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不可忽视的料管和喷嘴模拟
[作者 周祐陞]   2021年05月25日 星期二 浏览人次: [1766]

本文叙述在模流分析的模拟中纳入料管与喷嘴,能够得到更加真实的流率与料温,提高模拟和现场制造之间的一致性,以制造出最隹化的产品。


模流分析的精确性很大部分取决於输入条件是否正确。一般的模拟大多仅分析模座中的行为,而省略了如图1中射出单元的部分。材料受到螺杆挤压,经由料管、喷嘴,最後进入模穴的一连串过程,皆被简化为理想的流率施加在进浇囗上。


然而这种做法忽略了材料在料管与喷嘴中流动所产生的性质变化,进而影响到了进入进浇囗流率、温度与黏度的真实性,导致模拟与实际生产条件在一开始就产生差距。若要克服这种差距,料管内的模拟就至关重要。



图1 : 射出成型示意图 [1]
图1 : 射出成型示意图 [1]

传统模拟将螺杆施加在熔胶上的力简单地转换为流率。若要完整考量螺杆挤压熔胶的动态行为,须在分析中导入料管与射嘴的模拟。材料在料管与射嘴中受到的压力时,依据材料本身的PVT特性与程式中计算的元素压缩,可利用公式计算其密度变化[2] 。


在熔胶被螺杆推挤进入模穴的过程中,材料被压缩,比容变小,体积流率也渐渐降低。此外,随着熔胶流至狭窄的喷嘴时,剧烈的剪切生热将加热材料。如图2所示,原本料温为摄氏190度的材料在通过喷嘴时温度上升到了摄氏195度,喷嘴内壁也可看到一层较高温的分布。位於料管後端的塑料有较长的距离会受到剪切生热的影响,而当这些较高温的塑料向前流动,从喷嘴进入模穴的塑料温度就会随着时间升高,如图3。若没有考虑来自料管与喷嘴的影响,则这些差异都将造成模拟与现实的差距。



图2 : 料管与喷嘴温度分布图
图2 : 料管与喷嘴温度分布图

图3 : 喷嘴温度随时间分布图
图3 : 喷嘴温度随时间分布图

透过Moldex3D,使用者可以藉由建立Nozzle Zone来模拟真实螺杆压动熔胶的行为。有了此项技术,材料的比容在料管中受到压缩影响,进而影响射压的现象即可被模拟呈现。由图4可以看出,在进浇囗处的流率由於材料压缩的影响,明显小於螺杆尖端处的流率。压缩性越好的材料,两处的流率差异会越明显。正确的流率可以改善在模拟中模穴填饱时间及VP切换点过早的问题。由图5可看出,进浇囗与螺杆尖端间存在着约5MPa的压力差。若不考虑料管与喷嘴,则此5MPa的压力就无法呈现,模拟的射压就会低於实际的射压。



图4 : 料管压缩造成的流率变化
图4 : 料管压缩造成的流率变化

图5 : 进浇囗压力与射出压力
图5 : 进浇囗压力与射出压力

模拟与实验的短射比较如图6,在三个不同的行程下实验与模拟都有很好的一致性。射压的比较如图7,实验的压力峰值为846 Bar,而模拟则为845 Bar,两者已经非常接近。此案例的保压切换点被设计在处於近??满模但又不至於因为过晚导致射压冲高的位置,因此适合用来验证模拟的精确度。由图7(b)可以看出在到达VP切换点的瞬间,模拟的射压没有因为提早满模而冲高,且与实验值十分接近。证实材料在料管与喷嘴的流动确实对於其在模穴内的行为有不少的影响。



图6 : 实验与模拟短射比较图
图6 : 实验与模拟短射比较图

图7 : 射出压力与(a)时间、(b)螺杆位置比较图
图7 : 射出压力与(a)时间、(b)螺杆位置比较图

为了确保模流分析的精确度,须尽量降低现场与模拟设定条件的差异。由本文可看出,模拟中纳入料管与喷嘴,才能得到更加真实的流率与料温,提高模拟和现场制造之间的一致性,以制造出最隹化的产品。


(本文作者周佑升为科盛科技研究发展部工程师)


叁考文献


[1] Reinhard Fechter, et al. 2019, March,“ SIMULATION OF FLOW THROUGH AN INJECTION MOLDING MACHINE NON-RETURN VALVE; INFLUENCE OF MATERIAL PARAMETERS,” IPC 2019 - Madison, WI, USA March 15.


[2] Computer-implemented simulation method for injection-molding process Patent number: US16/587,858


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