薄壁注塑成型数值模拟技术的发展现状

V ol 34 ! 1(Sum 171) Febr uar y 2006

P LA ST ICS SCI

塑 料 科 技

& T ECH N OL O GY

51

文章编号:1005 3360(2006) 01 0051 04

薄壁注塑成型数值模拟技术的发展现状

宋满仓, 颜克辉

(大连理工大学模具研究所, 辽宁 大连116023)

摘 要: 由于 3C 产品向薄、轻、短、小方向发展得越来越快, 所以薄壁注塑成型技术也受到人们的高度重视,

而薄壁注塑成型数值模拟技术是薄壁注塑成型技术得以应用的重要保证。介绍了薄壁注塑成型数值模拟技术产 生的背景和科学意义, 综述了薄壁注塑成型数值模拟技术的研究与应用概况, 探讨了其发展中所面临的一些关键

问题, 指出了薄壁注塑成型数值模拟技术的研究发展方向。

关键词: 薄壁注塑成型; 数值模拟; 流长厚度比; 冷凝层

中图分类号: T Q 320 662 文献标识码: A

近年来, 笔记本电脑和移动电话等 3C (Com put 的厚度小于 1m m (或 1 5mm ) 或者 t /d (t : t hick

er, Comm unicat ion and Consumer) 产品更新换代的 ness, 塑件厚度; d:diam et er, 塑件直径, 针对圆盘型塑

速度非常快, 这类产品的设计理念正朝着 轻、薄、短、 件) 在0 05 以下的注塑成型定义为薄壁注塑成型。 小 方向发展, 同时人们对这些产品的需求也在快速增 由此可见, 要给出一个适合所有塑料材料和塑件形状

[4]

长, 于是在常规注塑成型( Convent ional Inject ion

的薄壁注塑成型定义比较困难; 同时随着技术的发展,

Mo lding, CIM ) 技术的基础上, 薄壁注塑成型(T hin- Wall Injectio n Mo lding , T WIM) 技术迅速发展起来。

薄壁注塑成型定义的临界值也将发生变化, 它应该是 一个相对的概念。

常规注塑成型工艺已为人们所熟悉, 但薄壁注塑

薄壁化因具有减小产品质量及外形尺寸、便于集成设 成为塑料消费行业追求的目标, 已成为塑料成型行业 中新的研究热点。

薄壁注塑成型技术仅有十几年发展历史, 其理论

计及装配、缩短生产周期、节约材料和降低成本等优点 成型则不然, 因为随着壁厚的减薄[2] [3] , 聚合物熔体在型腔

中的冷却速度加剧, 在很短的时间内就会固化, 这使得

成型过程变得复杂, 成型难度加大, 常规的注塑成型工

艺条件已不能满足需要。常规注塑成型的一个不足就 是填充过程和冷却过程往往交织在一起, 但由于常规 塑件的尺寸比较大, 所以对成型过程影响不大, 但在薄

体系尚未形成, 缺少系统性的研究, 而薄壁注塑成型数 值模拟研究也只是近几年才提出的, 还有许多理论上

和实践中的问题尚待解决。 壁注塑成型中这个不足就成为致命的问题。所以, 不 能把常规注塑成型中的理论和操作简单地照搬到薄壁 注塑成型中去。

1 薄壁注塑成型技术

目前关于薄壁注塑成型还没有统一的定义, M ah ishi 和M alo ney [ 1] 把其定义为塑件的流长厚度比L /T

2 薄壁注塑成型数值模拟技术

在注塑成型中, 对填充过程进行数值模拟可以预 测实际注射过程中可能出现的缺陷, 优化模具结构设 计、调整工艺参数, 有针对性地制订解决方案, 从而达

(L :L eng t h, 流动长度; T : T hickness, 塑件厚度; L /T

也简称为流长比) 在 100 或者150以上的注塑为薄壁

注塑; 而Whet t en 和F asset [ 1] 是这样定义薄壁注塑成 型的: 所成型塑件的厚度小于 1mm , 同时塑件的投影

面积在50cm 2 以上的注塑成型; 还有人把所成型塑件

到减少材料浪费, 降低生产成本, 提高产品质量和市场

竞争力的目的。目前, 对于常规模具的数值模拟已经 成为模具设计中不可缺少的一环; 在薄壁注塑成型技 术越来越引起关注的今天, 出于同样的目的, 人们希望

收稿日期: 2005 09 26

52 宋满仓, 等 薄壁注塑成型数值模拟技术的发展现状

对薄壁注塑模具的填充情况事先进行数值模拟。 20世纪70年代, 在世界范围内开始了注塑成型 数值模拟技术的研究。到目前为止, 成熟的商业注塑

和流道没有加热的原因。

Lo sch 通过实验发现, 厚度愈薄的制品需要更高 的注射压力与注射速度才能将型腔完全充填。M a

成型数值模拟软件较多, 澳大利亚M O LD FL O W 公司

lo ney 将厚1mm, 半径15 4mm 的1/4圆盘状塑件以

的M oldflow 软件和美国 A C T ech 公司( 2000 年 2 月, 被M O L DFL O W 公司合并) 的 C- M old 软件是其

PC 和 A BS 两种材料用 M oldF low 软件来做模拟, 结 果表明, 高的注射速度可以提高剪应变率, 并且提高剪

中的优秀代表。但针对薄壁注塑成型条件下的数值模 拟还没有专用的软件, 所以人们仍使用现有的商业注 塑成型数值模拟软件。研究表明, 现有的商业化注塑 成型数值模拟软件可以用来分析薄壁塑件的填充行

切热以增加材料的流长比。T anktakom 以厚度

1mm 、面积为50cm 的塑件用A BS 和 PC 材料来做实

验模拟, 研究表明, 成型材料主要受模具温度与熔体温 度影响, 而提高熔体温度到接近临界温度可以增加熔

为, 以及薄壁塑件注塑中工艺参数的选择, 但不能充分

体流动的长度, 提高模具温度也可以改善熔体流动的 长度与成品的延伸强度。M ahishi 使用C- M old 软 件模拟了薄壁圆盘件的填充情况, 研究表明, 在整个注

描述在薄壁注塑成型中所有的影响因素, 实验结果与 模拟结果之间几乎都存在差异, 这可能是由于存在实 验和计算误差, 但更重要的原因可能是由于在模拟中, 一些重要的物理、热学或其他性质的简化造成的, 所以

一些研究人员也在尝试对现有的方法做一些改进和创

新, 建立更合理的模型。

塑过程中需要高注射速度和高注射压力。

Jansen et al 通过改变保压压力、注射速度、 模具温度和熔体温度研究了 P S 、A BS 、P C 、H IP S 、 PBT 、P BT - GF 30 和H D PE 7 种热塑性塑料的收缩

情况, 结果发现, 保压压力和熔体温度对塑件的收缩影

对于薄壁注塑成型, 起初人们普遍认为需要高注 射压力、高注射速度和高熔体温度等工艺条件, 但是随

响最大, 而注射速度和模具温度的影响则不大。

着研究的进行, 研究者发现并不完全像先前所认为的 那样。每个研究者的结论也不尽相同, 至今还没有比 [5]

台湾龙华大学机械工程系的沈永康等 使用在注

塑数值模拟中公认的H ele- Shaw 流动模型来描述非

牛顿流体, 使用的是M oldf low 软件, 塑件是笔记本电

较系统、权威的结论。

奥克兰大学机械工程系的姚东刚等 对不同厚度 的矩形薄壁塑件成型行为进行了研究。使用 C -

脑外壳, 其厚度分别为0 9m m 和1 0mm, 材料是加入 不同比例玻璃纤维的聚丙烯(P P) 。模拟中采用正交

实验表来安排填充时间、注射压力、熔体温度和模具温 度等工艺参数。模拟结果表明, 在薄壁注塑中模具温 度是最重要的工艺参数, 如果模具温度过低就会发生 欠注射; 薄壁注塑中的注射压力、模具温度和熔体温度

Mo ld 软件来模拟其填充行为, 所用材料为聚碳酸酯

(PC) , 模具温度一种是室温, 另一种是 265∀ (即 PC

熔体温度) , 塑件壁厚分别为 0 25mm 、0 5mm 、1mm 和2mm, 注射速度为100mm/ s 和1000m m/s 。在室温

均高于常规注塑。

台湾的M ing - Chih H uang 等 对1mm 厚塑件 (图1) 的翘曲进行了数值模拟。模拟时采用正交实验

下的模拟研究表明: 当壁厚减小时, 要填充相同的 L/ T 值, 注射压力急剧上升; 在低注射速度下, 要填充相 同的L /T 值, 所需的注射压力也要比高注射速度下高

方法来分析填充时间、模具温度、浇口尺寸、熔体温度、 保压时间和保压压力等参数对其翘曲的影响。研究表 明, 模具温度和熔体温度的交互作用影响最大, 保压压 力、模具温度、熔体温度和保压时间的影响依次递减,

很多。在265∀ 下的模拟研究表明:要填充相同的 L/

T 值, 所需的注射压力比在室温下时要低得多; 在高速

注射中, 当壁厚减小时, 注射压力升高并不明显; 当低 速注射时, 注射压力几乎没有变化, 同时所需压力还比

而浇口尺寸和填充时间的影响很小。

台湾的S J LIA O 等 对薄壁手机面盖板的收 缩和翘曲情况使用 C - M old 软件进行了数值模拟。

在高速注射时要低。模拟结果表明, 模具温度在薄壁 注塑成型中起重要作用; 在低速、高模具温度下注塑 时, L /T 值可以很大, 且注射压力也不是很高, 这和当

研究表明, 保压压力、注射速度、模具温度和熔体温度

前认为在成型薄壁塑件时要采用高速、高压的工艺参 数相反。实验使用快速热响应( Rapid T her mal R e

等4个工艺参数中, 保压压力的影响最大; 为减小收缩

spo nse, RT R) 模具来进行验证, 但在注射压力方面与 数值模拟出现了较大的差异, 分析可能是模具的浇口

和避免翘曲的最佳工艺参数组合有所不同; 塑件的形 状对最佳工艺参数组合有影响。

[6]

宋满仓, 等 薄壁注塑成型数值模拟技术的发展现状

[1]

53

有很大的影响。Sridhar 和 N ar h 发现比热和热传导 对型腔压力几乎没有影响, 但会影响冷却时间和塑件

的收缩与翘曲。

谷诤巍 认为薄壁注塑成型的粘度模型应该是 一个压力、温度敏感模型, 并能适应宽广的剪切速率范

围, 所以他选用了 7 参数的 Cross- WL F 粘度模型, 并从流体力学基本理论出发, 重新确定了边界条件来

建立数学模型, 并采用有限元/有限差分和控制体积相 结合的数值求解方法。他对轿车后视镜托板(平均厚

度1 1mm, 最小厚度 0 8mm ) 的成型过程进行了模

图 1 几何模型的有限元网格

拟, 验证了薄壁中粘度对压力的依赖性。

综上所述, 从研究的手段来看, 由于在模拟和实验

宋满仓等通过实验和 Mo ldf low 软件对一圆形塑

中要考虑的参数比较多( 注射速度、注射压力、注射量、 模具温度、熔体温度和冷却时间等) , 且每个参数又有

[12]

件和一个矩形塑件( 壁厚为0 1m m 和0 2mm) 进行了

研究, 研究表明:注射量及注射速度对薄壁塑件注塑成 型的填充过程起主导作用, 适当范围的注射量及高的

很多不同水平, 还要考虑交互影响, 所以多倾向于使用

注射速度能大幅度地提高填充率; 熔体温度和注射压 力相对于注射量和注射速度只起次要作用; 由于实验 条件所限没有研究模具温度的影响。

美国L A N L 的国家实验室 [11] 在研究中发现, 在

正交实验方法安排模拟条件和实验条件, 这样不但可

以减少实验次数, 节省时间和费用, 而且又能得到好的

效果。从研究的结果来看, 基本还是停留在定性研究 中, 几乎没有定量计算的研究。虽然可以预测到熔接

痕的大体位置, 但是不能够确定它的准确位置及形状; 所成型的塑件几何形状也比较简单, 比如矩形和圆形 等, 只是厚度不同而已。

诸多影响模拟精度的因素中, 粘度的压力依赖性排在

前列, 如不考虑压力对粘度的影响, 随着压力的增加, 模拟误差将增大( 图2) 。同时还发现, 熔体的密度变

化、由压缩功转化的粘性热甚至熔体的粘弹性本身都 可能会影响薄壁注塑成型的模拟精度。

3 薄壁注塑成型模拟技术关键及发展

常规注塑的填充过程和冷却过程是交织在一起

的, 当聚合物熔体流动时, 熔体前沿遇到相对温度较低

的型芯表面或型腔壁, 就会在其表面形成冷凝层, 熔体 在冷凝层内继续向前流动(熔体像 三明治 一样被夹

在中间) , 冷凝层厚度对聚合物的流动有着显著的影 响。因为常规注塑成型时塑件的厚度较厚, 所以此时

冷凝层对注塑的影响还不是很大。但在薄壁注塑成型 中, 由于冷凝层的厚度与塑件厚度之比, 随着塑件厚度 的变薄逐渐增加, 所以影响就很大, 特别是二者的尺寸

可以相互比较时。研究表明, 当塑件的厚度减小时, 冷 凝层对流动的影响将会以指数形式增加, 这说明了冷

凝层在薄壁注塑成型中的影响很大, 所以需要对薄壁 注塑成型中的冷凝层的性质进行更深入、更全面的研 究 。因此有关薄壁注塑成型的数值模拟还需在以下

图 2 压力对粘度的影响模拟结果

几方面做很多工作。

(1) 深入全面研究薄壁注塑成型理论, 尤其是冷凝

A inoya 和 A m ono [ 1] 发现P V T 数据会影响填充

时间和型腔压力, 他们还发现传热系数对压力的预测

层的性质, 以便提出更加合理的假设条件和边界条件。

由上述分析可知, 在薄壁注塑成型过程中, 很多条件和

54 宋满仓, 等 薄壁注塑成型数值模拟技术的发展现状

常规注塑成型有很大不同。模拟时, 熔体流动数学模 型的许多假设和边界条件在薄壁注塑成型中需要进行 适当的调整。

(2) 测定在薄壁注塑成型过程中的某些流变学数

会成为一种不可缺少的注塑成型技术。薄壁注塑成型 技术的新颖性和复杂性决定了其数值模拟技术是其应 用的重要环节, 也是该技术研究的热点, 是确保该技术

顺利应用的关键, 因此致力于薄壁注塑成型数值模拟

据, 比如, 随冷却速率而改变的玻璃化转变温度、具有 方向性的机械性质以及快速冷却的P V T 曲线等。因

理论的研究很有必要。 参考文献:

1 G uo jun Xu, M E Study of thin wa ll injection mo lding:

为现有注塑成型数值模拟软件中所使用的这些流变学 数据都是在常规实验所得, 这些数据不一定适合薄壁

塑件的流动模型。

(3) 确定在薄壁注塑成型中增加的因素, 并正确

( Doctor 's academ ic disser tation ) [ M ] T he Ohio State :

T he O hio State U niver sity, 2004

地考虑这些因素。一些在常规注塑中可以忽略的因

2 M ing Chih Huang, Ching Chih T ai T he effective f acto rs in

素, 往往会对薄壁成型熔体流动产生较大的影响。比 如, 在薄壁注塑中粘度对压力有明显的依赖性, 而在

the w arpage pro blem of an inject ion - mo lded part with a

thin shell featur e [ J] M ateria ls Pro cessing T echnolog y,

2001, 110 (1) : 1~ 9

常规注塑成型中却没有; 要求模型能够预测成型过程

3 S J LIA O , D Y CH A N G , H J CHEN et al O pti

中材料的降解, 因为材料降解会影响粘度; 考虑表面

mal P ro cess Condit ions of Shrinkage and W arpage of T hin

张力和模具粗糙度对薄壁注塑成型过程的影响; 熔接 线强度对塑件性能影响很大, 尤其是薄壁塑件, 熔接

W all Parts[ J] P olymer Eng ineer ing and Science, 2004, 44

(5) : 917~ 928

线强度与温度和压力有关, 但常规数值模拟时没有考

4 黄虹 塑料成型加工与模具[M ] 北京: 化学工业出版社,

虑压力的影响; 材料的比热、传热系数和压力损失

2003:179

5 Yao Dongg ang , K im By ung Increasing flo w lengt h in

等。现有的商品化数值模拟软件由于忽略了这些影响 因素, 因而在预测薄壁注塑成型时会出现不一致的现 象。

(4) 应用真正的三维数值模拟。现有商品化的数 值模拟软件都是使用二维、二维半要素代表三维几何

thin wall injection molding using a rapidly heated mold[ J] Po ly mer P lastics T echno log y A nd Eng ineering , 2002, 41

(5) : 819~ 832

6 Lo sch, k T hin W all mo lding : demanding but r ew ar ding

[J] M odern Plastics, 1998, 74 ( 11) : 79~ 82

图形的简化模型, 没有考虑物理量在厚度方向上的变

7 M alo ney , R P Poslinski, A J V iscosit y P ressur e De

pendence and M ater ial Deg radation Effects on T hin W all

化。三维流动区域即拐角处流动、厚度变化区域、熔体 前端喷泉效应在现有的数值模拟软件中还不能表示, 而它们在薄壁注塑成型中起重要作用。

(5) 注塑成型全过程模拟。目前的模拟软件主要

M old F illing Simulatio n[ J] AN T EC, 1998, 542~ 546

8 T antako m, P N ick, R S Pr ocessing Str ategies fo r T hin

Wall injection molding [J], A NT EC, 1998, 367~ 731

9 Y K Shen, P H Y eh and J S W u N umer ical simulation

包括填充、流动、保压、冷却、应力应变和翘曲分析等模 块, 各模块的开发是基于各自独立的数学模型, 忽略 了相互之间的影响。但是, 从注塑成型工艺过程来

fo r thin wall injection mo lding of fiber reinfor ced t her mo

plastics[ J] Int ernational Communicatio ns in Heat M ass

T r ansfer , 2001, 28 ( 8) : 1035~ 1042

10 K M B Jansen, D J V an Dijk, M H H usselman

Effect of P ro cessing Conditions o n Shrinkage in Injection

看, 塑料熔体的充模流动、保压和冷却等是交织在一

起并相互影响的, 这在薄壁注塑成型中尤为明显。因 此, 充模流动、保压与冷却分析和翘曲模块必须有机

M o lding[ J] P olymer Eng ineering and Science, 1998, 38

(5) : 838~ 846

地结合起来, 进行耦合分析, 才能综合反映实际的注塑

11 A J P oslinski Effects o f pr ocessing co nditions and mate

成型。

rial models o n the inject ion pr essure and flow leng th in thin

wall part s[ J] AN T EC'96: 470~ 474

12 谷诤巍 薄壳注塑成型中熔体充填过程的模拟研究[ D]

4 结束语

随着3C 产品越来越广泛的应用, 它们向短、小、

吉林大学博士学位论文, 长春: 吉林大学, 2001

#下转第31页∃

轻、薄方向的发展必将会更深入, 薄壁注塑成型技术将

连荣炳, 等

成核剂对软质 PV C 鞋底发泡材料的影响

31

Jo ur na l o f

Ethyene/Sty rene Inter po ly mers in Cro sslinked Foams for the Foo twear I ndustr y [ J ] Journal o f Cellular Plastics,

W edg es in A thlet ic Fo otw ear A pplication [ J]

Cellular Plast ics, 1998, 34(6) : 329~ 347

2002, 38( 3) :149~ 161

5

L ee Chen, Kent Blizar d, R ich Str aff

Effect of F iller Size

Jo ur nal o f

4

J I ndest eeg e, R E Cama rg o, P W M ackey Considera tio ns o n the Selectio n of P olourethane Systems for M idsole

o n Cell N ucleation During Fo aming P ro cess[ J] Cellular Plast ics, 2002, 38(3) : 139~ 148

Ef fects of Nucl eating Agents on Properties of Flexible

Pol y (vinyl chlori de) Foami ng Sole Material

1 1 2

L ian Ron gbin g , Zhan g W eiqin , K on g Zhan , H u ang R u i , Y e S h eng jing

(1 Co llege of Poly mer Science and Eng ineering, Sichuan U niv ersity , Sichuan 610065, China ; 2 Research Instit ute of t he Seco ndary Lig ht Industry in F ujian Pr ovince, F uzho u 350001, China)

1

1

Abstract: It discussed t he inf luencing eff ect s of f our kinds of nucleat io n agent s, including t it anic ox ide (T iO 2) , super fine heavy w eig ht carbo n dioxide ( CaCO 3) , superfine nano meter carbo n dioxide ( nano CaCO 3)

and t alc pow der,

o n pr opert ies of f lex ible po ly ( viny l chloride ) ( PV C ) f oaming sole mat er ials T he r esult s

show ed that T iO 2, heavy w eight CaCO 3, superf ine nano CaCO 3 reduce t he density of mat erial, but talc pow der increases it ; w hen t he use amount s of T iO 2, heavy w eig ht CaCO 3, superf ine nano CaCO 3 are 2phr, 2phr, and

1phr respect iv ely , t he propert ies of f lex ible PV C f oaming sole m at erials are ex cellent ;

the sm aller of t he part i

cles size o f nucleat ion agent s f illed in,

t he smaller of t he densit y and t he evener o f t he cell st ruct ure o f m at erial

could be obtained

Key words :N ucleat io n ag ent ;

Foam mat erial; Cell st ruct ure

#上接第54页∃

Present Situations of Numerical Simulation Technology for Thin Wall Injection Molding

S on g M ancang, Y an K eh ui

( Dalian U niv ersity of T echnolo gy , Dalian 116023, China)

Abstract: T he researchers are t hinking highly of t he t hin w all inject ion m olding t echnolo gy because of the rapid development of the 3C ( Com put er, Co mmunication and Consumer) products, w hich beco me more and

more t hin, light, short and sm all; and t he num erical simulatio n t echno logy fo r t hin w all injection mo lding is an

impo rt ant g uarantee o f t he applicat io n of

t he t hin w all inject ion m olding

technolo gy It int roduced t he back

g round and scientif ic sig nif icance of t he numerical sim ulat ion t echnolo gy f or t hin w all inject ion molding , so rev iew ed its research and development It discussed t he key problems existing in t he development

and al of t his

kind of t echno logy , and po int ed o ut it s developing t rend

Key words : T hin w all inject io n m olding; N um erical simulat io n; R atio of flow

lengt h t o t hickness; Solidif ied

melt