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1、Professional CAECAE for Injection Molding模流分析基础课程Professional CAECAE for Injection Molding内容摘要q分析技巧与步骤q分析判图背景知识 流动分析判图知识 保压分析判图知识 冷却分析判图知识 翘曲分析判图知识q典型案例介绍q案例制作指导Professional CAECAE for Injection Molding模流分析的流程Professional CAECAE for Injection Molding分析技巧q比较分析q曲线分析Professional CAECAE for Injection Mo
2、lding判图知识q充填 肉厚效应 充填迟滞效应 縫合線 潛流效應 包封(排气)q保压 粘滞加热效应q冷却q翘曲 纤维配向效应Professional CAECAE for Injection Molding流動分析技朮指引 (Theoretical Notes of Flow Analysis)充填相关背景知识 充填结束瞬间变量分布情形 充填过程中变量变化历程Professional CAECAE for Injection Moldingq(Theoretical Backgrould of Filling)q充填的基本流動方式(Basic Flow Pattern in Filling)
3、平板间流动径向(辐射型)流动充填相關背景知識Professional CAECAE for Injection Moldingq充填過程全為壓力推動塑料熔膠前進由于壓力差使塑料波前(melt front)前進填充模穴。充填過程壓力來源為澆口壓力最高q越遠離澆口位置由于流體流動摩擦損耗壓力使壓力逐漸降低至熔 膠波前位置壓力為最低。推動熔膠流動的主要力量即為此壓力差 (pressure difference)q一般而言,塑料在模穴中的充填行为是趋向阻力最小的部分流动q单位时间内塑料流动距离越大,代表该区域的流动阻力较小;q反之,若移动越慢(波前等位线越密集)代表该区域流动阻力越大,塑料缓慢 流动P
4、rofessional CAECAE for Injection Moldingq由于塑料本身具有粘度,粘度越高代表流动越困难.因此塑料局部粘度大 小可以视作是流动阻力的量度.塑料粘度受温度及剪切率影响较大,因此 局部温度大小,热传速率,以及塑件肉厚,均影响局部粘度大小,也就是流动 阻力大小.Professional CAECAE for Injection MoldingProfessional CAECAE for Injection MoldingProfessional CAECAE for Injection Molding肉厚(thickess of part)的效應肉厚較厚處流動
5、阻力較小塑料比較容易流動。 由于塑料是熱的不良導體肉厚處散熱不易熱塑料容易補充溫度較接 近設定之熔膠溫度是溫度較高區域如圖所示。肉厚較薄處流動阻力較大塑料流動不易。 肉薄處較易冷卻。若塑料流動發生遲滯熱塑料難以補充受冷模壁冷卻 結果塑料溫度迅速下降。若塑料仍可流動則因較高的剪切率(速度梯度 大)反有黏滯加熱(viscous heating)的現象使局部溫度上升。局部溫度 跟高剪切率又與黏度有關因此具體的流動行為取決于流動跟熱傳之間相互 競爭如圖所示。Professional CAECAE for Injection Molding充填速率的效應q充填速率決定流體局部剪切率大小及熱塑料補充速率因
6、此影響充填行 為。 高速充填流動控制(flow control) 1低速充填熱傳控制(heat transfer control) 1Professional CAECAE for Injection Moldingq噴泉流動(Fountain Flow)與縫合線(Welding Line) 塑料在充填過程中流動波前的前進方式為噴泉流動 也就是中間區域的塑料被帶至波前前端后向模壁 兩側甩出固化于模壁區域。由于中間層塑料一般溫 度最高排向最混亂因此噴泉流動影響靠近模壁表 面層(skin layer)的固化層厚度及分子鏈配向性如圖 所示。 由于噴泉流動的原因在流動波前面的塑料高分子鏈 排向几乎平行
7、流動波前。因此兩股塑料熔膠在交會時 接觸面的高分子鏈互相平行加上兩股熔膠性質各 異(在模穴中滯留時間不同熱力歷程也不同)造成 交會區域在微觀上結構強度較差。就肉眼檢視可以 發現有明顯的結合線產生。稱之為熔接線(welding line)或縫合線如圖所示。Professional CAECAE for Injection Molding縫合線q縫合線不僅影響塑件外觀同時由于微觀結構的松散易造成應力集中 而成為產品機械強度弱點所在。 一般而言在高溫區域產生熔接的縫合線強度較佳因為高溫情形下高 分子鏈活動性較佳可以互相穿透糾纏增加熔接區域的強度 反之在低溫區域熔接強度較差。依熔接位置區分可將熔接現象
8、分為冷 熔接和熱熔接兩類 熱熔接(hot welding)冷熔接(cold welding)Professional CAECAE for Injection Moldingq縫合線的位移現象 若兩股交會熔膠流動差異性大占 優勢的熔膠波前會推擠弱勢的熔膠 波前使縫合線發生位移現象。由 于靠近模壁側之塑料熔膠率先固化 表面縫合線亦定型不變。 但內部塑料尚未完全固化此時將 因強勢流動波前的推擠作用造成 內部縫合線發生位移。 此種因內部熔膠流動造成的縫合線 位移現象稱作潛流效應 (underflow effect)將進一步降低 縫合線的強度如圖所示。Professional CAECAE for I
9、njection Molding分子配向性(Molecular Chain Orientation)q分子鏈配向性的成因 高分子塑料是由長鏈高分子(long chain macromolecules)組成在外力作 用下高分子鏈會為流場所排向。分子鏈的配向行為來自于作用在高分子鏈 局部的外力差異也就是速度差異。如圖所示。 由于剪切率(shear rate)是流場速度梯度的度量表示單位距離內的速度變 化大小。因此剪切率大小對分子配向性影響甚大。剪切率越高的區域分子 鏈配向性情形越嚴重。Professional CAECAE for Injection Moldingq分子鏈配向性的趨勢 1.就整體
10、流場而言分子鏈大體沿主要流動方向排列 2.在厚度方向由于中間層剪切率最低(速度變化最小)排向性最差分子 鏈零亂分布。 3.靠近模壁部分速度變化最大剪切率最高分子鏈配向性較激烈排 向較為整齊。 3.模壁表面層由于噴泉流動影響排向最為混亂如圖所示。Professional CAECAE for Injection Molding充填結束瞬間變量分布情形q(Field Variables Distribution after Filling)q波前流動(Melt Front Advancement) 代表不同時間(以不同顏色顯示)的塑料前緣位置由此可知塑料充填過程的 流動動態行為。q判斷重點 充填是
11、否完全? 有無短射(short shot)問題? 由充填過程判斷是否有局部區域流動阻力過大而有遲滯(hesitation)現象? 遲滯現象發生區域容易造成塑料提早凍結(freeze)使該區域發生滯料或充 填不飽的問題如圖所示。Professional CAECAE for Injection Molding充填過程中是否有流動阻力差異過大造 成的賽馬現象(race track)?賽馬現象容 易造成內部縫合線(internal welding line) 燒焦 充填不飽的缺陷如圖所 示。 檢視接近充填結束階段的流動波前有 無包封(air-trap)問題?如圖所示。 由分析流動波前可知是否有縫合線
12、問題 發生。縫合線不但影響外觀同時使成 型品易因此線的應力集中而有斷裂的問 題產生。 多點進澆(multiple gating)情形應注 意流動平衡(flow balance)使各澆口 對流動貢獻均勻。如圖所示。Professional CAECAE for Injection Molding此多模穴模具由分析流動波前可知各模穴充填是否均勻流動平衡性是否良 好如圖所示。Professional CAECAE for Injection Molding判斷重點 若局部中心溫度高于料溫設定顯示 有黏滯加熱的放熱現象。 若局部中心溫度過高顯示有局部熱 點(hot spot)產生,使塑件有燒焦裂解之
13、虞。 若局部中心溫度接近模溫顯示該區 域塑料接近滯料靜止狀態熱量迅速被 冷模穴傳導散逸熱傳導效應(thermal conduction)明顯使塑料變冷。 若局部中心溫度接近料溫顯示該區 域塑料流動性良好熱塑料不斷流入補 充熱量熱對流效應(heat convection)明顯,使塑料保持高溫狀態 。 若整體中心溫度分布植甚低代表塑 料迅速降溫凍結有發生短射之虞。塑料中心溫度(Center Temperature)q以不同顏色顯示充填結束瞬間塑件肉厚方向中 心層的溫度分布情形。 一般而言在充填過程肉厚中心溫度為肉厚方向 最高溫區域此緣于熱塑料不斷填入對流 (convection)效應使溫度保持高溫
14、且塑料熱傳 導性甚差不易散熱之故。若有黏滯加熱(viscos heating)現象則否如圖所示。Professional CAECAE for Injection Molding塑料平均溫度(Average Temperature)q以不同顏色顯示充填結束瞬間肉厚方向的平均 溫度分布情形。可以視作塑件顯示出來的平均溫 度。亦可看出肉厚對溫度分布的效應(越厚處散 熱傳導越不易)如圖所示。q判斷重點 若平均溫度高于料溫設定顯示有黏滯加熱的放 熱現象。 若局部平均溫度過高顯示有局部熱點(hot spot) 產生,使塑件有燒焦裂解之虞。 若局部平均溫度接近模溫顯示該區域塑料接近 滯料靜止狀態或是肉厚相
15、當薄熱量迅速被冷 模穴傳導散逸熱傳導效應(thermal conduction)明顯使塑料變冷。 若局部平均溫度接近料溫顯示該區域塑料流動 性良好或肉厚較厚熱塑料不斷流入補充熱量 熱對流效應(heat convection)明顯,使塑料保持 高溫狀態。 塑料平均溫度分布可用來評估可能發生熱點所在 作為冷卻水管安排的參考。配合冷卻分析設 計適切的冷卻水管路安排。Professional CAECAE for Injection Molding塑料容積溫度(Bulk Temperature)q以不同顏色顯示充填結束瞬間肉厚方向考慮速 度加權的平均溫度分布情形。代表動態的平均溫 度。由于靜止區域(速度u=0)加權為零代表忽 略靜止區域對平均溫度的貢獻因此可以看出熱 對流對于溫度分布的效應滯流區域及黏滯加熱 區域的溫度分布情形。一般而言充填過程中之 體積溫度分布情形應反映出塑料充填流動的趨勢 如圖所示。q判斷重點 1. 若容積溫度高于料
