《模流分析基础入门》.docx
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《模流分析基础入门》
《模流分析基础入门》
第1章计算机辅助工程与塑料射出成形
1-1计算机辅助工程分析
1-2塑料射出成形
1-3模流分析及薄壳理论
1-4模流分析软件的未来发展
第2章射出成形机
2-1射出机组件
2-1-1射出系统
2-1-2模具系统
2-1-3油压系统
2-1-4控制系统
2-1-5锁模系统
2-2射出成形系统
2-3射出机操作顺序
2-4螺杆操作
2-5二次加工
第3章什么是塑料
3-1塑料之分类
3-2热塑性塑料
3-2-1不定形聚合物
3-2-2（半）结晶性聚合物
3-2-3液晶聚合物
3-3热固性塑料
3-4添加剂、填充料与补强料
第4章塑料如何流动
4-1熔胶剪切黏度
4-2熔胶流动之驱动--射出压力
4-2-1影响射出压力的因素
4-3充填模式
4-3-1熔胶波前速度与熔胶波前面积
4-4流变理论
第5章材料性质与塑件设计
5-1材料性质与塑件设计
5-1-1应力--应变行为
5-1-2潜变与应力松弛
5-1-3疲劳
5-1-4冲击强度
5-1-5热机械行为
5-2塑件强度设计
5-2-1短期负荷
5-2-2长期负荷
5-2-3反复性负荷
5-2-4高速负荷及冲击负荷
5-2-5极端温度施加负荷
5-3塑件肉厚
5-4肋之设计
5-5组合之设计
5-5-1压合连接
5-5-2搭扣配合连接
5-5-3固定连接组件
5-5-4熔接制程
第六章模具设计
6-1流道系统
6-1-1模穴数目之决定
6-1-2流道配置
6-1-3竖浇道尺寸之决定
6-1-4流道截面之设计
6-1-5流道尺寸之决定
6-1-6热流道系统
6-2流道平衡
6-2-1流道设计规则
6-3浇口设计
6-3-1浇口种类
6-3-2浇口设计原则
6-4设计范例
6-4-1阶段一：
C-moldFillingEZ简易充填模拟分析
6-4-2阶段二：
执行C-moldFilling&PostFilling最佳化
6-5模具冷却系统
6-5-1冷却孔道的配置
6-5-2其它的冷却装置
6-6冷却系统之相关方程式
6-6-1冷却系统之设计规则
第7章收缩与翘曲
7-1残留应力
7-1-1熔胶流动引发的残留应力
7-1-2热效应引发之残留应力
7-1-3制程引发残留应力与模穴残留应力
7-2收缩
7-3翘曲
7-4收缩与翘曲的设计规则
第8章问题排除
8-1包风
8-2黑斑、黑纹、脆化、烧痕、和掉色
8-3表面剥离
8-4尺寸变化
8-5鱼眼
8-6毛边
8-7流痕
8-8迟滞效应
8-9喷射流
8-10波纹
8-11短射
8-12银线痕
8-13凹陷与气孔
8-14缝合线与熔合线
第九章C-MOLD软件介绍（暂缺）
附录A 射出机成形条件之设定
附录B常用塑料之性质
附录C档案格式
第一章计算机辅助工程与塑料射出成形
1-1计算机辅助工程分析
计算机辅助设计（Computer-AidedDesign,CAD）是应用计算机协助进行创造、设计、修改、分析、及最佳化一个设计的技术。
计算机辅助工程分析（Computer-AidedEngineering,CAE）是应用计算机分析CAD几何模型之物理问题的技术，可以让设计者进行仿真以研究产品的行为，进一步改良或最佳化设计。
目前在工程运用上，比较成熟的CAE技术领域包括：
结构应力分析、应变分析、振动分析、流体流场分析、热传分析、电磁场分析、机构运动分析、塑料射出成形模流分析等等。
有效地应用CAE，能够在建立原型之前或之后发挥功能：
․协助设计变更（designrevision）
․协助排除困难（trouble-shooting）
․累积知识经验，系统化整理Know-how，建立设计准则（designcriteria）
CAE使用近似的数值方法（numericalmethods）来计算求解，而不是传统的数学求解。
数值方法可以解决许多在纯数学所无法求解的问题，应用层面相当广泛。
因为数值方法应用许多矩阵的技巧，适合使用计算机进行计算，而计算机的运算速度、内存的数量和算法的好坏就关系到数值方法的效率与成败。
一般的CAE软件之架构可以区分为三大部分：
前处理器（pre-processor）、求解器（solver）和后处理器（post-processor）。
前处理器的任务是建立几何模型、切割网格元素与节点、设定元素类型与材料系数、设定边界条件等。
求解器读取前处理器的结果档，根据输入条件，运用数值方法求解答案。
后处理器将求解后大量的数据有规则地处理成人机接口图形，制作动画以方便使用者分析判读答案。
为了便利建构2D或3D模型，许多CAE软件提供了CAD功能，方便建构模型。
或者提供CAD接口，以便将2D或3D的CAD图文件直接汇入CAE软件，再进行挑面与网格切割，以便执行分析模拟。
应用CAE软件必须注意到其分析结果未必能够百分百重现所有的问题，其应用重点在于有效率地针对问题提出可行之解决方案，以争取改善问题的时效。
经验＝＞
知识＝＞实验比对＝＞质量（Q）、成本（C）、交期（D）
CAE工具＝＞
应用CAE工具时，必须充分了解其理论内涵与模型限制，以区分仿真分析和实际制程的差异，才不至于对分析结果过度判读。
据估计，全球应用CAE技术的比例仅15%左右，仍有广大的发展空间。
影响CAE技术推广的主因有三：
․分析的准确性。
․相关技术人员的养成。
․技术使用的简易性。
而CAE模拟分析之主要误差来源包括：
․理论模式—物理现象、材料物性。
․数值解法（numericalSolver）
․几何模型（geometrymodel）
․错误的输入数据
1-2塑料射出成形
塑料制品依照其材料性质、用途和成品外观特征而开发了各种加工的方法，例如押出成形（extrusion）、共押出成形（co-extrusion）、射出成形（injectionmolding）、吹袋成形（blownfilm）、吹瓶成形（blowmolding）、热压成形（thermoforming）、轮压成形（calenderingmolding）、发泡成形（Foammolding）、旋转成形（rotationalmolding）、气体辅助射出成形（gas-assistedinjectionmolding）等等。
塑料射出成形（injectionmolding）是将熔融塑料材料压挤进入模穴，制作出所设计形状之塑件的一个循环制程。
射出成形制程根据所使用的塑料而有不同，热塑性塑料必须将射进模穴的高温塑料材料冷却以定形，热固性塑料则必须由化学反应固化定形。
射出成形是量产设计复杂、尺寸精良的塑件之最普遍和最多元化的加工方法。
按照重量计算，大约32%的塑料采用射出成形加工。
射出成形所生产的塑件通常只须少量的二次加工／组合、甚至不需要二次加工／组合。
除了应用于热塑性塑料、热固性塑料以外，射出成形也可以应用于添加强化纤维、陶瓷材料、粉末金属的聚合物之成形。
射出机自从1870年代初期问世以来，经历了多次重大的改良，主要的里程碑包括回转式螺杆（reciprocatingscrew）射出机的发明、各种替代加工制程的发明，以及塑件计算机辅助设计与制造的应用。
尤其是回转式螺杆射出机的发明，更对于热塑性塑料射出成形的多样性及生产力造成革命性的冲击。
现今的射出机，除了控制系统与机器功能有显著改善以外，从柱塞式机构改变为回转式螺杆是射出成形机最主要的发展。
柱塞式射出机本质上具有简单的特色，但是纯粹以热传导缓慢地加热塑料，使其普及率大大地受到限制。
回转式射出机则借着螺杆旋转运动所造成的摩擦热可以迅速均匀地将塑料材料塑化，并且，也可以像柱塞式射出机一般向前推进螺杆，射出熔胶。
图1-1是回转式螺杆射出机的示意图。
图1-1回转式螺杆射出机
射出成形制程最初仅仅应用于热塑性塑料，随着人类对于材料性质的了解、成形设备的改良、和工业上特殊需求等因素，使射出成形制程大大地扩张了应用范围。
在过去的二十几年，许多新开发的射出成形技术应用于具有特殊特征的设计与特别材料的塑件，使射出成形塑件的设计比传统上更具有结构特征的多样性和自由度。
这些研发的替代制程包括：
共射成形（co-injectionmolding，又称为三明治成形）
核心熔化成形（fusiblecoreinjectionmolding）
气辅射出成形（gas-assistedinjectionmolding）
射出压缩成形（injection-compressionmolding）
层状射出成形（lamellar,ormicrolayer,injectionmolding）
活动供料射出成形（live-feedinjectionmolding）
低压射出成形（low-pressureinjectionmolding）
推拉射出成形（push-pullinjectionmolding）
反应性射出成形（reactivemolding）
结构发泡射出成形（structurefoaminjectionmolding）
薄膜成形（thin-wallmolding）
因为射出成形的广泛应用及其具有前景的未来，制程的计算机仿真也从早期的均一配置、模穴充填的经验估算演进到可以进行后充填行为、反应动力学、和不同材料或不同相态之仿真的复杂程序。
市场上的模流分析软件提供了改变塑件设计、模具设计、及制程条件最佳化等CAE功能。
1-3模流分析及薄壳理论
塑料射出成形之模流分析系应用质量守恒、动量守恒、能量守恒方程式，配合高分子材料的流变理论和数值求解法所建立的一套描述塑料射出成形之热力历程与充填／保压行为模式，经由人性化接口的显示，以获知塑料在模穴内的速度、应力、压力、温度等参数之分布，塑件冷却凝固以及翘曲变形的行为，并且可能进一步探讨成形之参数及模具设计参数等关系。
理论上，模流分析可以协助工程师一窥塑料成品设计、模具设计、及成形条件的奥秘，其能够帮助生手迅速累积经验，协助老手找出可能被忽略的因素。
应用模流分析技术可以缩减试模时间、节省开模成本和资源、改善产品质量、缩短产品上市的准备周期、降低不良率。
在CAE领域，塑料射出模流分析已经存在具体的成效，协助射出成形业者获得相当完整的解决方案。
塑料射出模流分析所需的专业知识包括：
․材料特性—塑料之材料科学与物理性质、模具材料和冷却剂等相关知识。
․设计规范—产品设计和模具设计，可参考材料供货商提供的设计准则。
․成形条件—塑料或高分子加工知识以及现场实务。
市场上模流分析软件大多数是根据GHS（GeneralizedHele-Shaw）流动模型所发展的中间面（mid-plane）模型或薄壳（shell）模型之2.5D模流分析，以缩减求解过程的变量数目，并且应用成熟稳定的数值方法，发展出高效率的CAE软件。
加以90%的塑料成品都是所谓的薄件，2.5D模流分析的结果具有相当高的准确性，佐以应用的实务经验，再结合专家系统，2.5D模流分析仍将主导模流分析的技术市场。
薄壳模型要求塑件的尺寸／肉厚比在10以上，因此着重在塑料的平面流动，而忽略塑料在塑件肉厚方向的流动和质传，因此可以简化计算模型。
就典型的模流分析案例而言，一般大约需要5000~10000个三角形元素来建构几何模型，目前2.5D模流分析方法在厚度方向使用有限元素差分法（finitedifferencemethod）分开处理，因此比较不会影响计算效率。
通常，2.5D模流分析软件可以读取的档案格式包括.STL、..IGES、MESH、STEP等档案格式。
目前，市面上可以看到的塑料射出成形仿真软件如下表：
软件名称
开发单位
C-MOLD
A.C.Tech.（美国）
MOLDFLOW
MoldflowPTY（澳洲）
SIMUFLOW
GratfekInc.（美国）
TMConcept
Plastics&ComputeInc.（意大利）
CADMOULD
I.K.V.（德国）
IMAP-F
（株）丰田中央研究所（日本）
PIAS
Sharp公司（日本）
TIMON-FLOW
TORAY公司（日本）
POLYFLOW
SDRC（美国）
CAPLAS
佳能（日本）
MELTFLOW
宇部兴产（日本）
SIMPOE
欣波科技（台湾）
MOLDEX
科盛科技（台湾）
INJECT-3
Phillips（荷兰）
Dassault（法国）
Pro/EPlastics
PTC（美国）
1-4模流分析软件的未来发展
传统2.5D模流分析的最大困扰在于建立中间面或薄壳模型。
为了迁就CAE分析，工程师往往在进行分析之前先利用转档或重建的方式建构模型，相当浪费时间，甚至可能花费分析时间的80%以上在建模和修模。
新一代的模流分析软件舍弃GHS流动模型，直接配合塑件实体模型，求解3D的流动、热传、物理性质之模型方程式，以获得更真实的解答。
3D模流分析技术的主要问题在于计算量非常大、计算的稳定性问题和网格质量造成数值收敛性的问题。
目前，3D模流分析技术应用的模型技术有下列：
․双域有限元素法（dual-domainfiniteelementmethod）：
将塑件相对应面挑出，以两薄壳面及半厚度近似实体模型，配合连接器（connector）的应用以调节流动趋势。
此技术对于肉厚变化较大的产品，有应力计算的误差和适用性的问题。
应用上可能遭遇缝合线预测错误、流动长度估算错误等问题。
使用此法的软件如MPI。
․中间面产生技术（mid-planegenerator）：
中间面产生技术可以分为中间轴转换（MedialAxisTransform,MAT）和法则归纳法（heuristicmethod），对于复杂结构的塑件，因为肉厚变化、公母模面不对称、肋（rib）与毂（boss）等强化原件的设计，使得MAT技术有实用上的困难，因此此项技术的发展以法则归纳法为主。
․HPFVM（High-PerformanceFiniteVolumeMethod）：
应用有限体积法配合配合快速数值算法（FastNumericalAlgorithm,FNA）、非线性去偶合计算法（Decoupledsolutionprocedurefornon-linearity）及高效率的迭代求解。
使用此法的软件如Moldex-3D。
第二章射出成形机
就热塑性塑料（thermoplastics）而言，射出成形机将塑料颗粒材料经由熔融、射出、保压、冷却等循环，转变成最终的塑件。
热塑性塑料射出成形机通常采用锁模吨数（clampingtonnage）或射出量（shotsize）作为简易的机器规格辨识，可以使用的其它参数还包括射出速率、射出压力、螺杆设计、模具厚度和导杆间距等等。
根据功能区分，射出成形机的大致上有三个种类：
（1）一般用途射出机；
（2）精密、紧配射出机；和（3）高速、薄肉厚射出机。
射出成形机的主要辅助设备包括树脂干燥机、材料处理及输送设备、粉碎机、模温控制机与冷凝器、塑件退模之机械手臂、以及塑件处理设备。
2-1射出机组件
典型的射出成形机如图2-1所示，主要包括了射出系统（injectionsystem）、模具系统（moldsystem）、油压系统（hydraulicsystem）、控制系统（comtrolsystem）、和锁模系统（clampingsystem）等五个单元。
图2-1应用于热塑性塑料的单螺杆射出成形机
2-1-1射出系统
射出系统包括了料斗（hooper）、回转螺杆与料筒（barrel）组合，和喷嘴（nozzle），如图2-2。
射出系统的功能是存放及输送塑料，使塑料经历进料、压缩、排气、熔化、射出及保压阶段。
图2-2热塑性塑料的单螺杆射出成形机之塑化螺杆、料筒、
电热片、固定模板及移动模板。
（1）料斗
热塑性塑料通常以小颗粒供应成形厂。
射出机的料斗可以存放塑料胶颗粒，藉由重力作用使塑料颗粒经过料斗颈部，进入料筒与螺杆组合内。
（2）料筒
射出机的料筒可以容纳回转式螺杆，并且使用电热片（electricheaterbands））加热塑料。
（3）回转式螺杆
回转式螺杆可以压缩塑料、熔化塑料及输送塑料，螺杆上包括了进料区（feedingzone）、压缩区（compressionzone,或转移区transitionzone）、和计量区（meteringzone）三个区段，如图2-3所示。
图2-3回转式螺杆之进料区、压缩区、和计量区。
螺杆的外径为固定值，螺杆的沟槽深度（thedepthofflight）从进料区到计量区起点逐渐递减，沟槽深度的变化使塑料相对于料筒内径产生压缩，造成剪切热，提供熔化塑料的主要热量。
料筒外的加热片则帮助塑料维持于熔融状态，一般的射出机有三组或更多组加热片，以便设定为不同的温度区段。
（4）喷嘴
喷嘴连接料筒和竖浇道衬套（spruebushing）。
当料筒移到最前端的成形位置，其喷嘴外径必须包覆在竖浇道定位环内，构成密封。
喷嘴的温度应该设定在材料供货商建议之塑料熔化温度，或是略低于温度。
如此，清理料筒时，只要将料筒后退远离竖浇道，清除的塑料可以从喷嘴自由落下，参阅图2-4。
图2-4（a）在成形位置的喷嘴与料筒；（b）在清料位置的喷嘴与料筒。
2-1-2模具系统
模具系统包括了导杆（tiebars）、固定模板（stationaryplaten）、移动模板（movableplaten）、和容纳模穴、竖浇道、流道系统、顶出销和冷却管路的范本（moldingplates），如图2-5所示。
基本上，模具是一座热交换器，使热塑性塑料的熔胶在模穴内凝固成需要的形状及尺寸。
图2-5典型的三板模之模具系统
模具系统将熔融塑料在模穴内定形，并于冷却后将塑件顶出。
射出成形的模具系统是安装模板与成形模板的组合，通常以工具钢加工制成。
固定安装板连接到成形机料筒一侧，并经由导杆与移动范本相接。
母模板通常锁在固定模板上，并且连接到喷嘴；公范本锁在移动安装板上，沿着导杆之导引而移动。
有些应用会相反地将母模板锁在移动模板上，将公模板和液压顶出机构安装固定模板上。
（1）两板模
大多数模具是由两片模板组成，如图2-6，此类模具常使用在塑件浇口正好设在塑件边缘或者接近塑件边缘的设计，其流道（runner）也设计在母模板上。
（2）三板模
三板模通常应用于浇口远离塑件边缘的设计，其流道是设计在分隔公模与母模的脱料板（stripperplate））上，如图2-6所示。
图2-6（左）两板模与（右）三板模
（3）冷却管路（回路）
冷却管路（coolingchannels）是模具本体的通道，冷媒（一般是水、蒸汽或油）经由冷却管路循环以调节模壁温度。
冷却管路也可以搭配其它的温度控制装置一起使用，例如障板管（bafflers）、扰流板（bubblers）或热管（thermalpinsorheatpipes）等。
2-1-3油压系统
射出机的油压系统提供开启与关闭模具的动力，蓄积并维持锁模力吨数，旋转与推进螺杆，致动顶出销，以及移动公模侧。
油压系统的组件包括帮浦、阀、油压马达、油压管件、油压接头及油压槽等。
2-1-4控制系统
控制系统提供成形机一致性的重复操作，并且监控温度、压力、射出速度、螺杆速度与位置、及油压位置等制程参数。
制程控制直接影响到塑件质量和制程的经济效益。
控制系统包括简单的开／关继电器控制到复杂的微处理器闭回路控制器。
2-1-5锁模系统
锁模系统用来开启／关闭模具，支撑与移动模具组件，产生足够的力量以防止模具被射出压力推开。
锁模机构可以是肘节机构锁定、油压机构锁定、或是上述的两个基本型态的组合。
2-2射出成形系统
典型的射出成形系统（moldedsystem）包括熔胶输送系统和成形塑件，如图2-7所示。
熔胶输送系统提供让熔胶从射出机喷嘴流到模穴的通道，它通常包括：
竖浇道（sprue）、冷料井（coldslugwell）、主流道、分枝流道、和浇口（gates）。
图2-7射出成形系统包括熔胶输送系统及成形塑件。
输送系统的设计对于充填模式与塑件质量都有很重要的影响。
因此应该设计流道系统，以维持所需充填模式，将熔胶输送到模穴。
在完成射出成形之后，冷流道输送系统将会被切除成为回收废料，所以应该设计输送系统，以产生最少的废料。
热流道（Hotrunner或无流道runnerless）成形制程维持流道于高温，使其内之熔胶维持在熔融状态。
因为热流道并不与塑件一起脱模，不致于造成废料，并且节省塑件二次切除加工的制程。
2-3射出机操作顺序
塑料射出成形加工是一种适合高速量产精密组件的加工法，它将粒状塑料于料筒内融化、混合、移动（3M’s:
Melt,Mix,andMove），再于模穴内流动、充填、凝固（3F’s:
Flow,Form,andFreeze）。
其动作可以区分为塑料之塑化、充填、保压、冷却、顶出等阶段的循环制程，包括的基本操作动作如下列：
（1）关闭模具，以便螺杆开始向前推进，如图2-8（a）。
（2）与柱塞式射出机相同地，推进回转式螺杆以充填模穴，如图2-8（b）。
（3）螺杆继续推进，以进行模穴保压，如图2-8（c）。
（4）当模穴冷却，浇口凝固，螺杆开始后退，并塑化材料准备下一次射出，如图2-8（d）。
（5）开启模具，顶出塑件，如图2-8（e）。
（6）开闭模具，以开始下一个循环，如图2-8（f）。
塑料在料筒被螺杆挤压产生大量摩擦热而形成熔融状态，熔胶堆积于料筒前端，并且使用加热器维持熔胶温度。
在充填阶段开始，射出机打开喷嘴，螺杆前进将熔胶经喷嘴注入关闭的模穴，以完成充填。
当熔胶进入模穴，受压气体从顶出销、分模线和气孔逸出。
良好的充填决定于塑料组件设计、浇口位置和良好的排气。
假如塑料的流动性不佳，或者射出压力不足就可能造成短射现象；相反地，假如塑料的流动性太好，容易在塑件的分模面造成毛边。
熔胶完全填满模穴后，继续施压以注入更多熔胶，补偿因冷却而造成之塑料体积收缩，并确保模穴完全填满。
充填与保压阶段结束，熔胶在模具里完全凝固后，再打开模穴取出塑件。
冷却时间在整个成形周期占非常高的比例，大约80%，成形品的冷却时间依照塑料性质、成形品的形状、大小、尺寸、精度而有不同。
当移动范本后退，使顶出销顶到后板（rearplate）而停止运动，将成形品、浇道系统及废料顶出。
（a）（b）
（c）（d）
（e）（f）
图2-8射出机之操作程序。
（a）关闭模具；（b）充填模穴；（c）保压；
（d）螺杆后退；（e）顶出塑件；（f）开始下一个循环。
为了进一步说明制程循环中的射出机动作，图2-9画出不同阶段的油压缸压力、模穴
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