虚拟优化节省资源，实现高质量的LSR注射成型

文/本刊编译（原文来自Sigma）

聚合物材料在型腔中的流动行为取决于许多因素，因而难以预测。现代仿真技术通过计算和比较不同的注射概念并根据选定的标准对其进行排序来为模具和工艺设计提供支持。这种方法不会浪费材料资源，同时极大地减少了耗费的时间和精力。针对高度复杂的LSR部件，前期对模具设计和注射概念进行优化，可以在第一次验收阶段就成功地生产出高质量的部件。

聚合物在注射模具中的流动取决于多种因素，特别是材料特性和工艺设置。凭借经验、实践知识有时甚至是直觉，大多数有经验的模具制造商能够在第一次生产过程中成功地设计出能生产合格部件的模具。然而，随着部件复杂程度的增加，却降低了首次运行成功的概率，因此，这些项目通常需要经历迭代升级过程，或修改模具钢，或通过修改模具/冷流道板来改变注射系统。现在，模具制造商和工艺工程师可以通过前期的模拟来分析注射成型过程，以节省调整工艺所需花费的时间、工时和材料。

复杂部件的一个例子是图1所示的防烫垫，它由液态硅胶（LSR）制成，形状独特，整个蜂巢结构的壁厚只有1mm。此概念是为参加展会而由几家行业合作伙伴联合发起的一个项目，以全面生产的方式进行展示。由于资金和时间限制，使得制造实体原型不太可能，因此，针对部件、冷流道、模具和工艺的可行性研究和设计验证都是在虚拟环境下进行的。

图1 该防烫垫是一个结构复杂的部件，其整个蜂巢结构的壁厚只有1 mm，注射量大约是85 g

虽然这只是一个防烫垫，但细节决定了成败！除了考究的蜂巢结构外，整个部件看起来很简单。虽然有数百万的产品是由硅胶HCR模压成型的，但在LSR注射成型中却没有类似部件的现成资料或经验供参考，填充巨大的薄壁蜂巢面积所需的注射压力以及浇口的最佳位置等都是未知的。

该部件看起来是对称的，但实际并非如此：从中心到水平侧壁的距离明显短于垂直侧壁。填充部件时，围绕薄壁中心区域的厚壁环可能会带来一些意想不到的问题：这里的流体前沿明显要快得多，使得空气滞留实际上不可避免。对此，设计者们第一个自然想法是，采用一个中央浇口不会起作用——对此，本文将在后面作出详细说明。

从设计到成型部件

在设计阶段，重点是部件的几何形状。注射浇口的位置至关重要，它确定了最长流道的长度，并决定了型腔能否在固化动力学和流变学的影响下被100%填满。注射压力也很重要，并因此而影响所要使用的最佳成型机的选用。在此项目案例中，必须同时订购模具和机器，理想情况是订购技术上可行的最小型的机器。关键问题是，锁模力和注射压力是否足够。型腔的排气口必须在容易接触到的地方，以防止因空气滞留而造成光学故障。在满足了所有这些要求并完全填满了型腔之后，接下来的问题是固化和循环时间。理想情况下，整个部件应该均匀且完全交联。根据流动史和壁厚情况，对于后固化的区域，实施所需要的固化和循环时间。

通常，为了验证开发概念，需要制造一副原型模具，这会浪费资源，而目的主要是为了生产试件以对此概念进行评估。如果成功，在制造用于量产的模具之前需要先制作一系列的原型。另一种方法是利用模拟来进行工艺设计并测试不同的方法，这样，公司能以节省资源的方式虚拟开展整个生产研究。这可能是有利的，特别是在时间紧张的情况下，因为这样做时，可以同时检查几个概念或设置。关于这个防烫垫项目，时间紧迫是促使项目合作伙伴模拟模具、冷流道和机器整个生产过程的决定性因素，通过使用Sigmasoft Virtual Molding软件，他们能够虚拟分析和优化整个过程。

型腔的最佳填充

为了确定如何将形状如此复杂的防烫垫填满LSR，想象聚合物的流动路径以及考虑材料性能在填充过程中的变化是一种很好的方法：

1. 冷料在到达热型腔之前，在室温下经过机器喷嘴和冷流 道板。

2. 到达型腔时，由于模具温度和剪切应力，温度会急剧升高。

3. 温度启动了LSR的固化过程，热传递取决于温度梯度、导热系数和时间。

4. 因此，流动路径必须在处于材料固化动力学中的填充时间内完成。

5. 比如，快速填充会导致更高的温度，这可能引起固化过程过早开始。

6. 这导致了填充速度和压力必须在机器的能力范围之内。

7. 另一方面，填充压力取决于流变材料的特性——这同样取决于温度、剪切力和固化状态。

基于对上述各点的考虑，只有一些简单的填充概念可以和其他加工专家一起考虑或讨论。大多数情况下，这还不足以包括找到最佳组合的所有方面和过程细节。

该解决方案可以通过现代注射成型模拟方法来实现，它超出了型腔填充的基本计算。Sigmasoft Virtual Molding软件基于现代优化算法，为以最少的工作量进行比较以及对形状与工艺参数的几种组合进行基准测试提供了可能。在第一个设计阶段，防烫垫是虚拟实验设计（简称DoE）的对象，根据作用在部件上的15个不同的单、双冷流道喷嘴，采用两种填充时间和两种不同的温度计算出型腔的填充量，如图2所示，然后，将结果与流动长度和所需注射压力等标准进行比较。

图2 在两个填充时间和两个注射温度下测试了15种不同的单、双注射点组合，所有这些都在一个虚拟实验设计中完成

在对总共60种组合进行基准测试后，决定将浇口放在中间，这样，在100bar（102kg/cm2）的注射压力下流动长度为100mm。这一压力不是最低的变量，但有明显的优势，体现在填充模式上。图3对该设计与替代设置在填充行为和所需压力上进行了比较。较低的填充压力（右）在部件中心有滞留空气的风险，而中央注射可将空气推向部件的侧壁，排气会更加容易。

图3 对两种浇口选项的充填压力和必要的排气进行比较：将浇口放在中央，填充需要更高的压力，但为排气提供了最佳位置（左）；将浇口放在两个角上，虽然可以降低所需压力，却使空气滞留在不利区域

中央浇口的缺点是需要连接点的精确位置。取决于工艺参数和选用材料（粘度），它们的位置可能会有所不同（在某些情况下，甚至朝向表面区域的内部），这意味着一个强大的全自动化的生产过程存在一定的风险。重要的是要知道，在填充过程中，剪切变稀的LSR具有很低的粘度。因此，模具的分模面必须紧密闭合，最大公差5μm（太小了就无法有效排气），否则，LSR会流过间隙并产生飞边。对连接点的精确了解，意味着可以采取额外措施来排除局部空气，如微细研磨的区域或针式浇口喷嘴，这样，部件在脱模后应该无需修边。

当讨论“在可接受的填充时间内且无需高的填充压力的情况下如何对这个复杂的蜂巢结构填充大约85g的LSR”时，该团队选择开发一种采用两个喷嘴的冷流道概念，这提供了额外的好处，可以将连接点的数量减少到只有两个，并且它们的位置始终是固定的，与工艺或材料的变化无关。该冷流道显示将消耗220bar（224.4kg/cm2）的压力，大约是在填充时间3s时总注射压力达315 bar（321.3kg/cm2）的70%，如图4所示。此外，对填充时间1s和2s时所需的压力也进行了计算和比较，如图5所示。仅用1s时间的快速填充需要大约650bar（663kg/cm2）的最大压力，这是安全的，处在选定的小型成型机的能力范围内。

图4 针对第一个部件设计，确定出采用两个喷嘴的冷流道设计在3 s的填充时间内消耗的压力刚刚超过200 bar（204 kg/cm2），总填充压力是315 bar（321.3 kg/cm2）

图5 机器喷嘴在3个不同注射时间的压力（1 s、2 s和3 s）

设计的最后微调

在分析模拟的过程中，另一个显而易见的细节是材料流入悬挂区（如图6上所示）。当低粘度的LSR从1mm壁厚的蜂巢区流入较厚（3mm）的悬挂区时，会发生喷射，这可能引起空气滞留。这些滞留的空气增加了光学故障的可能性以及在此功能临界区的内部孔隙。为了避免喷射，需要相应地修改几何形状（如图6下所示）。

图6 对设计进行优化可以防止自由喷射对皮瓣区（上）带来影响，下左为原始设计，下右为优化后的设计

但是，改善悬挂区的流动并不是更新设计的唯一原因，它还有助于缩短循环时间，因为壁厚大的悬挂区是后交联的，从而不必要地延长了循环时间。在170℃下固化25s后，检查部件表面和剖面固化程度时，这就显而易见了：悬挂显示内部固化进展不大，而表面似乎完全固化了，如图7左所示，为确保稳定脱模，还额外需要15s的循环时间。在相同的时间和温度条件下，对悬挂形状的改进显示出更快的固化进程，如图7右所示。因此，固化时间不再取决于悬挂，而是取决于较厚的蜂巢，这里有两个注射喷嘴被埋入模板中。最后，将模具温度提高10℃，令整个防烫垫在25s的时间内充分固化，从而确保了脱模时尺寸保持稳定。

下一步是增大防烫垫的尺寸，这是因为，模拟显示，所需要的填充压力和锁模力远低于机器的限定值，增加部件的总体尺寸是为了更好地利用机器的能力（如图7左和右所示）。最终模拟和真实加工表明，3s的填充时间所需的填充压力略高于500bar（510kg/cm2）。

图7 防烫垫的表面和内部（剖面）在170 ℃下加热25 s后固化程度的对比，左为设计优化前，右为设计优化后

在展会期间，全自动化的生产单元采用评估好的工艺参数如注射时间、温度和固化时间来运行，大约有数千个成型好的防烫垫直接从机器交付给感兴趣的观众，供他们回家使用。

总结

借助于虚拟DoE，为生产防烫垫而开发了理想的浇口，最终采用了双喷嘴的冷流道，优化了部件填充。为确保机器能力满足压力要求，计算了不同的填充概念和填充时间。对部件形状的优化阻止了空气滞留的形成，避免了循环时间的延长，确保了在第一次加工试验中就能制造出品质优良的部件。借助于模拟，这种基本的可行性分析正变得越来越节省资源，通常在报价阶段就以简化的形式用于对部件的计算。