料管压缩模拟于射出成型模流分析应用

■ Moldex3D/ 徐志忠协理

前言

工 业 4.0 的 核 心 课 题 就 是 虚 实 融 合 系 统 (Cyber Physical System, CPS),目前最成熟应用虚拟的模 型来描述真实射出成型制程的方法,便是透过已发 展多年的「模流分析」技术,将射出成型中的所有元素都转换为虚拟系统,针对产品质量与生产效 能的计算在虚拟系统中完成后,反应到实体空间 作为对生产决策的建议,其运作流程如图1所示。

 

图 1:注塑成型产品开发新概念     图 2:注塑机台注塑过程的模型示例

如何使分析结果与实际相符

射出成型实务和模流分析比对过程当中,最关键的执行 步骤便是需要尽可能让模流分析输入的数据和真实世界 射出过程的条件一致,然而可能导致后续比对不一致的 因素有很多,例如机器性能造成机械响应有快有慢、在 材料加工过程中对特性的掌握、数据测量方法,以及产 品几何一致性等。在确保这些输入资料的正确性后,模 流分析预测的结果往往可以高度符合实际结果,并为使 用者带来模穴内完整的计算数据,以利进行后续设计变更的优化调整。在射出压力的比对上,确定几何与现场 一致性后,首要面对的问题,便是材料黏度模型的建构 及参数取得,材料黏度模型需能有效考虑加工过程中包 括温度、剪切率以及压力的效应等。其中愈显重要的是 射出机台作动的模型建构。以射出成型射出单元来看, 螺杆内部有进料区、塑化压缩区与计量区;借着螺杆一 边旋转一边后退,将固体塑料往喷嘴端送,期间塑料由 固态变成熔融态,累积于螺杆前端准备射出。自螺杆前端至喷嘴区内,塑料将承受高温且具压缩性的明显变 化,包括黏度及PVT,若射出保压的模拟将此因素纳入,将可以更好的描述入口条件,并产生更好的压力峰值预测(图2)。Moldex3D很早便在软件中引入 此料管区压缩的概念,利用材料本身的PVT随温度 压力变化,以程序内部动态压缩元素计算密度压缩因 子,计算此区域材料在射出保压过程中的质量守恒变化情况如以下公式:

其中,ρ表示材料密度,V表示料管体积,t为这一步 时间,t+△t为下一步时间,FR表示喷嘴区的流率值, 计算模拟结果如图3所示。由于材料比容在螺杆前端 受压缩效应影响,导致流率经过料管及喷嘴后,与机 台上设定的数值有所落差,特别是在材料压缩性变化 大或愈精密的小尺寸产品上,其差异会更明显。透过 导入上述计算公式,Moldex3D的模拟结果已能有效 缩减此差距。目前此分析技术已成功应用在客户实际 案例上,预测压力在充填过程中的变化。在机台螺杆 运动的控制参数方面,传统模拟将螺杆的运动转化为 单纯施加在熔胶上的速度与压力,这其实是过度简化 了塑料的流动行为。以闭回路油压机为例,实际在射 出阶段,为了消弭当下量测到的速度与成型人员所输 入之射出速度的差异,机台会藉由控制器来调整比例 阀,以增加或降低的螺杆的前进速率。这个控制回路的响应快慢,决定了机台能否稳定生产。而机台响应 的快慢是个非线性的控制模型,如何置入模流分析中 进行模拟,往往是使用者在给定条件中会遇到的执行问题。

 

图 3:考虑机台响应参数鉴定的流率变化    图 4:不同计算模式的射压预测结果

Moldex3D 的新版本 VS. 传统 CAE 模式分析

在Moldex3D的新版本中,使用者可透过机台鉴定步骤,操作机台的充填速度与压力响应设定,并以实 验方法鉴定机台参数响应模型,将真实机台响应纳入 CAE模流分析进行考虑。如图3所示,以此一段流率 设定而言,传统 CAE 模式分析 (CAE mode) 只能表现出单段流率的预测;透过机台参数响应(Machine integration)鉴定射速,则可以获得更贴近真实机台 的流率变化行为,以及流率在初始阶段的延迟行为。 此外,Moldex3D还可结合在射出保压过程中,料管前端塑料受到螺杆的压缩效应,模拟材料在射出机的 料管和喷嘴阶段所经历的瞬时压缩行为;并且整合机 台响应参数化模型和高分子熔融塑料的材料压缩性效应,进行射出压力模拟。图4为比对不同计算模式 下所预测而得的射压差异。如前所述,传统CAE模 式只单纯考虑机台设定的一段变化,射压预测上会与 实验有所差异;而考虑机台参数响应与料管压缩效 应,射压预测的曲线可以大幅的修正,模拟预测值为 85.95MPa 接近现场 85.81MPa,并在保压切换点的预测上(17.875mm)更接近现场设定的(15mm)。

结语

随着工业4.0理念在全球不断发酵,射出成型机使用 者的需求已渐渐由单机演变成透过虚实整合系统达到 设备自动化、联网化与智能化,让使用者拥有更精密 的运筹计划与有效的资源分配。本文示范了从模拟分 析中整合机台响应参数化模型和高分子熔融塑料的材 料压缩性效应,使用者将可更真实考虑材料在进入模 穴时受到的动态行为,获得更精确的射出压力模拟结 果。透过这样的整合方式,将能减少试模过程中的材 料浪费,以及第一线工程师在实务操作时碰到的挑 战。■

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