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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)證測試 車間試驗(yàn) 客戶評價(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 無論是模具設(shè)計(jì)還是注 塑成型的過程中 缺少的是對如何修改這個(gè)模具材料和快速成型制造過程的影 響有最根本的認(rèn)識 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 以完成特定的數(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 出來了 而且還建立了相應(yīng)的模擬系統(tǒng) 通過實(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題 關(guān)鍵詞 注塑成型 數(shù)字模擬 快速成型 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程 在生產(chǎn)小批量零件的時(shí)候 通 過消除多重步驟 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 快速成型 模具在性能上是有別與傳統(tǒng)的金屬模具 主要差異是導(dǎo)熱性能和彈性模量 剛 性 舉例來說 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 目前還沒有對 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)的零件也會有出先次品 因此 研究出一個(gè)快速成型過程 材料和注塑模 具之間的互動關(guān)系是非常火急的 這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)?它極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試準(zhǔn)確 但是對于快速成型 模具 潛在的失真會更多 在當(dāng)前的測試中 其中就會有些失真會被忽視 例 如 用一個(gè)簡單的三步驟模擬分析模具變形的時(shí)候 就會出現(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 來了 擬議制度著重于預(yù)測部分失真 主要是用與預(yù)測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)來制造聚合物模具 立體光照成型的過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 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 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 綜合仿真的成型過程 2 1 方法 為了在注塑成型過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 部分幾何模型則作為一個(gè)實(shí)體模型 這將通過流量分析軟件包被翻譯到 一個(gè)文件中 模擬光聚合物模具中熔融體填充的過程 然后輸出溫度和壓力的資料 在前一步獲得了熱負(fù)荷和邊界條件 然后對光模具進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析 其中 失真的計(jì)算是在該注塑過程中進(jìn)行的 如果模具的扭曲收斂了 那么直接進(jìn)行下一步 否則 扭曲的型腔 改 動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 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)用過程基于這一模型說明圖 然而 不同與 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 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)平面可能會在應(yīng)用的過程 中帶來很大的不便 舉例來說 模具表面常用于目前的快速成型系統(tǒng)中 通常 是 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 考慮到這些缺點(diǎn) 在模擬 系統(tǒng)中 型腔的表面將以基準(zhǔn)面來引入 而不是中性平面 根據(jù)以往的調(diào)查 流量和溫度場的方程式可以寫為 X Y 是中性平面坐標(biāo)系中的兩個(gè)平面 是高度坐標(biāo) 是 方向上的速度 是整體的平均厚度 CP T K T 分別 表示聚合物的粘性 密度 周期熱 熱導(dǎo)率 圖 是中性平面的模擬程序 是 維表面模型 是中性平面模型 是網(wǎng)狀的 平面模型 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 中的 中表示 TW 是恒壁溫度 結(jié)合方程 和方程 表明了 u v T P 在 坐標(biāo)上面應(yīng)該是對稱的 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 中的第一部分和第二部分 同時(shí) 型腔 如圖 表面產(chǎn)生的三角有限元將替代了中性平面 如圖 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 所示 高度上的誤 差將從 到 這是中性平面上的單一性 此外 從圖 到圖 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 然而 原來的邊界 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) 上的兩部分能夠流動 那么更多的邊界 條件必須滿足 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)表面上的自由移動的熔融線 應(yīng)該指出的是 方程 與 和方程 與 不同 和 在數(shù)字模擬過 程中將變的更難 主要原因是以下幾點(diǎn) 同一個(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 因?yàn)閮蓚€(gè)部分都有各自的流道通向節(jié)點(diǎn) 和節(jié)點(diǎn) 如圖 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 使后者也分配到流動 這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 通過控制時(shí) 間和選擇更好的位置來控制前線熔合節(jié)點(diǎn) 每個(gè)流場的邊界都擴(kuò)張到熔線前線 所以核查方程 是否準(zhǔn)確是相當(dāng) 重要的 鑒于上述分析 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 匹配的 原理應(yīng)該先預(yù)備好 圖 表明表面模型中的中性平面 的高度方向 上的邊界條件 2 2 2數(shù)字模擬 壓力場 在建模中 粘度 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 其中對應(yīng)于冪律指數(shù) 的特點(diǎn)是在在牛頓和冪律漸近極限之間的剪應(yīng)力過 渡區(qū) 無論在溫度還是壓力指數(shù)上 0 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 而且通過粘度的剪切速 率的計(jì)算可以得到 根據(jù)上述情況 通過方程1 4 我們可以推斷出一下充氣壓力方程 其中S是由 計(jì)算出來的 運(yùn)用伽遼金方法 對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)?2 3 模具結(jié)構(gòu)分析 結(jié)構(gòu)分析的目的是預(yù)測在填充過程中 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)算是不會白費(fèi)的 模具在所受載荷超過彈性范圍的時(shí)候會產(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 毫 米 這說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 模具的表面會連接到工作臺上的 而其他的外部表面 將會假設(shè)是自由的 熱邊界的推導(dǎo)方程 是大家都知道的 這是由于 其中uk pk和 分別是位移 牽引力和溫度 是代表材料的膨脹系數(shù)和 泊松比 Ulk是在 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 lk是Kronecker三角函數(shù) 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) 節(jié)點(diǎn)處測量的 可以表示為 整個(gè) 將分散在模具的表面上 轉(zhuǎn)變?yōu)榉匠?其中 n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 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 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)處的溫度和磁場是已知的 余下的 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 起來的綜合矩陣 它可以為有限元方法求解 基于方程 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 是材料體積的彈性模量 和 的定義是 如果 t 0 那么方程 到方程 的結(jié)果則為 同樣的 利用方程 到方程 消除應(yīng)變 xx z t 得到 利用拉普拉斯變化方程 輔助系數(shù)R 由下面的方程得出 利用上述方程 并簡化在模具中的應(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 可以通過梯形正交被解決 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)控程序來檢測 輔助模量是檢測數(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?Be 是衍生算子矩陣 d 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)集會的單元來預(yù)測翹曲 每三個(gè)節(jié)點(diǎn)殼單元組合成一個(gè)恒應(yīng)變?nèi)菃?元和一個(gè)離散克?;舴蛉窃?如圖 所示 因此翹曲可以分為平面伸展變形 和板彎曲變形 并相應(yīng)的以單元?jiǎng)偠染仃噥砻枋雎N曲的拉伸剛度 矩陣和彎曲剛度矩陣 圖 a c是殼單元在局部坐標(biāo)系統(tǒng)里的變形分解 a 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 對提出的模型進(jìn)行了評定和發(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) 中的立體光照模具數(shù)據(jù)比較 如圖 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)的型號是ARGURY Hydronica320 210 750 它的工藝參數(shù)是 熔解溫度是 度 模具溫度是 度 注塑壓力是 帕 保壓時(shí)間是 秒 冷卻時(shí)間是 秒 立體光照模具材料使用杜 邦SOMOSTM 樹脂 能抵御高達(dá) 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增加自身的 熱傳導(dǎo)率 圖 模型腔 圖 不同的熱傳導(dǎo)率下 在 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程分別與傳統(tǒng)的注塑成型相似 圖 在不同的熱傳導(dǎo)率下 在 方向上的扭曲失真比較 圖 在不同熱傳導(dǎo)率下 在 方向上扭曲失真比較 圖 不同熱傳導(dǎo)率下各個(gè)捻度變量的比較 對于這個(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 到圖 實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明 這些數(shù)值也包括通過傳統(tǒng)注塑模 具模擬系統(tǒng)預(yù)測的扭曲值和報(bào)道 中的三步驟 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 出現(xiàn)比較多的誤差 不過更先進(jìn)的模型會使結(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 無論零件多么復(fù)雜 快速成型技術(shù)可以使人們造型更快 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 并且需要更多的 精確工具來確定工藝過程的參數(shù) 現(xiàn)行的模擬工具不能滿足研究者研究模具相 對的變化 正如本文中所述 對于一個(gè)綜合模型來說 要預(yù)測最后零件質(zhì)量是 相當(dāng)重要的 在不久的將來 我們期待看到通過快速成型擴(kuò)展到快速模具制造 的模擬程序 參考文獻(xiàn) 1 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