基于Moldflow软件的双色注塑成型工艺优化

2020-06-30陆忠华金华军

合成树脂及塑料 2020年3期

苗盈，陆忠华∗，李薇，金华军

（1. 无锡职业技术学院机械技术学院，江苏省无锡市 214121；2. 江苏省难加工零部件工程技术研究开发中心，江苏省无锡市 214121）

双色注塑技术作为一种先进的注塑成型工艺得到了越来越广泛的应用。双色注塑是指将两种不同的塑料材料在同一台注塑机上进行注塑，由两个不同的注射单元经过两组浇注系统进入型腔内，分两次成型，最终一次性将双色塑件顶出［1-3］。双色注塑模具一般由两套模具组成，一般情况下两者的定模（前模）型腔相同，而动模（后模）型腔不同。注塑生产时两套模具同时工作，第一次注塑（简称第一射）完成后，动模部分旋转180°后与第二型腔的定模构成一套完整的模具进行第二次注塑（简称第二射）［4-6］。双色注塑成型需注意：1）两次注塑成型的充填时间应尽可能接近［7］；2）选择的两种注塑材料相互之间要有较强的黏合强度，从而避免两种材料结合处出现开裂、脱落等缺陷［8］；3）两次注塑成型的体积收缩率应尽可能接近，从而避免影响两个模型的熔接性［9］。本工作以某双色塑料扣注塑模具为例，运用Moldflow软件的热塑性塑料重叠注塑模块进行注塑工艺分析及优化，为提高双色塑件的产品质量提供依据。

1 塑件分析

某双色塑料扣（几何模型见图1）由外层壳体和内层结构两部分组成。外层壳体的最大外形尺寸为73 mm×20 mm×4 mm，最大壁厚为3.00 mm，最小壁厚为0.16 mm，大部分壁厚为1.50 mm，体积约为2.6 cm3。内层结构的最大外形尺寸为70 mm×17 mm×12 mm，最大壁厚为2.30 mm，最小壁厚为1.00 mm，大部分壁厚为1.50 mm，体积约为2.1 cm3。

图1 双色塑料扣几何模型Fig.1 Geometric models of bi-color plastic buckle

使用3D网格类型对塑料扣几何模型进行网格划分，网格边长设定为1 mm。网格划分并修复后，四面体个数为617 535个，纵横比最大为40.57、最小为1.15、平均为5.62，模型边界上不存在任何折叠，也不存在任何倒置四面体单元。网格质量较好，满足后续模流分析的要求。

根据塑料扣的用途、性能、结构以及塑料之间的黏合强度，外层壳体的材料选用透明聚碳酸酯（PC），内层结构的材料选用丙烯腈-丁二烯-苯乙烯共聚物（ABS），PC与ABS具有较好的黏合强度［10］。一次双色注塑共完成2件产品，第一射、第二射都采用一模两腔的型腔布局方式。通常情况下，双色注塑成型第一射注射内层底料，第二射注射外层包覆料。然而该塑料扣内层底料ABS的推荐熔体温度为200.0～280.0 ℃，外层包覆料PC的推荐熔体温度为280.0～320.0 ℃，如果采用常规注塑成型，即先注射ABS后注射PC，会使产品外观产生料花和流痕等缺陷，严重影响塑件品质。因此，塑料扣的双色成型采用反向模具进行逆向注射［11］，即第一射注射外层包覆料即透明PC，第二射注射内层底料即ABS，从而避免产生料花和流痕。

2 双色注塑初步分析

首先，根据经验设计一个初始方案并对其进行分析，检查双色塑料扣的充填时间、体积收缩率、翘曲变形量等成型工艺参数是否合理，对成型工艺方案进行可行性评估，为后续的工艺优化提供依据。

塑料扣双色模具的浇注系统初始设计见图2，第一射、第二射的浇注系统尺寸基本相同。主流道长度20 mm，上端直径4 mm，下端直径6 mm；分流道为圆形截面，一级分流道直径5 mm，二级分流道上端直径5 mm，下端直径3 mm；点浇口直径2 mm。

图2 浇注系统初始设计Fig.2 Initial design of gating system

浇注系统创建后，进行“填充+保压+重叠注塑充填+重叠注塑保压+翘曲”分析。设定第一射注射PC时的熔体温度为280.0 ℃，第二射注射ABS时的熔体温度为250.0 ℃，模温均为80.0 ℃，其他工艺参数为默认值。

2.1 流动前沿温度

从图3可以看出：第一射的流动前沿温度为155.4～287.7 ℃，温差为132.3 ℃；第二射的流动前沿温度为248.4～252.8 ℃，温差为4.4 ℃。流动前沿温差越小，产品质量越好。温差在10.0 ℃以内时，基本能够满足产品的成型要求，不会出现产品质量缺陷等问题［12-13］。根据分析结果可知，第二射的温差符合要求，但第一射的温差太大，局部温度过低可能会出现迟滞或其他问题。流动前沿温度可以通过增加制品壁厚、更改浇口位置、增加浇口数量等方式进行改善。

图3 流动前沿温度分析结果Fig.3 Analysis results of temperature at flow front

2.2 充填时间

从图4可以看出：第一射的充填时间为1.808 s，第二射的充填时间为1.298 s，时间差为0.510 s。为了使第一射和第二射的充填时间尽可能接近，可以采用调整浇注系统尺寸或增设浇口数量等方式。

图4 充填时间分析结果Fig.4 Analysis results of filling time

2.3 体积收缩率

从图5可以看出：第一射的平均体积收缩率为1.142%～7.359%；第二射的平均体积收缩率为1.613%～7.743%。第一射与第二射的平均体积收缩率相差较大，会影响两者的熔接性，可以通过改变浇口位置、增加浇口数量、增大浇注系统尺寸、调整保压曲线、延长保压时间、增大保压压力等方式来改善。

图5 平均体积收缩率分析结果Fig.5 Analysis results of average volumetric shrinkage

2.4 翘曲分析

从图6可以看出：塑料扣两端向上翘起，翘曲变形量最大的部位为两端的两个卡扣处；塑料扣成型后的总翘曲变形量为0.558 3 mm。产品成型后如果产生较大的变形，将会使装配间隙不均匀，装配接触面变小，影响装配的牢固性和可靠性［14］。

图6 翘曲分析结果Fig.6 Warp analysis results

3 双色注塑优化分析

根据初步分析结果可知，塑料扣双色注塑成型需要改进的主要问题有：1）第一射流动前沿温度温差过大（132.3 ℃）；2）第一射与第二射的充填时间相差较大（0.510 s）；3）第一射与第二射的平均体积收缩率最大值均超过了7.000%，并且两者贴合处的平均体积收缩率相差较大；4）总翘曲变形量较大（0.558 3 mm）。针对以上问题对塑料扣双色注塑成型工艺进行优化。

3.1 流动前沿温度的优化

通过观察发现，第一射的流动前沿温度最低点位于外层壳体的最薄壁厚（0.16 mm）处。在不影响产品功能和使用的前提下，将外层壳体的凸出部分移动了9 mm，见图7。修改后，外层壳体的最小壁厚为1.50 mm。为了不影响外层壳体和内层结构的装配，内层结构的几何模型也做了相应修改。

图7 塑料扣几何模型修改Fig.7 Modification for geometric models of bi-color plastic buckle

从图8可以看出：对塑料扣的几何模型进行修改后，第一射的流动前沿温度为280.2～287.9 ℃，温差由132.3 ℃缩小到7.7 ℃。这表明将外层壳体的局部壁厚由0.16 mm增大到1.50 mm后，改善了塑料熔体在第一射型腔内的流动情况，流动前沿温差被控制在合理范围内，避免了因局部区域流动前沿温度过低导致的迟滞或短射现象。

图8 优化后的第一射流动前沿温度Fig.8 Temperature at flow front after optimization

3.2 充填时间的优化

为了使第一射与第二射的充填时间尽可能接近，设计了三个方案。方案一：更改第二射的浇注系统尺寸，将二级分流道的上、下端直径分别改为4，2 mm，浇口直径改为1.5 mm，其他尺寸保持不变。方案二：更改第二射的浇注系统尺寸，将二级分流道的上、下端直径分别改为4，2 mm，浇口直径更改为1.0 mm，其他尺寸保持不变。方案三：将第二射的浇口数量由2个更改为4个，尺寸保持不变，如图9所示。

图9 修改第二射的浇注系统Fig.9 Modification for gating system of the second shot

从表1可以看出：第一射与第二射的充填时间差由小到大依次为方案三、方案一、方案二。方案三的充填时间差仅0.099 s，与初始方案的0.510 s相比有明显改善，因此，确定第二射的浇注系统为方案三。翘曲变形量由小到大依次为方案三、方案一、方案二，但三个方案的翘曲变形量与初始方案（0.558 3 mm）相比都有所增大，后续需要在方案三的基础上进行改善。

表1 三种方案的参数对比Tab.1 Parameters of three schemes

3.3 体积收缩率的优化

体积收缩率的优化主要有两方面的措施，一是修改浇注系统，二是修改保压方案。在充填时间的优化中，浇注系统已经确定为方案三，因此，通过修改保压方案来优化体积收缩率。在初始方案以及方案一至方案三中，第一射和第二射采用的都是Moldflow软件默认的保压方案，即保压时间为10 s，保压压力为填充压力的80%。为了减小体积收缩率，需要增大保压压力并延长保压时间，因此第一射、第二射都采用衰减式保压方案，保压压力都增大为50 MPa，保压时间都延长为31 s，其中，恒压时间都为10 s。从图10可以看出：修改保压方案后，第一射的平均体积收缩率降低到0.992%～3.718%，第二射的平均体积收缩率降低到0.706%～5.300%，且第一射与第二射贴合面处的平均体积收缩率较为接近。