目前，越来越多的塑料技术部件集成了多种功能，为了满足由此带来的要求，必须确保部件具有较高的尺寸稳定性和强度。对于开发商和制造商而言，这意味着要在开发过程中尽早识别部件的变形，并采取相应措施。注射成型模拟能够为此提供支持。需要注意的是，想要对部件收缩和变形作出充分描述，需要对注射成型过程有全面的认识，从部件的设计开始，延伸到材料的选择和模具的设计，直至工艺参数的设定。

虚拟分析从多循环开始

这种全面的方式正是SIGMASOFT^®Virtual Molding（以下简称SIGMASOFT^®）的主要特色，它遵循以下原则：

1. 模拟要考虑所有相关的几何结构，从模具、嵌件、流道系统直至模具和温控流道，要体现完整的三维结构及所有的必要细节。

2. 模拟要再现整个注射成型周期以及与机器设置保持一致的工艺参数，从而以高度逼真的方式呈现填充、保压和冷却等各个阶段，此外还要考虑成型后在模外的后续冷却。

3. 多循环分析提供了虚拟启动注射成型过程的可能。在完成确定的循环次数后，再进行实际的注射成型模拟。

以上的第三点原则意味着模拟开始时的热边界条件不是基于静态的模具温度，而是稳态注射成型过程的温度分布（如图1所示）。

图1 在第二十次循环开始时模具温度不均匀，热边界条件对模拟结果有较大影响

但是，SIGMASOFT^®真的能够预测部件变形吗？如果是这样，结果的准确性和可靠性又如何？为了回答这些问题，德国/H&B/Electronic公司开展了一项研究，对模拟的变形结果与实际测试结果进行比较。用于开展比较研究的部件是一个多极连接器的绝缘体（如图2所示），它由含25%玻璃纤维增强材料的聚丙烯制成。此外，这项研究还旨在评估SIGMASOFT^®如何真实再现实际的注射成型过程。

图2 由PP-GF25制成的多极连接器的绝缘体，基板厚度1.7mm，连接器外壳高度16mm，模拟显示了优化前（上）和优化后（下）部件的偏差

为了真实评估变形行为，需要了解对变形有决定性影响的现象发生变化时，SIGMASOFT^®是如何作出敏感反应的，这包括：

1. 注射模具和成型过程不均匀的热平衡，特别是塑料的受热过程。

2. 局部不同刚度的部件几何形状，如筋条。

3. 各向异性，如受纤维取向影响而导致的方向性收缩。

第一次模拟采用的是用于正常生产的工艺参数，这样做是为了获得有关模拟结果准确性的第一手资料。部件几何形状和模具设计符合实际情况，与实际部件进行比较的结果令人印象深刻：采用正常设置生产的部件显示0.45mm的变形，而模拟的变形结果是0.51mm，准确率达87%。

两种效应：各向异性和体积收缩

在随后的模拟中，确定所选参数的变化对变形结果的影响，变化的性质和程度是基于对先前模拟结果的详细分析，特别是考虑了部件体积收缩的差异。这些通常被认为是导致部件产生变形的原因，因此有必要在这一点上区分两种不同的效应，即各向异性（也就是方向性收缩），以及非均匀的体积收缩。

第一种效应是基于有方向性的材料特性，它主要由含玻璃纤维的取向引起。比如，模拟结果显示，在优选方向上具有强烈的纤维取向倾向（如图3所示）。但是，在熔体受到偏转的区域中，纤维取向少的区域会中断，由此产生的各向异性收缩是导致部件变形的原因之一。

图3 优先/纵向分量方向（红色）中的主要纤维取向和取向较少的区域导致方向相关的收缩差异和各向异性引起的变形

评估体积收缩时，必须考虑以下几方面。大多数情况下，温度和凝固时间起着决定性作用。这一方面可以明显观察到：在保压阶段，塑料芯无法维持原状。实际上，由于部件中存在薄壁区域，因此并不是所有区域都有足够的熔体供应。结果：相应的区域在没有保压的情况下凝固，因而表现出的体积收缩要比其他区域更大。这种不均匀的体积收缩会引发内应力，最终导致部件变形，如图4所示。

图4 部件横截面上不同凝固时间会导致不均匀的体积收缩和变形，快速凝固的区域，如筋条或角落，会形成加强元素，也会促成变形

相反，这些供给不足的区域表示熔体堆积或热点，同样也是基于凝固的结果。或者说，这些区域的凝固时间要比部件的其他区域晚得多。这种滞后的体积收缩也会引发应力，从而导致变形。这种体积收缩的差异即使是中等程度的，也会在整个部件中显现。这主要是由于冷却速度不同而造成散热或传热受限。常规参数下，外边缘和部件筋条的凝固时间与部件内部相差4.5s，从而促成了体积收缩的不均匀性，如图4所示。

部件几何形状和材料刚度的影响

通过这些观察，有关变形方向的问题依然存在。在此方面，对温度分布进行的详细研究是值得的，比如保压阶段。这揭示了较高的温度在部件“凹陷”一侧（上侧）方向上发生了细微变化，大约是5～10K（如图5所示）。虽然这一温差看起来不大，但仍意味着体积收缩的同步变动，从而导致热端发生偏差。

图5 图中显示的是保压阶段的温度分布对变形的影响，部件上侧的温度比下侧的温度高5～10K

温度分布的差异可以通过观察冷却速度和热流的结果而得到解释。可以明显看出，由于部件的几何形状，部件上部排出的热量势必会比下部更多。另一个问题是，同样由于部件几何形状，导致模具的温控非常低效。

大多数变形是由部件几何形状和材料刚度引起的，它们对变形方向的影响也很大。部件外侧角落和筋条末端大约2～3s后凝固，但部件中心却要5～7s后才能凝固（如图4所示）。此外，由于在凝固过程中材料的强度增加，同时还伴有温度的降低，会进一步加强这两个效应。首先，周边角落的早期凝固形成了高硬度框架，随之而来的是内部区域的收缩增强先前描述的变形效应；其次，筋条导致部件凸出部分（下部）的极端硬化，进而导致随后的收缩朝着较热一侧方向移动，最终在观察到的变形中变得明显。

脱模时部件横截面的应力分布也证实了这一效应。特别是部件内部的残余张应力，显示收缩在继续，与部件外部区域的压应力相反（如图6所示）。

图6 脱模后的应力状态，张应力（红色）显示收缩在继续，从而促成了变形

最大程度减少变形的措施

通过对模拟结果进行分析，可以找到具体措施，在此方面，模拟参数变化的数值仅限于那些可以与实际测试相比较的，如图7所示。

图7 减少翘曲措施的有效性可以从部件的变形（单位mm）推导出来，与真实部件的比较显示出高度的一致性

试图通过增加压力水平来提高保压效果并不能改善变形行为。事实上，虽然可以观察到内部压力的增加，但几何形状诱导的塑料芯的断裂仍会导致在没有保压过程的情况下出现大面积的凝固。实际失败的模温升高也表明，问题确实是由几何形状引起的，只是引起塑料芯的断裂在时间上向后推移了，冷却的均匀性也只是略有提高。因此，这两种措施均无效果。相反，众所周知，它们对部件质量构成了相当大的风险，尤其是组合使用的时候。

基于对整体结果的重大影响，部件几何形状和材料刚度为减少变形提供了最大潜力，两个优化措施的结果证实了这一点（如图7所示）。例如，在第一个测试中，筋骨移到部件另一侧，测试表明，加强效应与最终部件的变形是反向的，无论模拟还是实际情况都是如此。凝固时间、体积收缩和应力分布的模拟位移也表明了这一效果。在第二个测试中，部件实际无筋骨，观察到均匀而对称的应力分布，几乎没有极端应力峰值，因此，部件的变形也明显减小。

理想情况下，优化不均匀的体积收缩需要对称的冷却条件和均匀的温度分布。这里介绍的例子中，优化模温控制（比如通过异形水路）不可取。因此，为了抵消部件上部热量流动不畅带来的影响，唯一的可能性就是在模内创造一个更高的温度梯度。这意味着降低该区域的冷却介质温度以消除更多的热量，结果是在模拟中变形减少了0.15mm，实际中减少了0.08mm，同时在脱模前后残余应力显著降低。与此类似，体积收缩非常均匀，并显示出明显更低的收缩值。

冷却中加强筋骨“拉直”部件

最后延迟顶出的失败尝试证实：冷却应力有多大，对部件的影响就有多强。因此，为了防止部件一侧收缩，打开模具后，部件上部会在顶出一侧的型腔中停留一定时间，但0.36mm（实际是0.38mm）的结果证实，实际在打开模具前，部件就已经存在较大的残余应力，该措施没有明显效果。

值得一提的是，虽然没有经过实际测试的验证，但可以尝试提高保压效应。这种情况下，为了尽可能长时间地向所有区域提供更多熔体，要在部件一侧（下部）以添加厚筋骨的方式促进流动，这样可以更早凝固。但0.07mm的改进并不是由于优化了保压压力。实际上，这表明筋骨的冷却相对缓慢，从而脱模后能将部件“拉直”。值得注意的是：将同样的方法用于无加强元素的部件，采用可变模温，结果变形减小了0.12mm，如图7所示。

总之，该项研究包括最终模拟，结合了几种优化变形的措施：

1. 提高保压效应；

2. 改变模具温度；

3. 取消筋骨。

虽然没有对这一组合措施进行实际测试，但通过模拟获得的0.15mm的变形表明，部件质量得到明显改善。基于先前模拟的积极结果，可以肯定的是，这也能在实际中最大程度地减小变形。

总结

在所有情况下，计算出的部件变形都通过实际测试得到了验证，数值非常接近，因此，模拟结果的质量非常高。此外，SIGMASOFT^®能够演示与部件变形有关的所有3种现象：热、几何形状和由各向异性引起的变形，从而可以针对性地采取优化措施。

不仅仅是因为这些积极的结果，德国/H&B/Electronic公司确定注射成型模拟作为其开发过程的一个固定要素。优化部件设计的第一次模拟很早就实施了，随后在项目的进展阶段又作了其他模拟，并考虑了模具设计。总之，在投入模具前对工艺的模拟实现了最终的质量检查。

标签： 注射成型