MoldFlow---流动行为

江边鸟

理论：流动行为及设计原则

$ Q8 ~7 ~$ U  J注射成型
注射成型是一种把高分子材料制成复杂形状的产品的成型工艺，整个过程包括材料的加热，射出材料到模具，材料在模具中的冷却及产品的顶出。在此过程中有上百个参数变量，这些参数变量可以大致分为两组：机器参数变量和高分子材料参数变量。机器参数变量是可以在注塑机上设置和调整的，材料参数变量直接由材料的特性决定。
% z+ I6 K0 n3 {9 k7 J如，料桶温度是机器变量，但材料实际的熔融温度是材料变量。MPI 主要是依据材料特性工作的，集中关注高分子材料在注射时的流动行为、冷却及最终的形状，或产品从模具中顶出后的变形翘曲情况。

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注射成型机
7 Y# D8 I' Z8 s3 g9 Z, @注射成型机由很多部分组成，主要组成如下：
• 料斗：
$ h; R8 K# ~: ~# F0 z  \; M$ I3 {颗粒状材料由此装入成型机。
• 料筒，螺杆：
料筒及螺杆从料斗获取材料，然后加热塑化，此处涉及到一个材料变量“熔料温度”。
3 u# S6 B) K2 w9 _1 o6 G• 液压单元
- _+ q3 B8 z& x2 }& U  ~0 o液压单元提供一个压力把塑料挤入模具，压力的提供者油压或其它液压是机器的参数，由此产生的塑料压力是材料参数“注塑压力”。液压压力与注塑压力的比值叫做增强比，一般为10:1，可以更高。

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注塑成型工艺
4 ~! j3 V. b6 g6 W0 X5 e注射成型工艺整个周期主要由4 个部分组成，如下：
• 填充时间：
2 c7 b5 k! K9 u' ?/ u, n5 P  M3 z填充时间开始于模具合模，螺杆向前推进，将材料挤入模具，这个过程一般非常快。材料一接触冷的模壁，马上就粘在上面并凝固，流动通道在凝固层之间，注射的速度对凝固层的厚度有很大影响。大多数情况下，填充是影响产品品质的主要因素。填充分析是成型周期中最短的一部分。
• 保压时间：
4 }4 T$ [- O( t0 A: n: }模腔充满时，压力仍持续作用于材料上，以便更多的材料可以进入模腔，主要是为了补偿材料在冷却过程中的收缩引起的体积变小。
! {4 _, s$ t" I9 L- _• 冷却时间：
0 v& U4 C' g' d此时没有压力作用于材料，产品继续冷却凝固，直到冷却到可以顶出为止。当产品冷却时，螺杆已经开始后退加料，为下一个循环做准备了。
, u# Z: n8 }1 r: h7 a• 开模时间：
模具打开，顶出产品，然后再合模准备下一个循环。

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注射成型周期
, a9 T; n4 m9 N( T) |在一个典型的注射成型周期中，冷却时间是最长的部分，接下来是保压时间，开模时间，最后是注射时间。冷却时间超过整个循环周期的50%，注射时间仅占约3%到5%。
& A. L, H' h7 r$ I4 P具体的参数涉及到产品、材料及成型机。
( V* B/ e7 X, ?" \: d/ \; ~注塑模
注射模具主要由两部分组成，定模及动模。可能有其它名称，如定模也叫A 模或母模；动模也叫B 模或公模。

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流动行为
成型阶段
成型阶段是从塑料分子角度来看整个注射成型周期，以下是简要说明。
填充阶段
; e5 _8 F9 m1 i6 {, X* h$ S' A材料进入模具，在速度的控制下填充模具，模具刚好充满时填充阶段结束。填充时，材料进入模腔，凝固并粘在模壁上，材料以喷泉形式向前填充，由于剪切作用产生热量。
2 Z- T: u6 ~% G/ x2 A加压阶段
9 I( r3 w4 ?: U+ @5 L7 E" }) `模腔填充满时，螺杆在压力作用下仍向前推动，由于材料的收缩，螺杆还可以继续向前移动一段时间，到填充末时刻最大压力出现时，增压阶段结束。材料的流动与填充阶段很相似，但凝固层迅速加厚，流动速度迅速降低。
补偿阶段
( J$ G" q+ f% s4 [) @5 C( b  {, \此阶段机器螺杆由压力控制继续向前移动，额外的料被挤入模腔，以补偿塑料在熔融料温状态与室温固态之间的体积差。在补偿阶段，由于温度不稳定，所以流动也不稳定，这将会导致产品局部取向性较强，可能引起翘曲。

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喷泉式流动
2 G6 E( b& b. D$ ]$ N) Y* Y喷泉式流动表示了塑料在模具填充时的流动形态，在断面中间层的塑料流动速度最高。当中间的分子流到最前面，然后随波峰流向模壁，冷却凝固并粘在模壁上。先填充进产品的分子大都分布在产品表面，而后填充入的分子大都在产品中心MPI 假设整个填充过程中塑料都以喷泉形式流动，但实际上在设计较差的浇口附近，在短时间内塑料不是以喷泉形式流动的。这种情况用Midplane 和Fusion 是分析不出来的。

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截面的流动方式 & 分子取向
填充过程中，产品截面上的分子取向、剪切应力及剪切率分布都有很大的差异。剪切率定义为一个分子以多快的速度滑行过另外一个，或在整个距离上的速度差，标准单位是1/秒。剪切应力是作用在某区域上的力，单位是MPa 或psi。当以喷泉形态填充产品时，截面中间的分子移动较快且相对速度比较均匀，因此，此处剪切率低，分子间的剪切拉伸应力也较小；靠近凝固层的分子，速度低，但速度梯度很大，剪切率很高，这导致分子间的剪切应力很大，这里的分子将会沿着流动方向排布。

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截面上的热传
5 _! c. u9 W' F) D7 Y$ n$ l. D由于在凝固层内侧剪切率很高，所以此处由于剪切产生很多热量，流动中间层从注塑机料筒中不断带入新的高温料。模具温度相对塑料温度很低，当塑料进入模腔后，接触模壁，冷却凝固。当流动速率固定时，凝固层厚度很快达到稳定状态。在填充阶段，大部分的热传位于凝固层内侧的高剪切区域。恰当的说，填充阶段传入模具中的热量正好等于剪切产生的热量。截面上有着非常平均的温度分布对保压非常有利，所以填充过程中温度均匀是使用MPI 的首要原则。

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填充注射速率与凝固层厚度
填充时，填充速度对凝固层厚度有很大的影响。填充过程中，剪切热的多少依赖于填充速率。填充速率越高或填充时间越短，剪切热就越多，凝固层厚度就越薄；相反，填充速度越低，凝固层越厚。当凝固层很厚时，实际的塑料流动通道不能得到很高的压力；相反凝固层薄时，压力传递就较好。

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以下图7 描述的是填充时间在0.2 秒与20.0 秒之间的情况。产品壁厚3.0mm，流动长度约900mm，材料是ABS，X 轴是填充时间。当填充很快时，填充所需压力由剪切或注射速率控制，随着时间延长，压力降低。在5 秒左右，压力又开始上升，因为材料温度太低，粘度非常高。 温度则总是下降的。 所有的热塑性塑料都有这个“U”形，也许“U”形的峰值位置会有所变化，但时间－压力的曲线始终是“U”形。上限时的温度约等于材料进入产品时的料温，下限大概下降了20ºC 。