注塑模具设计思考流程

具是赋予成品固定的几何形状﹐用以重复大量生产成品的工具。

除了产品外形、肉厚设计﹐还需要考虑浇口位置﹐流道排列﹐冷却管路配置﹐滑块、顶针、机构等。

　

模具设计准则

传统上在模具设计﹐首先考虑的是机构因素﹐安排分模面、轴向位置、滑块顶针、浇口位置、流道排列等﹐最后才想到塑料应如何充填。

但通常模具设计者本身并不具备成型的概念﹐不了解究竟多少压力差才能填满整组模﹔为了确保成型性﹐一般均采取较谨慎保守的方式-加大流道面积﹐加多浇口数目等﹔当有了成型问题﹐塑料跑不到的地方再多开一个浇口...这个现象今天在.....依然普遍。

要得到良好成品,需要了解模具内部的流动行为: 塑料在高温下熔融成液态﹐射出机台赋予一股压力﹐热熔会因压力差由高压往低压方向流动。模壁两侧速度较中央为慢﹐是因受到反方向的摩擦力所致。

事实上﹐在射出充填阶段﹐仍然可以细分成两部份:

1. 流动:塑料由喷嘴流出﹐经主浇道至流道、浇口而注入模穴﹐由流动起始至刚充满模穴的瞬间﹐视为流动阶段。

2. 保压:当完全填满整个模穴后﹐由于塑料熔体具有可压缩性﹐来自于射座螺杆的压力持续增加时﹐此压力升高可以多填入额外约15%的物料。之后﹐由于冷却造成体积收缩﹐保压后段更随时填入新塑料以补偿收缩减少的体积﹐正常情况下可填入约25%的额外体积﹐这约等于熔融热塑料与冷固态塑料的体积变化。

模具设计正确观念

传统进行一项塑料制品生产前﹐造形设计人员首先描绘出抽象的外形﹐以手工捏制出黏土模型﹐决定了尺寸后﹐再交由模具设计人员进行成品图与模具图绘制﹐完成后再去加工模具。

接下来﹐也许三个月后试模﹐试模结果经常是发现成型问题﹐需要反复修模﹐修的不好还需补模﹐等试好一个产品时﹐有时模具已是千疮百孔﹔而中间过程所浪费的人力与时间更是难以估计！而我们的希望是一次试模就能够得到良好的产品。

为什么需要试模? --因为没有人能准确预测塑料在模具内部的成型情况﹐而这一部份因素却决定了产品质量。当得到的产品不是原先所预期而有缺陷时﹐只能加以修改﹐以求得较好的产品。

我们能控制的是射出机台上的操作参数﹐如温度、射速、压力、时间缉r当完成射出程序后﹐得到的成品﹐我们期望是个良好的产品''表面美观﹐没有成型缺陷﹐尺寸安定﹐没有凹陷变形等。但在模具内部看不到的黑盒子内﹐到底发生了什么?中间过程这一部份是我们不了解的﹐为什么有的产品质量良好﹐有的却不良率很高呢?

为达到最佳设计﹐设计人员应该先了解模具内部的成型情形﹐在模具设计前就先把相关因素考虑进来﹐才能获致良好成品﹔而CAE正是解读模具内部成型所有信息的有效工具。

冷却分析

流动分析﹐可以帮助我们了解塑料在模穴内部的成型情况﹐用以找出适当成型条件及生产良好产品﹔迫捶治雯o则在于设计有效冷却管路与控制冷却条件﹐缩短成型周期。对大部份产品﹐冷却时间约占了七成﹐若能缩减这一部份时间损耗﹐对生产力来说是大幅提升。

进行有效冷却设计之前﹐应该先了解相关观念: 模具可以视为一个热交换系统﹐热量来源是熔融热塑料所带进来的热量﹐再以几种方式散失﹐而让成品冷却固化。

冷却机构主要为:

1. 金属模板热传导。

2. 对流及非常小部份的辐射散到大气中。

冷却水在管路中的流动形态可以分为层流与乱流﹐乱流才能有效带走热量﹐因此冷却液流率需控制在乱流范围内。下图是层流与乱流时﹐管内液体与金属模壁间的温度梯度﹔由左图可以了解﹐层流时模壁温度较高﹐是效率差的设计方式。

冷却速率快慢﹐则影响到内部的分子配向性与结晶性。均匀的冷却﹐能产生均匀的收缩﹐是最理想的设计方式。但由于几何上的非对称﹐产品内外容易形成不同热集中区﹐该区是最慢才冷却的﹐也因此造成了收缩较大﹐成品翘曲。

 

每一条冷却水路所涵盖的有效区域则应加以考虑﹐例如下图左﹐对同一个平面﹐两个大管径产生的效果﹐并不会比图右开五个小管来得均匀。

同样的﹐相同管径﹐但也要考虑热量集中程度﹐而需有位置上的调整﹐下图T型对象﹐两面相交处是热集中点﹐因此肋部背后是较多热量的位置﹐此处水路应靠近些﹔而内部两个角落处﹐则适合加开两个小管﹐才能有效达到均匀冷却。

水流的安排﹐则有串联与并联两蚧本型式。但因为并联方式管中流量被分散﹐效率会降低﹐一般均采用串联式。

对某些长深区域﹐水管能加工区域有限﹐则采用导管或挡板方式(bubbler & buffle)﹐增加接触面积﹐以提高冷却效率。

最新的冷却模块﹐则更考虑了详细的各部机构﹐例如分模面﹐镶入件(insert)﹐模座大小等。

应用冷却分析前﹐一些基本的物理名词应当先行了解:

热量:使一公克的水升高温度1℃所需的热量为1卡(Cal)。 使一公斤的水升高摄氏1℃所需的热量为1千卡(Kcal)。 比热(specific heat):水的热值设定为1 Cal/g℃﹐则其它物质的热值﹐相对于水的比值称为比热﹐这数字显示了该物质一克升高摄氏1℃所需要的能量。

热容量Cp (heat capacity)[Cal/cm^3℃]=比重ρ﹐[g/cm^3] x比热[Cal/g℃]﹐这数字表示物质1单位体积升1温度1℃时﹐所包容的能量。相同体积下﹐热容量高的物质﹐升高相同温度差时﹐所吸收的能量较高。当考虑不同材质﹐如钢材﹐塑料﹐冷却液等﹐因其比重比热各不相同﹐热容量各异﹐表现出来的温度便有差异。

要完整考虑各成份间的热传情况﹐除了热容量(吸收能量多少)外﹐1需考虑热量传递速度(热传导度)﹐才能计算出最佳的冷却设计及控制参数。 热传导度κ(Thermo-Conductivity): [W/M/℃]﹐表示材质传导热量快慢的能力。热传导度大的物质﹐吸热快散热也快。

真正决定全组模具不同材质间的热传特性需包括了两方面﹐一是热容量﹐一是1传系数﹔在此又另外定义一个参数表示二者的关系: 热扩散度α(heat diffusivity)= 热传导度/热容量 (α=κ/ρCp) 。 热扩散度大的物质﹐表示热传导度大(散热快)且热容量小(吸热少)﹐便能有效散热。举例来说﹐水与塑料、模具钢材的热物性分别是:

材质	比重ρ g/cm^3	比热 Cal/g℃	热容量Cp Cal/cm^3℃	热传系数κ Kcal/M.Hr.℃	热扩散度α M^2/Hr
塑料	0.95	0.47	0.447	0.12	0.0003
铁	7.9	0.11	0.87	45	0.0517

热扩散度的比值﹐铁与塑料约为0.517/0.0003=172﹐相差172倍。

翘曲分析

翘曲主要是因为收缩不均所造成的﹐收缩均匀的成品只是尺寸变小﹐若不均则成品产生扭曲。在一个成品﹐收缩性的变化可能有几种型式:

1. 区域性(region to region):平面位置不同。

2. 厚度层(through the thickness):厚度位置不同。

3. 方向性:平行/垂直分子方向

基本影响收缩的因素﹐则有：

1. 自由体积收缩: 此为P-V-T实验量测得到的数据

2. 结晶性:材料在结晶过程产生相变化﹐结晶性高的物料收缩会较大。

3. 模具限制:模壁若阻隔了塑料自由收缩﹐则收缩量会变小。

4. 分子配向性:在流动过程产生的方向性﹐若不及释放﹐则平行于分子主要配向与垂直方向会有不同收缩值。

 

　

为了控制翘曲﹐首先要了解影响收缩率的操作参数有:

归纳翘曲的主要因素﹐可以分成三大类:

1. 冷却性差异(differential cooling):冷却效率所影响﹐冷面会先收缩﹐但很快固化﹐收缩量固定﹔但热面缓慢收缩﹐分子有较长时间重排﹐收缩量会更大。

2. 区域收缩性差异(differential shrinkage):随厚度或位置而有不同﹐随保压效率所决定。

3. 分子配向性差异(orientation):浇口位置﹐流动方向等是主要因素。例如下例为一中央进料圆盘﹐流动方向主要是延半径辐射方向﹐当此径向收缩大于其垂直方向时﹐产品会发生图上马鞍状翘曲﹔若收缩是垂直方向大于半径方向时﹐则发生图下钟形翘曲。

收缩分析─ 读取流动、冷却分析结果，配合材料物性，计算成品之:

a. 各方向收缩率

b. 分子配向性（ORIENTATION）

c. 面积收缩率

d. 体积收缩率

e. 进行单变量分析

翘曲─ 读取收缩分析结果，限定边界条件，计算因收缩不均所造成的各方向翘曲率。详细功能再细分为线性、非线性、挫曲分析与单变量分析等。

模拟可能翘曲形状 诊断寻找，造成翘曲之原因 逻辑判断，提供解决方案 以最佳充填、保压、冷却等操件条件，减少成品翘曲变形 以肉厚变化及补强等方式，可减低翘曲变形

翘曲的型态与计算方式﹐则可以再区分为线性与非线l两种﹔线性关系是翘曲值与收缩量成线性比例﹔非线性关系则是因为材料产生挫曲 (Buckling)与永久变形﹐变形量与收缩负荷呈非线性比例﹐需另外以不同数值解法计算(大位移变形)。

以软件计算翘曲值﹐首先需进行挫曲分析计算﹐求得特征值(Eigenvalue)﹐判断变形形态是线性或非线性。特征值是表示在当时收缩负荷下﹐会发生挫曲的比例值﹔当此特征值大于一时﹐表示在全部(百分之百)负荷收缩范围内﹐成品不会发生挫曲﹐计算翘曲i需要以线性比例描述。若特征值小于一﹐产品在收缩负荷内就会发生挫曲﹐产生非线性变形。

挫曲分析:应先判断为线性或非线性

小位移分析:计算线性变形

大位移分析:计算非线性变形

Constrain:不同限制点选择方式则会影响表现出的翘曲形状