Moldflow设计指南——MF充模图与MF设计原则

主讲：匡唐清华东交通大学材料工程系主要内容聚合物在注射模塑中的流动行为成型条件与注射压力熔体充模图Moldflow设计原则Moldflow网格技术产品设计浇口设计浇注系统设计冷却系统设计收缩与翘曲Moldflow设计流程制件缺陷熔体充模图充模图简介表示熔体的充模过程，充模分析的关键指标之一，是发现充模问题的重要依据等值线图，线间距的疏密表明充填的快慢云图熔体充模图熔体在复杂模腔内的流动过压熔体流动不平衡导致，熔体总是优先充填阻力小的区域，先充填区域即处于过保压是引发翘曲变形的重要原因之一过保压区缓慢充填，冻结层厚度稳步增加，流动与冻结同时存在，横截面上具有不同的分子取向，形成局部应力过保压区分子取向高，未过保压区分子取向低，造成整体收缩不均和应力分布不均，导致最终的翘曲熔体充模图熔体在复杂模腔内的流动过压熔接痕充填时间等值线压力分布云图熔体充模图熔体在复杂模腔内的流动跑道效应熔体在较厚的区域（阻力小）快速流动，而在在较薄区域（阻力大）流动很慢，容易引起困气和熔接痕问题可通过控制熔体的流动与传热来影响流动压力，最终控制熔体的流动路径熔体充模图熔体在复杂模腔内的流动注射速率慢速充填，传热主导，流动路径形成较厚冻结层，流动阻力增大，薄壁区充填困难，易引发困气快速充填，流动主导，冻结层较薄，利于薄壁区充填可通过提高料温/模温从而减少充填过程中冻结层的厚度，保证顺利充填熔体充模图熔体在复杂模腔内的流动潜流现象熔接线形成后，冻结层厚度增加，冻结层下的熔体继续流动，其方向发生改变，与充模等值线不垂直，表明内外取向不一致，即为潜流潜流会影响制件表观质量，也影响其结构性能熔体充模图熔体在复杂模腔内的流动迟滞效应迟滞效应熔体充填到薄壁区，由于其他区域的充填阻力相对更小，导致优先充填阻力小区域，薄壁区慢速甚至停止流动，待其他区域充填满完后，随压力的增加，薄壁区才重新开始充填，若薄壁区熔体已冻结，则造成充填不完全。跑道效应发生在厚壁区，迟滞效应发生在薄壁区通过减少制件壁厚变化来避免两者的发生熔体充模图熔体在复杂模腔内的流动熔接线/汇熔线熔接线——两股料流迎面汇合后产生，在多浇口及带孔特征的制件中发生熔接线影响外观，由于局部应力集中导致其强度不高可调整浇口数目或位置来调整熔接线位置或改变熔接时的温度及压力来改善熔接强度汇熔线——两股平行料流边缘交汇多数情况下熔接线会转变为汇熔线熔体充模图熔体在复杂模腔内的流动缩痕缩痕——制件表面非结构性或装饰性的局部凹陷，通常产生在壁厚变化剧烈的部位仅靠提高保压压力来避免或减轻缩痕是不可取的的，因为塑料熔-固转变的体积变化（25%）比其可压缩性（15%）大，需在保压状态下进行补料。保压力过高，压缩后的粘稠熔体会堵塞补料的窄小通道，低保压压力反倒更为可行。熔体充模图熔体在复杂模腔内的流动多向流动多向流动——充模过程中流动方向发生改变，易造成分子取向混乱，引发流痕、应力纹、翘曲等问题流动方向的改变将引起潜流和过保压熔体充模图熔体在复杂模腔内的流动不稳定流动平衡流道的多腔模出现不平衡的流动模温高，熔体流动性好，该模腔先被充满；后充满的模腔冷却时间相应更短，开合模后模温更高，导致上一次后充满的模腔下一次先被充满，这就是传热与流动耦合作用导致的不稳定流动熔体充模图熔体在复杂模腔内的流动简单流动即：熔体前沿直线均匀推进流动方向改变或流动速率改变的复杂流动会降低制件质量可应用MF优化浇口位置、浇注系统和制件结构尺寸来维持熔体的简单流动熔体充模图FFV——熔体前沿推进速率FFA——熔体前沿截面FFV与FFA乘积为体积流率由于制件几何形状会引起FFA的变化，恒定的体积流率不等于就能获得恒定的FFV，FFV的变化会引起聚合物分子的拉伸/取向变化最理想的熔体充模方式就是让各区域的熔体按恒定的FFV同时到达模腔末端，局部区域的过早充填会导致过保压FFV与FFA熔体充模图应用MF确定熔体充模方式流动分析计算机模拟熔体充模过程及流动方式，取代传统的短射实验，尽早发现潜在问题，优化设计充填时间等值线间距表明FFV快慢可查看熔接线/汇熔线位置及困气区熔体充模图应用MF确定熔体充模方式改善熔体充模方式制件设计模具设计浇口位置注射速率曲线料温、模温材料选择优点在模具制造前优化制件设计和模具设计，从而缩短模具开发周期、降低生产成本、提高制件质量熔体充模图应用MF获得恒定的熔体前沿流动速率变化的FFV影响聚合物分子取向或物料纤维取向的变化，从而产生应力应尽可能使FFV保持恒定，策略就是动态调整螺杆轴向推进速率（即根据FFA动态调整流率）恒流率时，变化的FFA导致变化的FFV，表现为充填时间等值线间距发生变化熔体充模图应用MF获得恒定的熔体前沿流动速率恒定的FFV降低了制件内部的剪切应力熔体充模图应用MF获得恒定的熔体前沿流动速率Moldflow设计原则产品设计与MOLDFLOW全盘考虑模具设计和产品设计是Moldflow解决方案的核心分析结果达不到制件质量要求时，应重新评估产品的结构设计方案，产品设计中的一个细小改动往往能极大提高成型质量Moldflow设计原则分析流程优化熔体充模（产品充填分析）确定浇口数充填型腔所需压力（浇口处压力）应小于设备额定注射压力的一半增加浇口可减少充填所需压力，但在保证质量的前提下浇口应尽量少。合理设置多点浇口尽量在制件内形成平衡的流动前沿，无潜流或过保压等问题。若不能通过改变浇口位置来获得流动平衡，应使用导流或阻流来平衡确保熔体单向流动，无迟滞、潜流Moldflow设计原则分析流程拟定成型条件通过成型窗口分析快速评估浇口数及其位置是否合理成型窗口范围（模温、料温、注射时间）应越宽越好，确保容易获取合格产品Moldflow设计原则分析流程设计浇注系统流道尺寸设计应有助于达成在模穴中所需的充填形态流道应平衡并有最小体积流道不应影响制件的成型周期或成型工艺窗口大小应满足充模优化的注射工艺要求通常进入主流道的熔体温度比进入浇口的熔体温度低充模时间比无浇注系统的充模时间要长些（可计算流率，流率控制充填）无论是否考虑浇注系统，熔体充填模腔的流动速率最好恒定Moldflow设计原则分析流程优化冷却系统应尽可能均匀的将制件表面（模腔壁）的热量带走，缩短成型周期，减少翘曲变形优化保压过程保压补缩阶段的体积收缩是影响制件收缩和翘曲的关键因素该阶段热量传递占主导地位，故应在冷却优化后进行保压分析浇口和流道的凝固时间对保压有很大影响。没有流道和浇口将大大降低保压分析的准确性。Moldflow设计原则分析流程减少翘曲翘曲变形是多方面因素（材料、产品结构、模具浇注系统及冷却系统、成型工艺条件等）影响的结果如果分析的翘曲变形量超出允许值，则可根据分析结果确定引起翘曲变形的主要原因，再次进行产品/模具/工艺的优化。Moldflow设计原则Moldflow流动观控制单向流动以获得一致的分子或纤维取向Moldflow设计原则Moldflow流动观控制单向流动熔体流动方向与充填时间等值线相垂直，表征熔体流动方向未改变，为单向流动熔体流动方向与充填时间等值线不垂直，甚至平行，表征熔体流动方向发生巨变Moldflow设计原则Moldflow流动观平衡熔体流动模腔内所有的流动路径应同时等压完成充填多腔模各型腔同时充满自然平衡（几何平衡）在喷嘴和所有模腔之间的距离和状况相同成型窗口更宽Moldflow设计原则Moldflow流动观平衡熔体流动人工平衡通过改变流道尺寸获得流动平衡比自然平衡具有更小的流道体积成型窗口比自然平衡一般要小得多。通常注射时间是主要限制因素。最长流长与最短流长之比越大，潜在问题越大。Moldflow设计原则Moldflow流动观恒定压力梯度仅剩右上角，FFA锐减，FFV激增，所需压力激增熔体放射状流动触及壁面，仅剩4个角，FFA减少，FFV增大，所需压力增大熔体放射状流动，FFA增大，FFV减小，压力梯度逐渐减小可通过螺杆注射速度曲线控制来达到恒定的压力梯度可从压力梯度变化来判断流动是否平衡恒定的压力梯度是为了得到恒定的FFVMoldflow设计原则Moldflow流动观最大剪应力不超过材料许用值许用剪应力可在材料信息中获得，通常其值约为材料拉伸强度的1%大多数情况下，充填结束时的最大剪应力会超出许用值的2-5倍充填过程中，最大剪应力通常出现在冻结层/熔体交界处影响剪应力的三个主要因素：壁厚：壁厚↗，剪应力↘流率：流率↘，剪应力↘熔体温度：料温↗，剪应力↘Moldflow设计原则Moldflow流动观均匀冷却两侧的模温下降应尽量均匀且相等，否则热的一边因冷却时间长、收缩大，引起向热侧翘曲变形Moldflow设计原则Moldflow流动观熔接线（weldline）和汇熔线（meltline）熔接线比汇熔线强度更差、表观更明显两者都应尽可能避免，若不可避免，则应将其置于对强度或外观影响尽可能小的位置。在较高温度、较高压力下成型，加强形成位置处的排气，可提高强度，改善表观质量。熔接线：两股料流迎面汇合形成汇熔线：两股料流平行推进交融形成Moldflow设计原则Moldflow流动观避免迟滞效应迟滞效应：熔体前沿流速过慢，冷速增加，严重时（迟滞时间过长）甚至出现前沿冻结，无法充满的现象。通常发生在制件壁厚发生突变的部位筋板比制件主体厚度要薄导致迟滞可加快注射速率减缓迟滞效应（注射速率快，剪切热增加熔体流动性，同时缩短了迟滞时间）浇口设置在远离薄壁区（迟滞区），缩短其迟滞时间Moldflow设计原则Moldflow流动观避免迟滞效应多腔模，通过调节浇口大小来避免迟滞效应Moldflow设计原则Moldflow流动观避免潜流效应潜流：一个区域充填过程中流动方向发生变化理想应是充填时间等值线与流速矢量方向垂直；潜流导致潜流区制件内部与表面的取向不一致，引起较大内应力。充填等值线与流速矢量几乎平行，流动方向发生明显变化Moldflow设计原则Moldflow流动观避免潜流效应Moldflow设计原则Moldflow流动观采用导流器/节流器改善熔体流动平衡在无法通过调整浇口位置来平衡时可通过导流/阻流来平衡流动导流指局部增加壁厚以减少流动阻力阻流指局部减小壁厚以增大流动阻力壁厚的增减最好逐步进行，改变量不应超过名义厚度的25%。壁厚突变会带来冷却和取向问题，从而导致翘曲变形Moldflow设计原则Moldflow流动观采用导流器/节流器改善熔体流动平衡跑道效应，侧壁充填末端出现困气和熔接线更改壁厚平衡流动，侧壁未出现困气和熔接线Moldflow设计原则Moldflow流动观控制摩擦热通过平衡流道系统，使得经不同流道进入型腔的料温相近通常，浇注系统主流道的料温比进入模腔的料温低10-30℃。可通过适当修改流道系统尺寸来控制流动剪切热流道中的剪切热有助于：提高料温，从而降低充填压力，方便保压力传递料温提高有助于降低流动剪应力料筒温度可更低，从而延长塑料降解前在料筒中的滞流时间仅考虑制件进行料温优化，确定流道尺寸后，进胶温度应比优化温度低一些，经过流道后升至优化温度。Moldflow设计原则Moldflow流动观流道冷却（流道热阀）流道尺寸应保证制件的充填与保压补缩，其冻结时间应比制件长，但不应过多影响成型周期；流道的凝固时间至多为制件的2-3倍，不过通常难以做到；若制件尺寸要求不严、可忽略表面缩痕，则流道凝固时间可低至制件的80%，否则必须高于制件凝固时间。主流道冷却时间过长，应减小主流道尺寸Moldflow设计原则Moldflow流动观可接受的流道/模腔体积比在保证充填与保压的前提下，流道/模腔体积比应尽可能低，以减少材料与能源的浪费。采用热流道浇注系统可减少流道体积流道/模腔体积比过高（85%）理想情况是20%以下，当然前提是必须确保充模平衡和