滅火器塑料注射模設(shè)計(jì)
滅火器塑料注射模設(shè)計(jì),滅火器,塑料,注射,設(shè)計(jì)
立體光照成型的注塑模具工藝的綜合模擬
摘要 功能性零部件都需要設(shè)計(jì)驗(yàn)證測(cè)試，車間試驗(yàn)，客戶評(píng)價(jià)，以及生產(chǎn)計(jì)劃。在小批量生產(chǎn)零件的時(shí)候，通過(guò)消除多重步驟，建立了有快速成型形成的注塑模具，這種方法可以保證縮短時(shí)間和節(jié)約成本。這種潛在的一體化由快速成型形成注塑模具的方法已經(jīng)被多次證明是可行的。無(wú)論是模具設(shè)計(jì)還是注塑成型的過(guò)程中，缺少的是對(duì)如何修改這個(gè)模具材料和快速成型制造過(guò)程的影響有最根本的認(rèn)識(shí)。此外，數(shù)字模擬技術(shù)現(xiàn)在已經(jīng)成為模具設(shè)計(jì)工程師和工藝工程師開注塑模具的有用的工具。但目前所有的做常規(guī)注塑模具的模擬包已經(jīng)不再適合這種新型的注塑模具，這主要是因?yàn)槟＞卟牧系某杀咀兓艽?。在本文中，以完成特定的?shù)字模擬注塑液塑造成快速成型模具的綜合方法已經(jīng)發(fā)明出來(lái)了，而且還建立了相應(yīng)的模擬系統(tǒng)。通過(guò)實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，目前這個(gè)方法非常適合處理快速成型模具中的問(wèn)題。
關(guān)鍵詞 注塑成型,數(shù)字模擬,快速成型
１引言
在注塑成型中，聚合物熔體在高溫和高壓下進(jìn)入模具中。因此，模具的材料需要有足夠的熱性能和機(jī)械性能來(lái)經(jīng)受高溫和高壓的塑造循環(huán)。許多研究的焦點(diǎn)都是直接有快速成型形成注塑模具的過(guò)程。在生產(chǎn)小批量零件的時(shí)候，通過(guò)消除多重步驟，直接由快速成型形成的注塑模具可以保證縮短時(shí)間和節(jié)約成本。這種潛在的有快速成型形成注塑模具的方法已經(jīng)被證明成功了?？焖俪尚湍＞咴谛阅苌鲜怯袆e與傳統(tǒng)的金屬模具。主要差異是導(dǎo)熱性能和彈性模量（剛性）。舉例來(lái)說(shuō)，在立體光照成型模具中的聚合物的導(dǎo)熱率小于鋁制的工具的千分之一。在用快速成型技術(shù)來(lái)制造鑄模時(shí)，整個(gè)模具設(shè)計(jì)和注塑成型工藝參數(shù)都需要修改和優(yōu)化，傳統(tǒng)的方法是改變徹底的刀具材料．不過(guò)，目前還沒(méi)有對(duì)如何修改這個(gè)模具材料的方法有根本的了解．在當(dāng)前的模具中，僅僅改變一些材料的性能是不能得到一個(gè)合理的結(jié)果的。同樣，使用傳統(tǒng)方法的時(shí)候，實(shí)際生產(chǎn)的零件也會(huì)有出先次品。因此，研究出一個(gè)快速成型過(guò)程，材料和注塑模具之間的互動(dòng)關(guān)系是非?；鸺钡摹＿@樣就可以確定模具設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)和快速模具的注塑的技術(shù)。
此外，計(jì)算機(jī)模擬是一種預(yù)測(cè)模塑件的質(zhì)量的有效的方法。目前，商用仿真軟件包已經(jīng)成為模具設(shè)計(jì)師和工藝工程師在注塑過(guò)程中例行性的工具。不幸的是，目前常規(guī)注塑成型的模擬程序已經(jīng)不再適用于這個(gè)快速成型模具，因?yàn)樗鼧O大的需要不同的刀具材料。例如，利用現(xiàn)在的仿真軟件在鋁和立體光照模具之間做個(gè)實(shí)驗(yàn)比較一下，雖然鋁模具模擬植的部分失真是合理的，但是結(jié)果是不可以接受的，因?yàn)檎`差超過(guò)了百分之五十。在注塑成型中，失真主要是由于塑料零件的收縮和翹曲，模具也是一樣的。對(duì)于通常模具，失真的主要因素是塑料件的收縮和翹曲，這個(gè)在目前的模擬中能測(cè)試準(zhǔn)確。但是對(duì)于快速成型模具，潛在的失真會(huì)更多，在當(dāng)前的測(cè)試中，其中就會(huì)有些失真會(huì)被忽視。例如，用一個(gè)簡(jiǎn)單的三步驟模擬分析模具變形的時(shí)候，就會(huì)出現(xiàn)很多偏差。
在本文中，基于以上分析，一個(gè)新的快速成型模具的仿真系統(tǒng)已經(jīng)開發(fā)出來(lái)了。擬議制度著重于預(yù)測(cè)部分失真，主要是用與預(yù)測(cè)快速成型模具的缺陷。先進(jìn)的仿真系統(tǒng)可以用于預(yù)測(cè)快速成型模具設(shè)計(jì)和工藝是否最合理。我們的仿真系統(tǒng)已經(jīng)被我們的實(shí)驗(yàn)證明是沒(méi)有錯(cuò)誤的。
雖然有很多材料可以用于快速成型技術(shù)，但是我們還是專注于利用立體光照模具的技術(shù)來(lái)制造聚合物模具．立體光照成型的過(guò)程是利用激光能量一層一層建立零件的部分。使用立體光照則可以體現(xiàn)出雙方在快速成型工業(yè)的商業(yè)優(yōu)勢(shì)，而且在以后也可以生產(chǎn)出準(zhǔn)確的，高品質(zhì)的零部件。直到最近，立體光照主要是用于建立物理模型，為了檢查視覺效果，僅僅只利用了它的一點(diǎn)點(diǎn)功能。不過(guò)，新一代的立體光照的光改善了立體化，機(jī)械性能，熱學(xué)性能，所以它可以更好的應(yīng)用于實(shí)際的模具中。
2 綜合仿真的成型過(guò)程
2.1 方法
為了在注塑成型過(guò)程中模擬立體光照模具的功能，反復(fù)的試驗(yàn)中得到了一個(gè)方法。不同的軟件組已經(jīng)開發(fā)出來(lái)了，而且也已經(jīng)做到了這一點(diǎn)。主要的假設(shè)是，溫度和負(fù)載邊界條件造成立體光照模具的扭曲，仿真步驟如下：
?。辈糠謳缀文Ｐ蛣t作為一個(gè)實(shí)體模型，這將通過(guò)流量分析軟件包被翻譯到一個(gè)文件中。
２模擬光聚合物模具中熔融體填充的過(guò)程，然后輸出溫度和壓力的資料。
?。吃谇耙徊将@得了熱負(fù)荷和邊界條件，然后對(duì)光模具進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析，其中失真的計(jì)算是在該注塑過(guò)程中進(jìn)行的。
?。慈绻＞叩呐で諗苛耍敲粗苯舆M(jìn)行下一步．否則，扭曲的型腔（改動(dòng)扭曲后的型腔的尺寸）返回第二個(gè)步驟，以熔體形式模擬注入扭曲的模具中。
５然后注射成型零件的收縮和翹曲模擬就開始應(yīng)用了，算出該成型零件最終的扭曲部分．
上述的模擬流動(dòng)中，基本上是三個(gè)仿真模塊。
2.2充型模擬的熔體
2.2.1數(shù)字建模
計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)已經(jīng)能成功的預(yù)測(cè)到在極其復(fù)雜的幾何形狀下的填充情況。然而，目前大多數(shù)字模擬是基于一種混合有限元和有限差的中性平面上的。模擬軟件包的應(yīng)用過(guò)程基于這一模型說(shuō)明圖１。然而，不同與ＣＡＤ系統(tǒng)中模具設(shè)計(jì)中的表面／實(shí)體模型，這里所謂的中性平面（如圖所示，圖１Ｂ）是一個(gè)假想的在中間型腔中有距離和方向的一個(gè)平面，這個(gè)平面可能會(huì)在應(yīng)用的過(guò)程中帶來(lái)很大的不便。舉例來(lái)說(shuō)，模具表面常用于目前的快速成型系統(tǒng)中（通常是ＳＴＬ格式），所以當(dāng)用模擬軟件包的時(shí)候，第二次建模是不可避免的。那是因?yàn)槟Ｐ驮诳焖俪尚拖到y(tǒng)和仿真系統(tǒng)中是不一樣的?？紤]到這些缺點(diǎn)，在模擬系統(tǒng)中，型腔的表面將以基準(zhǔn)面來(lái)引入，而不是中性平面。
根據(jù)以往的調(diào)查，流量和溫度場(chǎng)的方程式可以寫為：
X,Y是中性平面坐標(biāo)系中的兩個(gè)平面，Ｚ是高度坐標(biāo)，Ｕ，Ｖ，Ｗ是Ｘ，Ｙ，Ｚ方向上的速度．Ｕ，Ｖ是整體的平均厚度，η, ρ,CP (T), K(T)分別表示聚合物的粘性，密度，周期熱，熱導(dǎo)率。
圖１ Ａ－Ｄ是中性平面的模擬程序．Ａ是３維表面模型，Ｂ是中性平面模型，Ｃ是網(wǎng)狀的平面模型，Ｄ是最后的模擬結(jié)果
此外，在高度方向上的邊界條件的誤差可以表示為：
正如圖２中的Ａ中表示，TW 是恒壁溫度.結(jié)合方程１－４和方程５－６，表明了u, v, T, P在Ｚ坐標(biāo)上面應(yīng)該是對(duì)稱的，因此在上半個(gè)高度中的平均u, v應(yīng)該和整個(gè)高度中的平均u, v是一樣的。根據(jù)這個(gè)特點(diǎn)，我們可以把整個(gè)型腔在上下高度上分為兩個(gè)部分，正如圖２Ｂ中的第一部分和第二部分。同時(shí)，型腔（如圖２Ｂ）表面產(chǎn)生的三角有限元將替代了中性平面（如圖２Ａ）。因此，在高度方向上的有限元誤差僅僅限于型腔表面，正如圖２Ｂ所示，高度上的誤差將從０到Ｂ。這是中性平面上的單一性。此外，從圖２Ａ到圖２Ｂ，坐標(biāo)也隨之改變了。為了配合上述調(diào)整，方程仍是用方程１－４。然而，原來(lái)的邊界條件高度方向則改寫為：
與此同時(shí)，為了保持在同一坐標(biāo)（７）上的兩部分能夠流動(dòng)，那么更多的邊界條件必須滿足Ｚ＝Ｂ。
下標(biāo)I和II則分別代表第一部分和第二部分的參數(shù)．Cm-I 和Cm-II 則表示在填充階段中分開的兩個(gè)表面上的自由移動(dòng)的熔融線。
應(yīng)該指出的是，方程９與１０和方程７與８不同，９和１０在數(shù)字模擬過(guò)程中將變的更難，主要原因是以下幾點(diǎn)：
?。蓖粋€(gè)斷層的表面都已經(jīng)都已經(jīng)有著特殊的網(wǎng)格，這將導(dǎo)致同一層上的獨(dú)特的格局．因此，在比較兩個(gè)熔接口的時(shí)候，應(yīng)該計(jì)算出各自的u, v, T, P。
?。惨?yàn)閮蓚€(gè)部分都有各自的流道通向節(jié)點(diǎn)Ａ和節(jié)點(diǎn)Ｃ（如圖２Ｂ所示）．在同一段中，有可能兩個(gè)都充滿，也有可能一個(gè)滿，一個(gè)空．這兩個(gè)情況應(yīng)該分開處理，應(yīng)該平均流動(dòng)，使后者也分配到流動(dòng)。
?。尺@意味著在前線熔合處出現(xiàn)一點(diǎn)點(diǎn)小的誤差是可以允許的．通過(guò)控制時(shí)間和選擇更好的位置來(lái)控制前線熔合節(jié)點(diǎn)。
?。疵總€(gè)流場(chǎng)的邊界都擴(kuò)張到熔線前線，所以核查方程１０是否準(zhǔn)確是相當(dāng)重要的。
?。佃b于上述分析，在同一個(gè)節(jié)點(diǎn)處的物理參數(shù)應(yīng)該加以比較和調(diào)整。所以在進(jìn)行模擬之前，描述同一節(jié)點(diǎn)有限元的信息應(yīng)該準(zhǔn)備好，也就是說(shuō)，匹配的原理應(yīng)該先預(yù)備好。
圖２ Ａ－Ｂ表明表面模型中的中性平面Ｂ的高度方向Ａ上的邊界條件
2.2.2數(shù)字模擬
壓力場(chǎng)．在建模中，粘度 η是由于熔提的剪切速率，溫度和壓力引起的性能．剪切變稀后，這就代表一個(gè)跨越式的模式，例如：
其中對(duì)應(yīng)于冪律指數(shù)，τ的特點(diǎn)是在在牛頓和冪律漸近極限之間的剪應(yīng)力過(guò)渡區(qū)。無(wú)論在溫度還是壓力指數(shù)上，η0(T, P)都可以有合理的表示，詳情如下：
方程11和12構(gòu)成了一個(gè)五個(gè)常數(shù)，可以代表粘度，而且通過(guò)粘度的剪切速率的計(jì)算可以得到：
根據(jù)上述情況，通過(guò)方程1—4，我們可以推斷出一下充氣壓力方程：
其中S是由計(jì)算出來(lái)的。運(yùn)用伽遼金方法，對(duì)壓力的有限元方程推導(dǎo)為：
其中l(wèi)是所有要素的的導(dǎo)線，包括節(jié)點(diǎn)N，而且其中i和j代表此處的N節(jié)點(diǎn)的數(shù)目，的計(jì)算方法如下：
其中代表三角有限元，而代表有限元中的壓力。
溫度場(chǎng)中，為了確定高度方向上的誤差，應(yīng)該在模具表面上分為一層一層的三角有限元的網(wǎng)格。左邊的能量方程4可以表示為：
其中代表每一層N節(jié)點(diǎn)上的溫度。熱傳導(dǎo)的計(jì)算方法是：
其中l(wèi)是所有要素，包括節(jié)點(diǎn)N，而且i和j分別代表此處的N節(jié)點(diǎn)個(gè)數(shù)。
對(duì)流項(xiàng)的計(jì)算方法是：
當(dāng)是粘性熱時(shí)，計(jì)算方法是：
把方程17—20帶入方程4，溫度方程變?yōu)椋?
2.3 模具結(jié)構(gòu)分析
結(jié)構(gòu)分析的目的是預(yù)測(cè)在填充過(guò)程中，模具由于熱和機(jī)械壓力而產(chǎn)生的變形。這個(gè)模型是基于一個(gè)三維熱邊界元法。邊界元法是比較適合這個(gè)應(yīng)用的，因?yàn)橹挥凶冃蔚哪＞弑砻娌庞羞@樣的信息。此外，邊界元法有一個(gè)優(yōu)點(diǎn)，那就是在計(jì)算變形的模具的時(shí)候，它的計(jì)算是不會(huì)白費(fèi)的。
模具在所受載荷超過(guò)彈性范圍的時(shí)候會(huì)產(chǎn)生應(yīng)力。因此，在決定模具變形的時(shí)候，模具材料是一個(gè)基準(zhǔn)。模具的熱性能和力學(xué)性能是各向同性的，而且溫度也是獨(dú)立的。
盡管這個(gè)過(guò)程是循環(huán)的，但是相同時(shí)間的溫度和熱流都是可以用于計(jì)算模具變形的．通常情況下，在模具里面每個(gè)瞬間溫度都局限于型腔的表面和噴嘴的頂端。在觀察距離的時(shí)候，瞬間的衰減變化是很微笑的，小于２．５毫米．這說(shuō)明在模具的噴嘴處的變形是很小的，因此，忽略這個(gè)影響也是合理的．穩(wěn)態(tài)溫度場(chǎng)滿足拉普拉斯方程?2T = 0的邊界條件。至于機(jī)械邊界條件，型腔表面受到熔體的壓力，模具的表面會(huì)連接到工作臺(tái)上的，而其他的外部表面將會(huì)假設(shè)是自由的.熱邊界的推導(dǎo)方程１０是大家都知道的，這是由于：
其中uk, pk和Ｔ分別是位移，牽引力和溫度。α, ν是代表材料的膨脹系數(shù)和泊松比。Ulk是在ＸＹ方向上基本的位移。在一個(gè)三維空間中，各向同性彈性區(qū)域中，由一個(gè)單元產(chǎn)生的負(fù)荷主要集中在xl方向上，它是以下面的形式產(chǎn)生的：
其中δlk是Kronecker三角函數(shù)，μ是該模具材料的剪切模量。Plk的基本收縮都是在模具表面的每個(gè)Ｎ節(jié)點(diǎn)處測(cè)量的，可以表示為：
整個(gè)Ｎ將分散在模具的表面上，轉(zhuǎn)變?yōu)榉匠蹋玻玻?
其中Γn是指在這個(gè)區(qū)域上的表面成分。
把恰當(dāng)?shù)木€性函數(shù)代入方程２５，得到的線性邊界方程就是模具的方程．這個(gè)方程適用于每個(gè)離散的模具表面，從而組合成線性方程組，其中Ｎ是節(jié)點(diǎn)的總數(shù)。每個(gè)節(jié)點(diǎn)有八個(gè)相關(guān)數(shù)量，三個(gè)位移組成部分，三個(gè)牽引組成部分，還有溫度和熱流量。在穩(wěn)態(tài)熱模型中，每個(gè)節(jié)點(diǎn)處的溫度和磁場(chǎng)是已知的，余下的６個(gè)量中，三個(gè)必須是已知的。此外，在若干個(gè)節(jié)點(diǎn)處的位移值的方程必須消除剛體運(yùn)動(dòng)和剛體自轉(zhuǎn)的奇異系統(tǒng)。由此產(chǎn)生的系統(tǒng)方程式是一個(gè)集合起來(lái)的綜合矩陣，它可以為有限元方法求解。
基于方程１２的注塑假設(shè)，下面將給出元件的應(yīng)力和應(yīng)變：
該偏元件的應(yīng)力和應(yīng)變分別是：
用類似的方法可以預(yù)測(cè)在回火玻璃中的殘余應(yīng)力了。以積分的形式在平面上分析粘性和彈性結(jié)構(gòu)關(guān)系時(shí)，可以表示為以下公式：
其中G1是材料的的剪切模量。擴(kuò)張的應(yīng)變的情況如下：
其中Ｋ是材料體積的彈性模量，α和θ的定義是：
如果α(t) = α0，那么方程２７到方程２９的結(jié)果則為：
同樣的，利用方程３１到方程２８消除應(yīng)變?chǔ)舩x(z, t)，得到：
利用拉普拉斯變化方程３２，輔助系數(shù)R(ξ)由下面的方程得出：
利用上述方程３３，并簡(jiǎn)化在模具中的應(yīng)力和應(yīng)變的形式，那么注塑中殘余的應(yīng)力在冷卻階段中，由下面的方程獲得：
方程３４可以通過(guò)梯形正交被解決。由于材料的時(shí)間在快速的變化，所以需要一個(gè)準(zhǔn)數(shù)控程序來(lái)檢測(cè)。輔助模量是檢測(cè)數(shù)控梯形的規(guī)則。
關(guān)于翹曲分析，節(jié)點(diǎn)位移和曲率將以殼單元表達(dá)為：
其中[ k ]單元?jiǎng)偠染仃嚕琜Be]是衍生算子矩陣，h1179bp是位移，{re}是 負(fù)載單元，可以由下面的方程得出：
使用完整的三維有限元分析法的好處就是可以準(zhǔn)確知道翹曲的結(jié)果。但是，當(dāng)零件的形狀很復(fù)雜的時(shí)候，它也是相當(dāng)麻煩的。在本文中，在殼體理論基礎(chǔ)上介紹了一種二維有限元分析方法。這種方法被大量使用是因?yàn)榇蠖鄶?shù)注塑模具的零件都有一些部分幾何的厚度遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于其他部分。因此，那些部分則可以被作為一個(gè)集會(huì)的單元來(lái)預(yù)測(cè)翹曲。每三個(gè)節(jié)點(diǎn)殼單元組合成一個(gè)恒應(yīng)變?nèi)菃卧鸵粋€(gè)離散克希霍夫三角元，如圖３所示，因此翹曲可以分為平面伸展變形ＣＳＴ和板彎曲變形ＤＫＴ。并相應(yīng)的以單元?jiǎng)偠染仃噥?lái)描述翹曲的拉伸剛度矩陣和彎曲剛度矩陣。
圖３ a-c是殼單元在局部坐標(biāo)系統(tǒng)里的變形分解．a(chǎn)是平面伸展元素，b是平面彎曲元素，c是殼單元
三 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證
對(duì)提出的模型進(jìn)行了評(píng)定和發(fā)展，最后核查是非常重要的。從模型模擬中得到的扭曲數(shù)據(jù)將和文獻(xiàn)８中的立體光照模具數(shù)據(jù)比較。如圖４所示，有一個(gè)注塑尺寸36 × 36 × 6毫米和實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)中是相同的。薄壁和加強(qiáng)筋的厚度都是1.5毫米，這個(gè)注塑材料是聚丙烯。注塑機(jī)的型號(hào)是ARGURY Hydronica320-210-750，它的工藝參數(shù)是，熔解溫度是２５０度，模具溫度是３０度，注塑壓力是１３.７９帕，保壓時(shí)間是３秒，冷卻時(shí)間是４８秒。立體光照模具材料使用杜邦SOMOSTM６１１０樹脂，能抵御高達(dá)３００度的高溫。如上所述，熱傳導(dǎo)是區(qū)分立體光照模具和傳統(tǒng)模具的一個(gè)重要因素。模具中的熱量轉(zhuǎn)移會(huì)產(chǎn)生溫度的不均勻分布，所以導(dǎo)致了成型零件的翹曲．立體光照成型模具的周期是可以預(yù)測(cè)的。以高的熱傳導(dǎo)率金屬為背面做的薄殼立體光照模具將會(huì)增加自身的熱傳導(dǎo)率。
圖４ 模型腔
圖５ 不同的熱傳導(dǎo)率下，在Ｘ方向上的扭曲失真比較．實(shí)驗(yàn)值，三步走和常規(guī)都是指最后的實(shí)驗(yàn)結(jié)果．常規(guī)是指實(shí)驗(yàn)中最好的結(jié)果．三步走步驟的模擬過(guò)程分別與傳統(tǒng)的注塑成型相似
圖６ 在不同的熱傳導(dǎo)率下，在Ｙ方向上的扭曲失真比較
圖７ 在不同熱傳導(dǎo)率下，在Ｚ方向上扭曲失真比較
圖８ 不同熱傳導(dǎo)率下各個(gè)捻度變量的比較
對(duì)于這個(gè)部分，扭曲包括三個(gè)方向上的位移和捻度（兩個(gè)最初的平行邊的夾角的誤差）．如圖５到圖８，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，這些數(shù)值也包括通過(guò)傳統(tǒng)注塑模具模擬系統(tǒng)預(yù)測(cè)的扭曲值和報(bào)道［３］中的三步驟。
４結(jié)論
本文介紹了一個(gè)綜合模擬的快速成型模具的方法，并且建立了相應(yīng)的仿真系統(tǒng)。為了驗(yàn)證這個(gè)系統(tǒng)，實(shí)驗(yàn)還進(jìn)行了快速焊接立體光照成型模具。
很明顯，立體光照模具也會(huì)出現(xiàn)傳統(tǒng)的注塑模具模擬軟件一樣的故障．假設(shè)由于注射中的溫度和負(fù)載荷引起了扭曲．那么用三步驟完成的話，結(jié)果也會(huì)出現(xiàn)比較多的誤差。不過(guò)更先進(jìn)的模型會(huì)使結(jié)果更接近與實(shí)驗(yàn)。
立體光照模具改進(jìn)了熱傳導(dǎo)率極大的增加了零件質(zhì)量．由于溫度比壓力（負(fù)載）對(duì)模具的影響更大，所以改進(jìn)立體光照模具的熱傳導(dǎo)率可以更顯著的提高零件質(zhì)量。
無(wú)論零件多么復(fù)雜，快速成型技術(shù)可以使人們?cè)煨透?，更便捷，更便宜．在快速成型穩(wěn)步發(fā)展的基礎(chǔ)上，快速制造也將隨之而來(lái)，并且需要更多的精確工具來(lái)確定工藝過(guò)程的參數(shù)．現(xiàn)行的模擬工具不能滿足研究者研究模具相對(duì)的變化。正如本文中所述，對(duì)于一個(gè)綜合模型來(lái)說(shuō)，要預(yù)測(cè)最后零件質(zhì)量是相當(dāng)重要的。在不久的將來(lái)，我們期待看到通過(guò)快速成型擴(kuò)展到快速模具制造的模擬程序。
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I nt e grate d s i mu l ati on of t he i nj e c t i on mold i ng pr oce s swi t h s t e r e oli t hography molds Ab s t r act F u nct i onal par t s a r e nee ded f or des i gn v e r i fi c a t i on t e s t i ng, fi e l d t r i a l s , c ust om e r e val uat i on, a nd product i o n pla n ning. B y e l i m i na t i ng m ult i ple s t e ps , t he c r e a t i on o f t he i nje c t i on m old dir e c t l y by a r a pid prototyping ( R P ) proce s s holds t he bes t prom i s e of r e duci ng t he t i m e a nd c ost n e e ded t o m old l ow- v olum e qua nt i t i e s of par t s . T he pote nti a l of t his i nte gr a t i o n of i nje c t i on m olding w i t h R P h a s bee n dem onst r a t e d m a ny t i m e s . What i s m i s s i ng i s t he f undam e nt a l under s t a nding of h ow t he m odi fi c a t i o ns t o t he m old m a t e r i a l a nd R P m a nufa c t uri ng proce s s i m pac t both t he m old des i gn a n d t he i nje c t i on m old i ng proce s s . I n a ddit i on, n um e r i c a l s i m ula t i o n t e c hniq ues h a ve nowbec om e hel pful t ools of m old des i gner s a nd proce s s e ngi ne e r s f or t r a dit i o nal i nje c t i on m olding. B ut a l l c u r r e nt s i m ula t i on pac kag e s f or c onventi o nal i nje c t i on m olding a r e no l onger a p p l i c a ble t o t his new t ype o f i nje c t i on m olds , m a i nly bec a use t he proper t y o f t he m old m a t e r i a l c h a nges gre a t l y. I n t his paper , a n i nte gr a t e d a pproac h t o a c c om pli s h a n um e r i c a l s i m ula t i on of i n j e c t i on m olding i nto r a pid- protot yped m olds i s e s t a bli s hed a nd a c orr e s ponding s i m ula t i on s yst e m i s devel oped. C om par i s ons w i t h e x per i m e nta l r e s ult s a r e e m ployed f or v e r i fi c a t i o n, w hic h s h ow t hat t he pre s e nt s c hem e i s w e l l s u i t e d t o handle R P f a bri c a t e d s t e r e oli t hogra phy ( S L ) m olds . K e yword sK K K I n j e c t i on m olding N u m e r i c a l s i m ula t i on R a pid protot yping 1 I n t r odu c t i on I n i nje c t i on m old i ng, t he polym e r m e l t a t high t e m pe r a t ur e i s i nje c t e d i nto t he m old u nder high pre s s ur e [ 1]. T hus, t he m old m a t e r i a l n e e ds t o have t h e r m a l a nd m e c hanic a l proper t i e s c a pa b l e o f w i t hst a nding t he t e m pe r a t ur e s a nd pre s s ur e s of t he m old i ng c y c l e . T he f ocus of m a ny s t udie s has bee n t o c r e a t e t he i nje c t i on m old dir e c t l y by a r a pid protot yping ( R P ) proce s s . B y e l i m i na t i ng m ult i ple s t e ps, t h i s m e t hod of t ooli ng h old s t he bes t prom i s e of r e duci ng t he t i m e a nd c ost nee ded t o c r e a t e l ow- v olum e quanti t i e s of par t s i n a product i o n m a t e r i a l . T he pote nti a l of i nte gr a t i ng i nje c t i on m olding w i t h R P t e c hnologie s ha s bee n dem onst r a t e d m a ny t i m e s . T he proper t i e s of R P m olds a r e v e r y dif f e r e nt f r om t hose of t r a dit i o nal m e t a l m olds . T he key dif f e r e nce s a r e t he proper t i e s of t her m a l c onduct i vit y a n d e l a s t i c m od ulus ( r i gid i t y). F or e xam ple , t he polym e r s u s e d i n R P - f a bri c a t e d s t e r e oli t hogra phy ( S L ) m olds h a ve a t her m a l c onduct i vit y t hat i s l e s s t han one t housa ndth t hat of a n a l um i num t ool. I n usi ng R P t e c hnolo gie s t o c r e a t e m olds , t he e nti r e m old des i gn a n d i nje c t i on-m old i ng proce s s par a m e t e r s nee d t o be m odi fi e d a nd opti m i z e d f r om t r a dit i o nal m e t hodolo gie s due t o t he c om ple t e l y dif f e r e nt t ool m a t e r i a l . H owe ver , t her e i s s t i l l no t a f undam e n t a l under s t a nding of howt he m odi fi c a t i ons t o t he m old t ooli ng m e t hod a nd m a t e r i a l i m pac t both t he m old des i gn a nd t he i nje c t i on m olding proce s s par a m e t e r s . O n e c a nnotobta i n r e a s onable r e s ult s b y s i m ply c hanging a f e w m a t e r i a l proper t i e s i n c urr e nt m odel s . A l s o, u s i ng t r a dit i o nal a pproac hes w hen m a king a c t ual par t s m a y be g e ner a t i ng s ub-opti m a l r e s ult s . S o t her e i s a dir e n e e d t o s t udy t he i nte r a c t i o n bet w e e n t he r a pid t ooli ng ( R T ) pro c e s s a nd m a t e r i a l a n d i nje c t i on m olding, s o a s t o e s t a bli s h t he m old des i gn c r i t e r i a a nd t e c hniq ues f or a n R T - ori e nte d i nje c t i on m olding proce s s . I n a ddit i on, c om pute r s i m ula t i on i s a n e f f e c t i ve a pproac h f or pre dic t i ng t he qual i t y of m olded par t s . C om m e r c i a l l y a vai l a ble s i m ula t i on pac kages of t he t r a dit i o nal i nje c t i on m olding proce s s have n ow bec om e r outi ne t ools o f t he m old des i gner a nd pro c e s s e n gine e r [ 2]. U nfor t unat e l y , c urr e nt s i m ula t i o n progra m s f or c onventi o nal i nje c t i on m olding a r e no l onger a ppli c a ble t o R P m olds , bec a use of t he dra m a t i c a l l y dis s i m i l a r t ool m a t e r i a l . F or i nst a nce , i n usi ng t h e e xis t i ng s i m ula t i on s oft w a r e w i t h a l u m i num a n d S L m olds a n d c om par i ng w i t h e xper i m e nta l r e s ult s , t hought he s i m ula t i on val ues of par t dis t ort i o n a r e r e a s onable f or t he a l um i num m old, r e s ult s a r e u nac c e pta ble , w i t h t he e r r or e xce e ding 50%. T he dis t ort i o n dur i ng i nje c t i on m old i ng i s due t o s hri nk a ge a nd w a r page of t he pla s t i c par t , a s w e l l a s t he m old. F or ordinar i l y m olds , t he m a i n f a c t or i s t he s h r i nkage a n d w a r pa ge of t he pla s t i c par t , w hic h i s m odel e d a c c ura t e l y i n c ur r e nt s i m ula t i ons. B ut f or R P m old s , t he dis t or t i o n of t he m old h a s pote nti a l l y m ore i n fl uence , w hic h have bee n negle c t e d i n c urr e nt m odel s . F or i nst a nce , [ 3] use d a s i m p l e t hre e - s t e p s i m ula t i on proce s s t o c onsi der t he m old dis t or t i on, w hic h had t oo m uch devia t i on. I n t his paper , bas e d on t h e a bove a nal ysi s , a new s i m ula t i o n s yst e m f or R P m olds i s dev e l oped. T he propose d s y s t e m f ocus e s on pre dic t i ng par t dis t ort i o n, w hic h i s domi nat i ng def e c t i n R P - m olded par t s . T he dev e l oped s i m ula t i on c a n be a ppli e d a s a n e v a l ua t i o n t ool f or R P m old des i gn a n d proce s s opti m i z a t i on. O u r s i m ula t i o n s yst e m i s ver i fi e d b y a n e xper i m e nta l e x a m p l e . A l t hough m a ny m a t e r i a l s a r e a vai l a ble f or use i n R P t e c h no l ogie s , w e c once ntr a t e o n u s i ng s t e r e oli t ho gra phy ( S L ) , t he ori gina l R P t e c hnology, t o c r e a t e polym e r m olds. T he S L pro c e s s use s photopolym e r a n d l a s e r e ner gy t o buil d a par t l a yer b y l a yer . U s i ng S L t a kes a dvanta ge of both t he c om m e r c i a l domi na nce o f S L i n t he R P i ndust r y a nd t he s ubse quent e xper t i s e bas e t hat has bee n dev e l oped f or c r e a t i ng a c c ura t e , high-qua l i t y par t s . U n t i l r e c e nt l y, S L w a s pri m a r i l y u s e d t o c r e a t e physi c a l m odel s f or vis ual i nspec t i on a nd f or m - fi t s t udie s w i t h ver y l i m i t e d f unc t i o nal a ppli c a t i o ns. H owe ver , t he new e r gener a t i on s t e r e oli t ho gr a phic photopolym e r s h a ve i m pr oved dim e ns i onal , m e c hanic a l a nd t her m a l proper t i e s m a king i t poss i ble t o u s e t hem f or a c t ual f unct i o nal m olds. 2 I n t e grate d s i mu l ati on of t he mold i n g p r oce s s 2 . 1 Me t h o d o l o g y I n order t o s i m ula t e t he use of a n S L m old i n t he i nje c t i on m olding proce s s , a n i t e r a t i ve m e t hod i s propose d. D i f f e r e nt s oft w a r e m odule s h a ve bee n dev e l oped a nd use d t o a c c om pli s h t his t a s k. T he m a i n a s s um pt i on i s t hat t e m pe r a t ur e a n d l oad bound a r y c ondit i o ns c a u s e s i gnifi c a nt dis t ort i o ns i n t he S L m old . T he s i m ula t i o n s t e ps a r e a s f oll o w s : 1 T he par t g e om e t r y i s m odel e d a s a s oli d m odel , w hic h i s t r a ns l a t e d t o a fi l e r e a dable by t he fl ow a nal ysi s pac kag e . 2 S i m ula t e t he m old- fi l l i n g proce s s of t he m e l t i nto a pho t opolym e r m old, w hic h w i l l out put t he r e s ult i ng t e m pe r a t ur e a n d pre s s ur e pro fi l e s . 3 S t r uct ura l a nal ysi s i s t hen per f orm e d on t he photopolym e r m old m odel usi ng t he t her m a l a nd l oad boundar y c ondit i o ns obta i ned f r om t he pre v i o us s t e p, w hic h c a l c ula t e s t he dis t or t i o n t hat t he m old under go dur i ng t he i nje c t i on proce s s . 4 I f t h e dis t ort i o n of t he m old c onver ges , m ove t o t he next s t e p. O t h e r w i s e , t he dis t or t e d m old c a vit y i s t hen m odel e d ( c hanges i n t he dim e ns i ons of t he c a vit y a f t e r dis t ort i o n), a nd r e t ur ns t o t he s e c ond s t e p t o s i m ula t e t he m e l t i nje c t i on i nto t he dis t ort e d m old. 5 T he s hri nk a ge a n d w a r pa ge s i m ula t i on of t he i nje c t i on m olded par t i s t hen a ppli e d, w hic h c a l c ula t e s t he fi na l dis t or t i o ns of t he m olded par t . I n a boves i m ula t i on fl ow, t h e r e a r e t hre e bas i c s i m ula t i o n m od ule s . 2 . 2 F i l l i n g s i m u l a t i o n o f t h e m e l t 2 . 2 . 1 Ma t h e m a t i c a l m o d e l i n g I n order t o s i m ula t e t he use of a n S L m old i n t he i nje c t i on m olding proce s s , a n i t e r a t i ve m e t hod i s propose d. D i f f e r e nt s oft w a r e m odule s h a ve bee n devel oped a nd use d t o a c c om pli s h t his t a s k. T he m a i n a s s um pt i on i s t hat t e m pe r a t ur e a n d l oad boundar y c ondit i ons c a use s i gnif i c a nt dis t or t i o ns i n t he S L m old. T he s i m ula t i o n s t e ps a r e a s f oll o w s : 1. T he par t geom e t r y i s m odel e d a s a s oli d m odel , w hic h i s t r a ns l a t e d t o a f i l e r e a dable by t he f l o w a nal ysi s pac kag e . 2. S i m ula t e t he m old- f i l l i ng proce s s of t he m e l t i nto a photopolym e r m old, w hic h w i l l out put t he r e s ult i ng t e m pe r a t ur e a n d pre s s ur e profi l e s . 3. S t r uct ura l a n a l ysi s i s t hen per f orm e d o n t he phot opolym e r m old m odel u s i ng t he t her m a l a n d l oad boundar y c ondit i ons obta i ne d f r om t he pre vious s t e p, w hic h c a l c ula t e s t he dis t or t i on t hat t he m old under go dur i ng t h e i nje c t i on proce s s . 4. I f t he dis t ort i o n of t he m old c onve r ges , m ove t o t he n e xt s t e p. O t her w i s e , t he dis t ort e d m old c a vit y i s t h e n m odel e d ( c hanges i n t he dim e ns i ons of t he c a v i t y a f t e r dis t ort i o n), a nd r e t ur ns t o t he s e c ond s t e p t o s i m ula t e t he m e l t i nje c t i on i nto t he dis t ort e d m old. 5. T he s hri nk a ge a nd w a r page s i m ula t i on o f t he i nje c t i on m olded par t i s t hen a ppli e d, w hic h c a l c ula t e s t he f i nal dis t ort i o ns o f t he m old e d par t . I n a boves i m ula t i on f l ow, t her e a r e t hre e bas i c s i m ula t i o n m odule s . 2 . 2 F i l l i n g s i m u l a t i o n o f t h e m e l t 2 . 2 . 1 Ma t h e m a t i c a l m o d e l i n g C om pute r s i m ula t i on t e c hniques h a ve had s ucc e s s i n pre dic t i ng f i l l i n g behavior i n e x t r e m e l y c om pli c a t e d g e om e t r i e s . H owe ver , m ost of t he c urr e nt n um e r i c a l i m ple m e nt a t i o n i s bas e d o n a hybri d f i nit e - e l e m e nt/ f i nit e - dif f e r e nc e s olut i on w i t h t he m i ddle pla ne m odel . T he a ppli c a t i o n proce s s o f s i m ula t i on pac kages bas e d o n t his m odel i s i l l us t r a t e d i n F i g. 2-1 . H owe ver , u nli k e t he s urf a c e / s oli d m odel i n m old- des i gn C A D s yst e m s , t he s o- c a l l e d m i ddle - pla ne ( a s s h own i n F i g. 2- 1 b) i s a n i m a gina r y a r bit r a r y pla nar geom e t r y a t t he m i ddle of t he c a vit y i n t he g a p- w i s e dir e c t i on, w hic h s hould bri ng a boutgre a t i nconvenie nce i n a ppli c a t i ons. F or e xam ple , s urf a c e m odel s a r e c om m only u s e d i n c urr e nt R P s yst e m s ( gener a l l y S T L f i l e f orm a t ) , s o s e c ondar y m odel i ng i s u navoid a ble w hen u s i ng s i m ula t i on pac kages bec a use t he m odel s i n t he R P a nd s i m ula t i on s yst e m s a r e dif f e r e nt . C ons i d e r i ng t hes e def e c t s , t he s urf a c e m odel of t he c a v i t y i s i ntr oduce d a s dat um pla nes i n t he s i m ula t i o n, i nst e a d of t he m i d dle - pla ne. A c c or ding t o t he pre vious i nves t i gat i ons [ 4 – 6], f i l l i nggover ning e qua t i ons f or t he f l ow a nd t e m pe r a t ur e f i e l d c a n be w r i t t e n a s : w her e x , y a r e t he pla nar c oordinat e s i n t he m i ddle - pla ne, a n d z i s t he g a p- w i s e c oordinat e ; u , v ,w a r e t he v e l o c i t y c om ponent s i n t he x , y , z dir e c t i ons; u , v a r e t he a ver a ge w hole - gap t hic knes s e s ; a n d η , ρ, CP ( T ) , K( T ) r e pre s e nt vis c os i t y, densi t y, s pec i f i c h e a t a nd t her m a l c onduct i vit y of polym e r m e l t , r e s pec t i vel y. Fi g.2-1 a – d. S c hem a t i c pr oce dure of t he s i m ul a t i on w i t h m i ddle - pl a ne m odel . a T he 3- D s urf a c e m odel b T he m i ddle - pl a ne m odel c T he m e s hed m i ddle - pl a ne m odel d T he dis pl a y of t he s i m ul a t i on r e s ult I n a ddit i o n, boundar y c ondit i o ns i n t he g a p- w i s e dir e c t i on c a n be def i ned a s : w her e T W i s t he c onst a nt w a l l t e m pe r a t ur e ( s hown i n F i g. 2a) . C om bining E qs . 1 – 4 w i t h E qs. 5 – 6, i t f oll o w s t hat t h e dis t r i buti ons of t h e u , v , T , P a t z c oordinat e s s hould be s ym m e t r i c a l , w i t h t he m i r r or a xis bei ng z = 0, a nd c onse quentl y t he u , v a ver a ged i n hal f - gap t hic knes s i s e qual t o t hat a v e r a ged i n w hole gap t hic knes s . B a s e d o n t his c har a c t e r i s t i c , w e c a n divide t he w hole c a v i t y i nto t w o e qual par t s i n t he g a p- w i s e dir e c t i on, a s des c r i b e d by P art I a n d P art I I i n F i g. 2b. A t t he s a m e t i m e , t r i a ngula r f i nit e e l e m e nt s a r e gener a t e d i n t he s urf a c e ( s ) of t he c a vit y ( a t z = 0 i n F i g. 2b), i nst e a d o f t he m i ddle - pla ne ( a t z = 0 i n F i g. 2a) . A c c or dingly, f i nit e - dif f e r e nce i ncr e m e nts i n t he gapwi s e dir e c t i on a r e e m ployed only i n t he i nsi de of t he s urf a c e ( s ) ( w a l l t o m i ddle / c e nte r - l i ne ) , w hic h, i n F i g. 2b, m e a ns f r om z = 0 t o z = b . T his i s s i ngle - s i ded i ns t e a d of t w o- s i ded w i t h r e s pec t t o t he m i ddle - pla ne ( i .e . f r om t he m i ddle - l i ne t o t w o w a l l s ) . I n a ddit i o n, t he c oordinat e s yst e m i s c h a nged f r om F i g. 2a t o F i g . 2b t o a l t e r t he f i nit e - e l e m e nt/ f i nit e - dif f e r e nce s c hem e , a s s hown i n F i g. 2b. Wi t h t he a bovea djust m e nt , gover ning e qua t i ons a r e s t i l l E qs . 1 – 4. H owe ver , t he ori gina l boundar y c ondit i o ns i n t he gapwi s e dir e c t i on a r e r e w r i t t e n a s : Me a nwhil e , a ddit i o nal boundar y c ondit i o ns m ust be e m ployed a t z = b i n order t o kee p t he f l ows a t t he j unct ur e of t h e t w o par t s a t t he s a m e s e c t i o n c oordinat e [ 7]: w her e s u bsc r i pt s I , I I r e pre s e nt t he par a m e t e r s o f P art I a nd P art I I , r e s pec t i ve l y, a nd C m - I a n d C m - I I i ndic a t e t h e m oving f r e e m e l t - f r onts of t he s u r f a c e s of t he divided t w o par t s i n t h e f i l l i ng s t a ge. I t s h ould be note d t hat , u nli k e c ondit i o ns E qs . 7 a nd 8, e nsuri ng c ondit i o ns E qs . 9 a nd 10 a r e uphel d i n nume r i c a l i m p l e m e nta t i ons bec om e s m ore dif f i c ult due t o t he f oll o w i ng r e a s ons: 1. T he s urf a c e s a t t he s a m e s e c t i o n h a ve bee n m e s hed r e s pec t i vel y, w hic h l e a ds t o a dis t i nct i ve pat t e r n of f i nit e e l e m e nts a t t he s a m e s e c t i o n. T hus, a n i nte r pola t i on oper a t i o n s hould be e m ployed f or u , v , T , P duri ng t he c om par i s on bet w e e n t he t w o par t s a t t he j unct ur e . 2. B e c a us e t he t w o par t s h a ve r e s pec t i ve f l o w f i e l d s w i t h r e s pec t t o t he n odes a t point A a nd point C ( a s s hown i n F i g. 2b) a t t he s a m e s e c t i o n, i t i s poss i ble t o have e i t he r both f i l l e d or one f i l l e d ( a nd one e m pty) . T hes e t w o c a s e s s hould be h a ndle d s e par a t e l y, a ver a ging t he oper a t i o n f or t he f or m e r , w her e a s a s s i gning oper a t i o n f or t he l a t t e r . 3. I t f oll o w s t hat a s m a l l dif f e r e nce bet w e e n t he m e l t - f r onts i s per m i s s i ble . T hat a l l owa nce c a n be i m ple m e nt e d b y t i m e a l l owa nce c ontr ol or pre f e r a ble l oca t i on a l l owa nce c ont r ol of t he m e l t - f r ont n odes . 4. T he boundar i e s of t he f l ow f i e l d e xpand b y e a c h m e l t - f r ont a dvance m e nt , s o i t i s n e c e s s a r y t o c hec k t he c ondit i o n E q. 10 a f t e r e a c h c hange i n t he m e l t - f r ont. 5. I n v i e w of a bove- m e nti oned a n a l ys i s , t he physi c a l par a m e t e r s a t t he n odes of t he s a m e s e c t i o n s h ould be c om par e d a nd a djust e d, s o t he i nform a t i o n des c r i bing f i nit e e l e m e nts of t he s a m e s e c t i o n s hould be pre par e d bef ore s i m ula t i on, t hat i s , t he m a t c hing oper a t i on a m ong t he e l e m e nts s hould be pre f orm e d. Fi g. 2a,b. I l l us t r a t i ve of boundar y c ondit i ons i n t he gap- w i s e dir e c t i on a of t he m i ddle - pl a ne m odel b of t he s ur f a c e m odel 2 . 2 . 2 N u m e r i c a l i m p l e m e n t a t i o n P r e s s ure f i e l d. I n m odel i ng vis c os i t y η , w hic h i s a f unct i o n o f s h e a r r a t e , t e m pe r a t ur e a nd pre s s ure o f m e l t , t he s h e a r - t hinning beh a vior c a n be w e l l r e pre s e nte d by a c r oss - t ype m odel s uch a s : w her e n c orr e s pondst o t he powe r - l a w i ndex, a n d τ * c h a r a c t e r i z e s t he s h e a r s t r e s s l e vel of t he t r a nsi t i o n r e gion bet w e e n t he N e w t onia n a n d powe r - l a w a s y m p t ot i c l i m i t s . I n t e r m s of a n A r r henius- t ype t e m per a t ur e s e nsi t i vit y a nd e xponenti a l pre s s ure dependence , η 0 ( T , P ) c a n be r e pre s e nt e d w i t h r e a s onable a c c ura c y a s f oll o w s : E quat i ons 11 a n d 12 c onst i t ut e a f i ve- c onst a nt ( n , τ * , B , T b , β ) r e pre s e nt a t i o n f or v i s c osi t y. T he s hea r r a t e f or v i s c osi t y c a l c ula t i on i s obta i ned b y: B a s e d on t he a bove, w e c a n i nfe r t he f oll o w i ng f i l l i ng pre s s ure e quat i o n f r om t he gover ning E qs. 1 – 4: w her e S i s c a l c ula t e d b y S = b 0 / ( b ? z ) 2 η d z . A pplying t he G a l e r kin m e t hod, t he pre s s ur e f i nit e - e l e m e nt e quat i o n i s deduc e d a s : w her e l _ t r a ver s e s a l l e l e m e nts ,
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