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[研讨会论文] 多模穴几何平衡与几何不平衡流道对成品真圆度的影响

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发表于 2011-8-17 14:20:27 | 显示全部楼层 |阅读模式

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摘要

本论文是藉由 Moldex3D 模流分析软件【1】, 于射出成型的过程,探讨多模穴几何平衡流道与几 何不平衡流道的设计,对产品真圆度的影响。研究 中,采用均匀厚度的针筒,由于针筒为狭长形同心 圆产品,在局部收缩不均的翘曲情况,对真圆度造 成影响。本研究先利用 Moldex3D 对几何不平衡流道 设计做分析,找出良好的加工参数,再以相同的加 工参数,对两组配置方式不同的几何平衡流道设计 分析。比较三种的翘曲变形及对产品真圆度的影响。
结果发现,几何流道平衡的设计较几何不平衡 的流道设计,收缩、翘曲均小,且真圆度较佳。而 同为几何平衡的流道设计,流道配置均匀有较好的 均衡流动的设计也有真圆度较佳的结果。


关键词: 几何平衡流道设计,真圆度


前言
在传统的射出过程中,塑料粒经过料筒内螺杆 的挤压、加热熔融后,在极短时间内,以高剪切速 率状态下射入较冷的模穴;而流体前端,其流动情 形乃由模具中心层流向模具表面而固化,即所谓的「喷泉流动」,此流动现象使得成型品截面的分子配 向性差异很大。等到流体完全填满模穴的瞬间,模 穴压力迅速升高;之后模穴压力保持一段时间,使 更多质量挤入模穴内,以减少产品冷却后的收缩效 应;接下来由于冷却效应,模穴内压力逐渐降低, 直到浇口固化后,即可结束保压冷却阶段,此时螺 杆后退,预备进行下次射出的熔料动作。而将模穴 内压力迅速降低至与外界压力相同后,仍继续进行 冷却效应,直到模穴内塑料最高温度低于适当温 度,例如熔解温度或玻璃转化温度等,即可脱模取 出成品。
【2】在塑料射出成形加工的过程中,常会碰到以下 几种影响成品质量的问题:短射、毛边、包封、收缩下陷、气泡孔洞、破裂、翘曲变形、缝合线、流 痕、喷流、银条、烧焦或黑条等等。而这些问题形成的原因可能是模具设计不良、塑料材料特性的问题、加工条件设定不恰当或是加工环境等其他的问 题所造成。传统上,对于这些问题的解决,不外乎 以现场人员的实务经验配合试误法来行修模、试 模,此种方法不仅耗时耗资,且经验传承不易,不 符合目前瞬息万变的产品需求及激烈的国际市场竞 争环境。
【3】随着塑料产品的蓬勃发展,产品开发时间的缩 短,及减少试模的成本,公司开始导入 CAE 软件来 辅助产品的开发。CAE 模流分析的软件技术【4】, 精准度越来越高,只要是塑料制品大都可以在开模 前用 CAE 模流软件来分析流动过程及产品缺陷,以 减少及解决零件及模具的设计错误,缩短零件及模 具在开发上的时间及修模的费用。
本研究主要以 Moldex3D 这套计算机辅助分析软 体。一开始先对要分析之成品外观进行 Pro/E 绘 图,然后转成 igs 檔以进行 Rhino 修改有限元素的 网格,并设定浇道位置、长度和形状,存档后以 Moldex3D 开启,输入加工条件和材料,进行模流分 析。
在众多医疗产品中,针筒依旧为需求量较大的 消耗品。由于针筒是狭长型的同心圆产品,厚度均匀,但在熔胶充填及保压过程,因流道配置的设计, 导致熔胶温度和剪应率不对称,造成流动不平衡
【5,6,7】,也使后续的温度、压力上下左右局部 分布不同,导致体积收缩也上下左右不均的情形, 相对造成翘曲而使真圆度有所偏差。


本研究以 Moldex3D 分析软件为主轴,进行多次 的模流分析,找出良好的加工参数,再探讨比较几 何平衡流道设计与几何不平衡流道设计对真圆度的 影响,以及同为几何平衡流道设计的条件下,流道 配置的改变,对产品真圆度的比较。我们希望藉由 此研究的结果,可以带给业者于生产设计,有着相 当的参考价值,以提升产品质量,并加速模具设计开发。

 楼主| 发表于 2011-8-17 14:21:16 | 显示全部楼层
理论分析

在射出成形多模穴几何平衡的流道系统模具 上,其熔融塑料的充填过程,根据先前的研究【5,6,7】表示,因不对称的温度和剪应率分布问题, 会造成不平衡的流动填充。
目前 Moldex3D 模流分析中,假设熔融塑料的行 为如同 Generalized Newtonian Fluid(GNF),其非等 温的三维流动支配方程式【7,8,9】数学描述如下: 质量守恒的连续方程式(Continuity Equation)
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 楼主| 发表于 2011-8-17 14:21:54 | 显示全部楼层
研究方法

由日本泰尔茂(TERUMO)公司所提供医疗针 筒成品,如图 1 所示。针筒细长,为提高产量,采 用一模八穴多模穴。
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3.1 产品模具设计

成品针筒设计,有 1.0mm 和 2.0mm 均匀肉厚。 圆筒部份外径为 6mm,内径 4mm,均匀肉厚 1mm。图
2 为非平衡流道设计配置情形,另两种不同配置的 平衡流道如图 3 和图 4 所示。
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图 2 非平衡流道设计配置图 图 3 平衡流道设计 I 配置图 图 4 平衡流道设计 II 配置图

3.2 加工材料
选用的材料为奇美(CHI-MEI)所生产的压克力 (PMMA),型号 ACRYREX CM207。PMMA 的材料透明性 特优、硬度高、表面光泽佳。本研究所选取的材料, 其黏度、比容、比热和热传导系数请参考 Moldex3D 的材料库。
3.3 加工条件 本研究设定加工参数后,进行模流分析,经由分析结果比较修正后,找出良好的加工条件参数如 下:充填时间为 0.1 秒,塑料温度 245℃,模具温 度 75℃,最大射出压力 500MPa(70%),保压时间3 秒,最大保压压力 170MPa(70%),并在充填至99%切换保压,如表 1 所示。


表 1 成形加工条件
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 楼主| 发表于 2011-8-17 14:23:04 | 显示全部楼层
结果与讨论

4.1 非平衡流道设计的流动及影响
A、熔胶流动波前时间
本研究采用 Moldex3D 模流分析软件,其熔胶流 动波前是以不同颜色显示不同时间之流动波前位 置,利用流动波前数据可以检查充填、保压过程的 流动情形。在分析设计中,我们将模穴分别标示为 A1~A4、B1~B4 两方向,其中靠近进胶胶道的模穴 A2、A3、B2、B3,在流动长度上相同,而模穴 A1、 A4、B1、B4,流动长度相同,如图所示。
图 5 为几何不平衡流道设计,流道波前达 15%时 熔胶流动的情形,我们可以清楚发现,靠近胶道的 模穴 A2、A3、B2、B3,熔胶已流动进入模穴内,而 距离胶道较远的模穴 A1、A4、B1、B4,则还未进入 模穴充填。

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图 5 非平衡流道波前 15%
图 6(a)为流动波前达 96%时的熔胶位置,我们可 以发现,此时模穴 A2、A3、B2、B3,已经充填完毕, 而模穴 A1、A4、B1、B4,则还有小段体积还未充填。 图 6(b)为 A1、A2 的流动不平衡放大图,很明显发 现 A2 比 A1 较快充填完毕。
由于熔胶在充填流动时,并未同时的到达每个 模穴,所以很容易造成各模穴间温度、压力… 等等 的差异。相继也会影响到体积收缩和翘曲的情形, 导致产品的真圆度大受影响。

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图 6 (a)非平衡流道波前 96% (b)A1、A2 局部放大图


B、体积收缩率 体积收缩率分布是显示在充填及保压结束,高温高压状态下,冷却至常温常压的体积变化百分 比。正值代表体积收缩,负值代表可能由于过度保 压,造成的体积膨胀。不均匀的体积收缩率分布, 会导致塑件翘曲以及脱模变形。图 7 为非平衡流道 的体积收缩率分布情形,收缩率分布为-1.094%~3.976%,总差距5.07%,平均值是 1.58%。图 8(a)、(b)为模穴 A1 的
X、Y 方向体积收缩的剖面呈现图。

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图 7 非平衡流道的体积收缩率
由图 7 可看出成品上端表面收缩率最小,甚至 是膨胀,此乃因充填时最先填充,表面最先冷却, 温度较低,但经过保压的冷却后,压力最高,故虽 然上端最厚,但表面的收缩最小。惟从图 8(a)、(b) 看出上端内部的体收缩是最大的,乃因上端厚 2mm, 经填充保压后,温度较高,致使上端内部体收缩最 大。

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图 8 (a) X 方向(b) Y 方向的体积收缩剖面图
C、翘曲变形
图 9 表示在 Z 方向翘曲总位移分量分布。由图 中可以清楚发现,其 Z 方向翘曲量分布在-0.083mm~
0.08 3mm,Z 方向总翘曲量 0.166mm。另总翘曲变形 量 0.343mm。


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图 9 非平衡流道的翘曲变形图


4.2 平衡流道设计 I 的流动及影响
A、熔胶流动波前时间
本研究利用 Moldex3D,使用比同几何不平衡流 道设计加工条件参数,进行分析。选择两组同为几 何平衡的流道设计作为研究探讨。图 10 为流道几何 平衡 I 流动波前在 15%时的熔胶分布情形。从图中 我们可以明显发现,熔胶几乎同时间进入各个模 穴,比之几何不平衡的流道设计,此设计较为理想。



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图 10 流道几何平衡 I 熔胶波前 15%


图 11(a)为几何平衡流道设计 I 的流动波前达
96%时熔胶的分布情形。由图中我们可以发现,比之 几何不平衡流道设计的流动波前,此平衡流道的流 动波前较为平均。图 11(b)为 A1、A2 流动波前的局 部放大图,由图中可以得知,因塑料在第一层流道 中流动,最大剪应率发生在外层的固化层稍内的区 域,而流道中心的剪应率则趋近于零。靠外层的塑 料剪切产生摩擦热,导致第一层流道外层的温度高 于流道中心塑料,当塑料流到第三层流道时,接近 主流道的流道塑料温度将高于远离主流道的流道塑 料温度,故 A2 的剪应率和温度皆高于 A1,致使 A2 的充填较 A1 快。【10】

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图 11 (a)熔胶波前 96% (b)A1、A2 局部放大图


B、翘曲变形
图 12 为几何平衡流道设计 I 的翘曲变形分布。 由图中我们可以清楚发现, Z 方向翘曲变形量为
-0.086mm~ 0.061mm,Z 方向总翘曲量 0.147mm,另 总翘曲变形量 0.3297mm。

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图 12 几何平衡流道设计 I 的翘曲变形图





 楼主| 发表于 2011-8-17 14:23:42 | 显示全部楼层
4.3 平衡流道设计 II 的流动及影响
A、熔胶流动波前时间
平衡流道设计 II 的使用比同几何平衡流道设计 I 的参数设定进行分析。图 13 为几何平衡流道设计 II 的流动波前达 17%时的熔胶分布情形。从图中我 们可以清楚发现,在充填达 17%时,熔胶几乎同时 间进入各个模穴,比之几何平衡流道设计 I,此设 计更为理想。

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图 13 熔胶波前 17%


图 14(a)为几何平衡流道设计 II,流动波前达
96%熔胶的分布情形。由图中我们可以清楚发现比之 几何平衡的流道设计 I 的流动波前,此平衡流道的 流动波前较为平均。图 14(b)为几何平衡流道设计 II,模穴 A1、A2 流动波前的局部放大图,图中可以 明显发现,流动平衡的情形更为完善。

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图 14 (a)熔胶波前 96% (b)A1、A2 局部放大图
B、翘曲变形
图 15 为几何平衡的流道设计 II 的翘曲变形分 布,此图表示总位移在 Z 方向的位移分布。此分布量综合了成型过程中的所有效应。由图中我们可以 清楚发现,平均翘曲变形量为-0.051mm~0.080mm, 总差距 0.131mm。另总翘曲变形量 0.3125mm。


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图 15 几何平衡流道设计 II 的翘曲变形图
经由 Moldex3D 模流分析的结果,整理温度分 布、体积收缩率以及翘曲变形量。如表 2 所示,非 平衡、平衡 I 与平衡 II 流道设计的体积收缩总差距 分别是 5.07%、4.896%和 4.705%,而总翘曲变形量 分别是 0.343mm、0.3297mm 和 0.3125mm,可见,外 观平衡导致流动平衡,使得剪切率、温度、压力分 布差异度小,故体积收缩总差距与总翘曲变形量均 获得改善,质量提升。
表 2 非平衡、平衡流道设计体积收缩、翘曲变形比 较


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4.4 真圆度的比较 真圆度是指圆的翘曲变形量中,最大与最小值的差异即为真圆度。差异量越小,真园度越好。利 用由 Moldex3D 模流分析的结果,撷取翘曲变形量的 TOP view 视图比较其真圆度的优异。
本文是为一模八穴之配置设计,目前将采用 A1 模穴,在距原始设计产品底端 35mm 处进行分析探 讨。利用三组流道设计的分析结果,进行真圆度比 较。探讨何者较符合原始设计真圆度。如图 16 为距 底端 35mm 处放大 10 倍的产品针筒的 TOP 视图,其 外侧黑色廓线为原始设计产品的 TOP 视图,内侧红 色廓线为翘曲变形后产品的 TOP 视图。
原始设计成品
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图 17 为几何不平衡流道设计的 A1 模穴,距原 始设计产品底部 35mm 处真圆度视图。图 18、19 为 几何平衡流道设计 I 与 II 之真圆度视图。从三图 当中可以清楚发现,几何不平衡流道设计的翘曲变 形较不均匀,而几何平衡流道设计 I,其翘曲变形 较为均匀完善。而几何平衡流道设计 I、II 比较, 从图面与数据也可得知,几何平衡流道设计 II 与原 始设计较接近。
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图 17 非平衡流道设计的真圆度示意图(距底部 35mm 处)

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图 18 平衡流道设计 I 的真圆度示意图

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图 19 平衡流道设计 II 的真圆度示意图

表 3 为距底端 35mm 处,不同平衡流道设计的 内、外侧真圆度量测数据整理。从表上可以清楚发 现,几何不平衡流道设计的翘曲变形较不均匀,其 中的翘曲偏移量最大与最小值的差异最大,即真圆 度最差。其次是几何平衡流道设计 I,其翘曲变形 较为均匀完善。几何平衡流道设计 II 的翘曲变形最 为均匀,真圆度最佳。
表 3 不同流道设计的内外侧真圆度量测数据
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 楼主| 发表于 2011-8-17 14:24:24 | 显示全部楼层
结论

本研究探讨主题一为几何不平衡流道设计与几 何平衡流道设计,对产品真圆度的影响。由结果可 知,因为非平衡流道的充填速度不平衡,所以导致 温度分布不均,进而影响体积收缩率、翘曲变形。 因此结果可以明显呈现,于产品真圆度的要求上, 在流道设计的考虑上,平衡流道比非平衡流道在真 圆度的结果较为优异。
本研究探讨主题二为几何平衡流道设计 I、II, 对产品真圆度比较。由 Moldex3D 模流分析的结果可 得,于熔胶充填流动时,其几何平衡流道设计 II 比 之平衡流道设计 I 较为平均,温度分布也较为均 匀。由此所影响的体积收缩率、翘曲变形,也都以

平衡流道设计 II 较为优异。故本实验结果可以明显
呈现,在流道设计上,同为平衡流道的设计,平衡 流道 II 所得结果的真圆度较符合原始设计,是为较 理想的平衡流道系统配置。


致谢
感谢产学合作的科盛科技股份有限公司新庄厂 经理林秀春和工程师王维达、林柏村及施汉升的协 助与指导,让我们完成这份研究论文,在此对科盛 上下所有员工致上最大谢意。

参考文献
1.科盛科技股份有限公司,《Moldex3D 模流分析 技术与应用》,(全华图书,2007).
2.张荣语,《射出成型模具设计─模具设计》,(高 立图书,1998).
3.陈介聪,《实用射出模具设计》,(复汉出版社1996)
4.许嘉翔、杨文礼、张荣语、杨文贤,“新世代 三维实体模流分析技术在塑料射出成型,模具 设计之应用”, CAE 塑料网络期刊经典版第二 期专期报导,2000/08.
5.蔡明宏、杨文礼,“几何平衡流道系统的流动 不平衡问题与模具流道设计最新专利技术”, 科盛科技股份有限公司 (2002).
6.张荣语、陈彦成、王宇宁,“塑料射出成型流道平衡与流道设计优化”,国立清华大学化 工系 (1998).
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7.科盛科技股份有限公司,《CAE 模流分析技术入 门与应用_一天学会 Moldex3D 模流分析软 体》,(全华科技图书, 2002).
8.蒋竣植、简锦昌、蔡铭宏,“应用真实三维 CAE 模流分析技术可视化几何平衡流道的流动不平 衡现象”,科盛科技股份有限公司 (2005).
9.科盛科技股份有限公司,《CAE 模流分析技术入 门与应用_一天学会 Moldex3D 模流分析软 体》,(全华科技图书, 2002).
10. 蔡明宏,“射出成型模具模穴内(Intra-Cavity) 流动不平衡问题探讨与改善对策”, 科盛科技 股份有限公司
 楼主| 发表于 2011-8-17 14:25:44 | 显示全部楼层
本帖最后由 ACMT 于 2011-8-17 14:28 编辑

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发表于 2011-8-17 23:20:03 | 显示全部楼层
ddddddddddddddddddddddddddddddddddddddd
发表于 2011-8-28 09:41:02 | 显示全部楼层
谢谢开思网、科盛公司提供的资料!
发表于 2011-8-30 16:53:26 | 显示全部楼层
我要下載論文謝謝整理
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