虛擬優(yōu)化節(jié)省資源，實現(xiàn)高質(zhì)量的LSR注射成型

文/本刊編譯（原文來自Sigma）

聚合物材料在型腔中的流動行為取決于許多因素，因而難以預(yù)測。現(xiàn)代仿真技術(shù)通過計算和比較不同的注射概念并根據(jù)選定的標準對其進行排序來為模具和工藝設(shè)計提供支持。這種方法不會浪費材料資源，同時極大地減少了耗費的時間和精力。針對高度復(fù)雜的LSR部件，前期對模具設(shè)計和注射概念進行優(yōu)化，可以在第一次驗收階段就成功地生產(chǎn)出高質(zhì)量的部件。

聚合物在注射模具中的流動取決于多種因素，特別是材料特性和工藝設(shè)置。憑借經(jīng)驗、實踐知識有時甚至是直覺，大多數(shù)有經(jīng)驗的模具制造商能夠在第一次生產(chǎn)過程中成功地設(shè)計出能生產(chǎn)合格部件的模具。然而，隨著部件復(fù)雜程度的增加，卻降低了首次運行成功的概率，因此，這些項目通常需要經(jīng)歷迭代升級過程，或修改模具鋼，或通過修改模具/冷流道板來改變注射系統(tǒng)?，F(xiàn)在，模具制造商和工藝工程師可以通過前期的模擬來分析注射成型過程，以節(jié)省調(diào)整工藝所需花費的時間、工時和材料。

復(fù)雜部件的一個例子是圖1所示的防燙墊，它由液態(tài)硅膠（LSR）制成，形狀獨特，整個蜂巢結(jié)構(gòu)的壁厚只有1mm。此概念是為參加展會而由幾家行業(yè)合作伙伴聯(lián)合發(fā)起的一個項目，以全面生產(chǎn)的方式進行展示。由于資金和時間限制，使得制造實體原型不太可能，因此，針對部件、冷流道、模具和工藝的可行性研究和設(shè)計驗證都是在虛擬環(huán)境下進行的。

圖1 該防燙墊是一個結(jié)構(gòu)復(fù)雜的部件，其整個蜂巢結(jié)構(gòu)的壁厚只有1 mm，注射量大約是85 g

雖然這只是一個防燙墊，但細節(jié)決定了成??！除了考究的蜂巢結(jié)構(gòu)外，整個部件看起來很簡單。雖然有數(shù)百萬的產(chǎn)品是由硅膠HCR模壓成型的，但在LSR注射成型中卻沒有類似部件的現(xiàn)成資料或經(jīng)驗供參考，填充巨大的薄壁蜂巢面積所需的注射壓力以及澆口的最佳位置等都是未知的。

該部件看起來是對稱的，但實際并非如此：從中心到水平側(cè)壁的距離明顯短于垂直側(cè)壁。填充部件時，圍繞薄壁中心區(qū)域的厚壁環(huán)可能會帶來一些意想不到的問題：這里的流體前沿明顯要快得多，使得空氣滯留實際上不可避免。對此，設(shè)計者們第一個自然想法是，采用一個中央澆口不會起作用——對此，本文將在后面作出詳細說明。

從設(shè)計到成型部件

在設(shè)計階段，重點是部件的幾何形狀。注射澆口的位置至關(guān)重要，它確定了最長流道的長度，并決定了型腔能否在固化動力學(xué)和流變學(xué)的影響下被100%填滿。注射壓力也很重要，并因此而影響所要使用的最佳成型機的選用。在此項目案例中，必須同時訂購模具和機器，理想情況是訂購技術(shù)上可行的最小型的機器。關(guān)鍵問題是，鎖模力和注射壓力是否足夠。型腔的排氣口必須在容易接觸到的地方，以防止因空氣滯留而造成光學(xué)故障。在滿足了所有這些要求并完全填滿了型腔之后，接下來的問題是固化和循環(huán)時間。理想情況下，整個部件應(yīng)該均勻且完全交聯(lián)。根據(jù)流動史和壁厚情況，對于后固化的區(qū)域，實施所需要的固化和循環(huán)時間。

通常，為了驗證開發(fā)概念，需要制造一副原型模具，這會浪費資源，而目的主要是為了生產(chǎn)試件以對此概念進行評估。如果成功，在制造用于量產(chǎn)的模具之前需要先制作一系列的原型。另一種方法是利用模擬來進行工藝設(shè)計并測試不同的方法，這樣，公司能以節(jié)省資源的方式虛擬開展整個生產(chǎn)研究。這可能是有利的，特別是在時間緊張的情況下，因為這樣做時，可以同時檢查幾個概念或設(shè)置。關(guān)于這個防燙墊項目，時間緊迫是促使項目合作伙伴模擬模具、冷流道和機器整個生產(chǎn)過程的決定性因素，通過使用Sigmasoft Virtual Molding軟件，他們能夠虛擬分析和優(yōu)化整個過程。

型腔的最佳填充

為了確定如何將形狀如此復(fù)雜的防燙墊填滿LSR，想象聚合物的流動路徑以及考慮材料性能在填充過程中的變化是一種很好的方法：

1. 冷料在到達熱型腔之前，在室溫下經(jīng)過機器噴嘴和冷流 道板。

2. 到達型腔時，由于模具溫度和剪切應(yīng)力，溫度會急劇升高。

3. 溫度啟動了LSR的固化過程，熱傳遞取決于溫度梯度、導(dǎo)熱系數(shù)和時間。

4. 因此，流動路徑必須在處于材料固化動力學(xué)中的填充時間內(nèi)完成。

5. 比如，快速填充會導(dǎo)致更高的溫度，這可能引起固化過程過早開始。

6. 這導(dǎo)致了填充速度和壓力必須在機器的能力范圍之內(nèi)。

7. 另一方面，填充壓力取決于流變材料的特性——這同樣取決于溫度、剪切力和固化狀態(tài)。

基于對上述各點的考慮，只有一些簡單的填充概念可以和其他加工專家一起考慮或討論。大多數(shù)情況下，這還不足以包括找到最佳組合的所有方面和過程細節(jié)。

該解決方案可以通過現(xiàn)代注射成型模擬方法來實現(xiàn)，它超出了型腔填充的基本計算。Sigmasoft Virtual Molding軟件基于現(xiàn)代優(yōu)化算法，為以最少的工作量進行比較以及對形狀與工藝參數(shù)的幾種組合進行基準測試提供了可能。在第一個設(shè)計階段，防燙墊是虛擬實驗設(shè)計（簡稱DoE）的對象，根據(jù)作用在部件上的15個不同的單、雙冷流道噴嘴，采用兩種填充時間和兩種不同的溫度計算出型腔的填充量，如圖2所示，然后，將結(jié)果與流動長度和所需注射壓力等標準進行比較。

圖2 在兩個填充時間和兩個注射溫度下測試了15種不同的單、雙注射點組合，所有這些都在一個虛擬實驗設(shè)計中完成

在對總共60種組合進行基準測試后，決定將澆口放在中間，這樣，在100bar（102kg/cm2）的注射壓力下流動長度為100mm。這一壓力不是最低的變量，但有明顯的優(yōu)勢，體現(xiàn)在填充模式上。圖3對該設(shè)計與替代設(shè)置在填充行為和所需壓力上進行了比較。較低的填充壓力（右）在部件中心有滯留空氣的風(fēng)險，而中央注射可將空氣推向部件的側(cè)壁，排氣會更加容易。

圖3 對兩種澆口選項的充填壓力和必要的排氣進行比較：將澆口放在中央，填充需要更高的壓力，但為排氣提供了最佳位置（左）；將澆口放在兩個角上，雖然可以降低所需壓力，卻使空氣滯留在不利區(qū)域

中央澆口的缺點是需要連接點的精確位置。取決于工藝參數(shù)和選用材料（粘度），它們的位置可能會有所不同（在某些情況下，甚至朝向表面區(qū)域的內(nèi)部），這意味著一個強大的全自動化的生產(chǎn)過程存在一定的風(fēng)險。重要的是要知道，在填充過程中，剪切變稀的LSR具有很低的粘度。因此，模具的分模面必須緊密閉合，最大公差5μm（太小了就無法有效排氣），否則，LSR會流過間隙并產(chǎn)生飛邊。對連接點的精確了解，意味著可以采取額外措施來排除局部空氣，如微細研磨的區(qū)域或針式澆口噴嘴，這樣，部件在脫模后應(yīng)該無需修邊。

當(dāng)討論“在可接受的填充時間內(nèi)且無需高的填充壓力的情況下如何對這個復(fù)雜的蜂巢結(jié)構(gòu)填充大約85g的LSR”時，該團隊選擇開發(fā)一種采用兩個噴嘴的冷流道概念，這提供了額外的好處，可以將連接點的數(shù)量減少到只有兩個，并且它們的位置始終是固定的，與工藝或材料的變化無關(guān)。該冷流道顯示將消耗220bar（224.4kg/cm2）的壓力，大約是在填充時間3s時總注射壓力達315 bar（321.3kg/cm2）的70%，如圖4所示。此外，對填充時間1s和2s時所需的壓力也進行了計算和比較，如圖5所示。僅用1s時間的快速填充需要大約650bar（663kg/cm2）的最大壓力，這是安全的，處在選定的小型成型機的能力范圍內(nèi)。

圖4 針對第一個部件設(shè)計，確定出采用兩個噴嘴的冷流道設(shè)計在3 s的填充時間內(nèi)消耗的壓力剛剛超過200 bar（204 kg/cm2），總填充壓力是315 bar（321.3 kg/cm2）

圖5 機器噴嘴在3個不同注射時間的壓力（1 s、2 s和3 s）

設(shè)計的最后微調(diào)

在分析模擬的過程中，另一個顯而易見的細節(jié)是材料流入懸掛區(qū)（如圖6上所示）。當(dāng)?shù)驼扯鹊腖SR從1mm壁厚的蜂巢區(qū)流入較厚（3mm）的懸掛區(qū)時，會發(fā)生噴射，這可能引起空氣滯留。這些滯留的空氣增加了光學(xué)故障的可能性以及在此功能臨界區(qū)的內(nèi)部孔隙。為了避免噴射，需要相應(yīng)地修改幾何形狀（如圖6下所示）。

圖6 對設(shè)計進行優(yōu)化可以防止自由噴射對皮瓣區(qū)（上）帶來影響，下左為原始設(shè)計，下右為優(yōu)化后的設(shè)計

但是，改善懸掛區(qū)的流動并不是更新設(shè)計的唯一原因，它還有助于縮短循環(huán)時間，因為壁厚大的懸掛區(qū)是后交聯(lián)的，從而不必要地延長了循環(huán)時間。在170℃下固化25s后，檢查部件表面和剖面固化程度時，這就顯而易見了：懸掛顯示內(nèi)部固化進展不大，而表面似乎完全固化了，如圖7左所示，為確保穩(wěn)定脫模，還額外需要15s的循環(huán)時間。在相同的時間和溫度條件下，對懸掛形狀的改進顯示出更快的固化進程，如圖7右所示。因此，固化時間不再取決于懸掛，而是取決于較厚的蜂巢，這里有兩個注射噴嘴被埋入模板中。最后，將模具溫度提高10℃，令整個防燙墊在25s的時間內(nèi)充分固化，從而確保了脫模時尺寸保持穩(wěn)定。

下一步是增大防燙墊的尺寸，這是因為，模擬顯示，所需要的填充壓力和鎖模力遠低于機器的限定值，增加部件的總體尺寸是為了更好地利用機器的能力（如圖7左和右所示）。最終模擬和真實加工表明，3s的填充時間所需的填充壓力略高于500bar（510kg/cm2）。

圖7 防燙墊的表面和內(nèi)部（剖面）在170 ℃下加熱25 s后固化程度的對比，左為設(shè)計優(yōu)化前，右為設(shè)計優(yōu)化后

在展會期間，全自動化的生產(chǎn)單元采用評估好的工藝參數(shù)如注射時間、溫度和固化時間來運行，大約有數(shù)千個成型好的防燙墊直接從機器交付給感興趣的觀眾，供他們回家使用。

總結(jié)

借助于虛擬DoE，為生產(chǎn)防燙墊而開發(fā)了理想的澆口，最終采用了雙噴嘴的冷流道，優(yōu)化了部件填充。為確保機器能力滿足壓力要求，計算了不同的填充概念和填充時間。對部件形狀的優(yōu)化阻止了空氣滯留的形成，避免了循環(huán)時間的延長，確保了在第一次加工試驗中就能制造出品質(zhì)優(yōu)良的部件。借助于模擬，這種基本的可行性分析正變得越來越節(jié)省資源，通常在報價階段就以簡化的形式用于對部件的計算。