体和模具温度以及冷却时间上的变化。样品允许收缩一周,并沿部件的不同蚀刻位置对流动方向和横向流动方向的收缩率进行测量。数据结果被评估,并生成CRIMS系数。

由于一般的塑料特别是纤维填充塑料,收缩并不是各向同性(在所有方向上相同)的,因此收缩率的变化在预测一个部件的翘曲形状时有非常重要的作用。在无此数据的情况下进行翘曲模拟非常不准确,尤其是针对纤维填充材料。有无CRIMS数据产生的不同结果在图5a+b中得到了展示(a为采用CRIMS数据进行模拟的结果,b为没有CRIMS数据得到的模拟结果。)为什么要这么计较呢?因为获得准确的结果是进行分析的根本目标。但在已决定进行模拟工作时,可能已经没有足够的时间进行材料测试。如果模具制造商已经开工,那么时间方面就非常紧张。如果必要,可以更早地主动开始分析,这能为材料试验预留更多的时间。

如果现在有一组常用于部件的材料,那就应该考虑对这些材料进行测试,使它们适用于更多的模具。如果不能对材料进行测试,应该依靠分析师或材料供应商的专业知识来选择一个可行的替代品,但要认识到在结果中可能会存在错误。

对模具进行模拟可以发现很多东西。从部件设计到模具设计和加工,借助有经验的分析师的帮助可以比较多个不同的方案,并最终决定哪个方案最适合你的部件。全面的材料表征将提供最准确的结果。图1 此图显示了在相同的温度范围内两种不同的20MFI材料的曲线。基于MFI范围内的剪切速率测得的黏度水平与注塑成型中的黏度水平有数量级的差异图2a+b接合点损失是一种带有材料特点的压力损失,它发生在熔体输送系统中的接合点处,如注道与流道相连接或流道与浇口相接之处,在这些位置孔口尺寸会有大的变化。根据图中显示的结果,有无接合点损失数据在压力预测中产生了13%的差异,在收缩率上产生了5%的差异图3a+b 热性能包括比热(a)和热导率值(b)。在宽泛的温度范围内测量这些值是很关键的一点,因为通常一个材料数据库针对这些性能中的每一个只有一个数据点,这可能会显著地影响结果图4 压缩性数据被用于充模分析过程中,但它在保压分析过程中也有重要影响。这些曲线描述材料的比容(密度的倒数)如何随着温度(冷却)和保压压力的变化而变化图5a+b  CRIMS(修正残余模内应力算法)是对一系列用一种特殊树脂制成的成型标记模头部件的验证。CRIMS数据的重要作用在图中的翘曲结果中得到了展示。a图采用了CRIMS数据,b图没有采用CRIMS数据

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