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通过虚拟成型评估橡胶成型缺陷的根本原因

来源:荣格 发布时间:2017-05-03 752
化工塑料橡胶塑料加工设备模具及零件 技术前沿
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弹性体的注射成型和转送成型是一个复杂的操作。它看起来并不很复杂,但是当你看着细节,它真的是够复杂。材料、工艺、模具设计、注塑机功能等的组合是产品品质的重要因素。然而,每个新的模具,就像做一道新的炖菜,它可能不会像你计划的那样,而是做成没人想要的一大盆坏炖菜,致使客户都饿了,你又得重头开始,弄清楚究竟是什么未能按计划所愿,并找出如何修复的办法。问题是出自于胡萝卜本身还是购买它们的商店?是由于温度或时间吗?让我们面对现实吧,我们已经炖制了4000年,而橡胶零件制作也超过了100年。我们没有4000年时间去为每种可能的模压产品组合的配方进行开发。在本文中,我们探讨以不同的方式来评估成型问题,以期解开一些高质量模制弹性体秘密配方背后的谜团。

弹性体的注射成型和转送成型是一个复杂的操作。它看起来并不很复杂,但是当你看着细节,它真的是够复杂。材料、工艺、模具设计、注塑机功能等的组合是产品品质的重要因素。然而,每个新的模具,就像做一道新的炖菜,它可能不会像你计划的那样,而是做成没人想要的一大盆坏炖菜,致使客户都饿了,你又得重头开始,弄清楚究竟是什么未能按计划所愿,并找出如何修复的办法。问题是出自于胡萝卜本身还是购买它们的商店?是由于温度或时间吗?让我们面对现实吧,我们已经炖制了4000年,而橡胶零件制作也超过了100年。我们没有4000年时间去为每种可能的模压产品组合的配方进行开发。在本文中,我们探讨以不同的方式来评估成型问题,以期解开一些高质量模制弹性体秘密配方背后的谜团。

虚拟成型是结合成型方面最相关的成型模拟技术,这种独特的方法,可在仿真中进行交互关联,就像他们在实际生产中一样。温度、时间和剪切率依赖于弹性体材料性能、模具热物性参数、模嵌件和保温性能、电加热器、功率和热电偶位置等等,包括完整的注塑成型过程。填充速度、压力限制、熔体温度、热电偶设定点温度、模具开模和关闭时间,二次硫化过程是用于仿真虚拟成型生产所有关键的信息。结合在一次模制中输入的所有信息,对潜在的生产问题进行综合评估。本文回答了下列问题:

﹡ 什么是虚拟成型?

﹡ 它是如何工作的?

﹡ 需要输入什么信息?

﹡ 将会产生何种结果?

﹡ 可以评估哪些问题?

第一个重要的问题是:模拟结果来自部分设计评估(仿真)还是来自虚拟成型仿真?读者请注意:代表性的部分设计评估通常只包含一些基本的材料性能、零件几何结构和浇口位置。基于这种方法,在生产环境中的结果其有效性是最受怀疑的。该结果并没有足够的信息去反映出在注塑机中会发生什么。另一方面,虚拟成型是一个完全耦合三维传热和流体流动程序,能够模拟实际生产判断,包括如何预热模具和第5、第10或第100生产周期使用的进程。如上文所述,它需要流道几何形状、模具配件、BOM(物料清单)、电加热器功率、热电偶位置、PI(比例积分)控制器或开/关设置、保温板的类型与厚度、压板加热器和成型过程。虚拟成型将自动计算通过模具所有组件的热流,当腔模具打开时可同时计算出由于辐射而引起腔体的热损失。它还将显示50周期后为什么模具将需要关闭,这是由于加热器加热不足且保温效果不佳而失去太多的热量。

这并不意味着部分设计评价是不可能的,并不表示他们不具有价值。它只是意味着为了复制在生产实际所发生的现象,需要得到更多的信息。为了解填充模腔需要多少压力是可控的、温度和剪切速率依赖粘度信息、实际局部模温信息、模具和部件以及流道的三维真实数据等都是必需的。这里的区别是专为这种方法开发了虚拟成型软件,而传统的流程模拟软件并不算数。例如,如果模具有两个不同的模具镶件、一个由P20 钢制成,另一个由MoldMax HH制成,他们将以不同的速率同时吸收和散发热量,这在虚拟成型模拟期间可被计算,因其对硫化反应会有影响。不仅在一个成型周期,而且在多个成型周期,都可被计算以匹配现实世界的成型过程。这种区别是非常重要的。

虚拟成型分析既可使用现有CAD构建模具/部件/流道,如果它们不可用,也可软件内创建。通常情况下,使用.step格式程序集文件,但其他文件类型如.STL或.SAT这些原生格式也是合适的。一旦导入CAD,整个程序集被自动转换成数以百万计的计算点,为多重物理量数据集合计算不断变化的环境。这一过程通常被称为“划分网格”(图1)。这些数以百万计的计算点在几秒钟内填充整个模具的所有组件。每个计算点包含的元素,其中包含初始信息,例如比容积,材料类型和起始温度(取决于其成为几何域的部分)。

图1、划分网格前(左)与划分网格后(右)模具的几何形状

图1、划分网格前(左)与划分网格后(右)模具的几何形状

在开始模拟之前,必须描述成型过程。它分为两个不同的部分,包括预热和生产。预热阶段始于在室温下的模具,并激活基于热电偶位置的电加热器。每个加热区都被独立控制。一旦集成的 PI 控制器找到一个解决方案—每个加热器将需要多少功率以保持设定的温度,仿真就可以继续下去,进入到生产阶段。这一阶段包括前面所述的加工过程信息,以及任何后成型硫化过程的信息 (如果适用)。同样的成型过程可以重复几遍,或生产周期可以被打断,以更改过程,并计算进一步的生产周期。

这两个步骤,确保准确地建立模具的温度梯度。如果使模具达到所需的温度或保持它在此温度点遇到问题,加热器将全负荷运行,且模具温度会下降,就像它在实际生产中一样。结果将会是在打开模具时,模具变冷,零件未硫化。它也可能规定热电偶的最佳位置,并确定该处所需要的加热器功率是更高或更低。也可以计算出不同厚度保温板或绝热毯。很明显,模具温度不仅是硫化的关键,也是加注充填的重要因素。因此,出现了问题: 应考虑是控制的模具温度,或者它就是实际存在的,我们要找到解决办法,使生产不受缺乏控制而全功尽弃。

模具是由温度决定,一旦冷胶料流入模具,基于较高的模温和剪切加热的相互作用,橡胶温度就会上升。剪切加热是橡胶内部摩擦所致,这是当胶体流动时,会产生热量,造成局部降低熔体粘度的现象。这种现象会影响填入流道和模腔所需的压力,可能产生意外的填充模式。如果由于剪切加热或模具温度引起橡胶温度上升过大,在模腔充填过程中就有可能开始硫化。这会造成机械强度的问题,因为交联发展得太快,以致材料与其它熔体前沿部份无法充分键合。这通常称为烧焦。

在胶料填充过程中如果橡胶硫化过度,粘度会提高,造成一些区域可能无法恰当填充。这也可能与在腔中残留有空气或与排气不佳相关。残留的空气可能会产生泡沫、烧焦的痕迹、填充不充份或差劲的力学性能。排气槽必须在正确位置并且大小适当。当空气被截留在当中时,由于不断加入更高压力的橡胶,其空气体积会缩减。随着气囊容积逐渐减小,其温度就会持续升高。如果太多的空气被截留,空气压力将变得如此之高,使得空气温度提升到橡胶的烧焦温度以上,这样,烧焦现象就会发生。

填充模式和熔体压力对一个稳健的进程至关重要。我们必须有足够的机械压力填充模腔,但足够的锁模力可确保在同一时间闭合模具。如果不是,必须减少填充压力,这样模具就不会溢料。在某些情况下,在模腔内充填不平衡,这意味着某些区域填充会比其它区域早得多。当发生这种情况时,早期填充区域的局部压力太高,导致模具溢料。当充填模腔时,这通常会需要机器降低注射速度,以避免产生这种过高的局部压力。这可能使它难以填充模腔的其它区域。精确的模具温度起到重要的作用,能够正确推断将会发生什么。填充剩下的部分并且没有烧焦吗?这就是为什么虚拟成型考虑完整的模制和多重的连续成型周期。模具温度总是在变化,在第一个周期期间模具温度完全不同于第100周期后的模具温度。此外,如果估算在100周期时模具模腔表面温度,并不会到处都一样。在其它区域都是热的同时,某些区域会很冷。所以在每个周期,热会在模具、零件、加热器和其它组件之间交换。所有这些热流量计算都同时出现,模具内的这些热点和冷点将导致橡胶部件硫化不均匀或不受控制。一些区域硫化速度将更快,而其它区域将硫化更慢,这都取决于部件的每个区域所接触模具表面局部的温度。最迟的硫化区域将增加周期时间,降低部件的质量或甚至要求二次成型硫化过程使硫化完全。正如人们所看到的,注塑成型弹性体实际上是一个非常复杂的过程。

在虚拟成型仿真过程中,诸如模具温度与时间,或加热器功率与时间等各种曲线图均可获得(图2a 和2b)。这种信息为处理工程师提供对模具温度控制有关的潜在问题的重要启示。甚至在建模之前就获知是否有足够的加热器,适当的热电偶位置或者合适的模具绝热位置。

图2a、模具温度与时间曲线

图2a、模具温度与时间曲线

一旦模具温度被提升,生产周期便开始。如果模具继续在生产周期中失去热量,即使所有加热器都以其最大的功率工作,迹象表明模具需要更多的加热器(或更高功率的加热器)与更佳的保温隔热效果。我们可以从这些曲线图清楚地看到,这将是一个生产问题。对于真正的模具,要解决这一问题是一个昂贵的经历。新的加热系统必须在现有的模具上进行设计。如此改造模具绝对不是最佳方式,因为已经有与现有设计有关的诸多限制。这可能结合模具周围的隔热保温会更为有效,而事实上这也是可以完成的。

图2b、加热器功率与时间曲线

图2b、加热器功率与时间曲线

在注射成型弹性体中也可能存在各种与充填相关的问题。在每个成型产品图右边都包含彩色温标尺(用户数值范围)。温标尺温度值总是从顶部(红色)向底部(蓝色)下降。在模制产品相关的颜色值对应于用户的数值范围。

图3显示了顶部表面带两个小口的厚壁筒形件的加注充填(左图),以及含光学级LSR的薄壁件的加注充填(右图)。这两条温标尺显示的温度表明厚、薄壁件之间的热量交换的差异。厚壁部件没有真正出现热交换,因为与温度梯度较强的薄壁部件相比,橡胶还没有接触到厚壁。

图3、部件腔内注射

图3、部件腔内注射

熔体“射入”模腔,由于熔体没有与模具或嵌入物的表面紧密接触,因此不会减慢射入速度。相当于进入模腔并穿越到部件的另一侧。这种行为可以归因于流动聚合物的高速度或其低粘度(或者是两者的组合)。注射可能会产生滞留空气,但最常见的问题是,它会导致小部件加工或材料变化时充填失控。

图4、来自部件内空气的玷污

图4、来自部件内空气的玷污

滞留空气也带来了一定的挑战。首先,它结束于最终部件,当然,这是一个问题。所面临的挑战是找出它来自哪里和如何摆脱它。图4显示了来自位于部件内的空气玷污。用户数值范围显示空气的百分比浓度。红色区域有更高的空气浓度。

是因为肋筋之下熔体流动太快,使空气滞留于肋筋周围,并密封了空气?或者是排气不够充分,使模腔内的空气压力太高?其实,原因并不是这两者。这可从系列图像(图5)看出。可见,提供清晰的成型问题的根本原因使得虚拟成型不单只是一种预测工具,而且还是一种教学工具。

图5、熔体随部件内滞留空气的变化

图5、熔体随部件内滞留空气的变化

最高浓度的空气(如红色所示)最初被滞留在部件注口侧肋筋内侧。现在,虚拟成型成为向他人展示他们需要看到的通信工具。这个弹性体部件在分型线周围可以有适当的排气。但图像显示,根据充填模式,有时,甚至当我们有适当的排气,它也不可能足以让所有的空气一起跑出。

在此示例中,由于其充填模式使部件内部滞留空气,造成空气玷污橡胶。它甚至还未达到通气位置的分型线。在这种情况下,为了模腔内摆脱所有的空气,如果可能的话,部件设计或浇口位置应做出更改。另一种选择可能是包括肋筋底部排气的顶针。为建模及比较需要,虚拟成型允许这种变形。

图6、八腔工具内注射充填失衡

图6、八腔工具内注射充填失衡

在多腔热流道系统中填充不平衡可能很难敲定(图6)。用户数值范围代表速度,以确定某区域比其它区域移动得更快。在接近充填结束时,红色的部分表明对于未填充模腔的最高速度。一旦过早地充分填充模腔,所有传入的熔体会直接进入未填充模腔,导致更高的速度。这张图是当模腔充填96%时的情形,我们观察到中心四个型腔都完全填满,而其余四个型腔仍未充填,即使流体长度对他们都是一样。

模具在中心处更热,因此钢膨胀更多,流道变得更大(未必),或者模具温度更高,它影响粘度(变热);实际上,粘度受橡胶经历的局部剪切率所影响。当橡胶在一个特定位置(相比于特定位置的附件)流动更快时(图7),会存在剪切速率的差异。越高的剪切速率、越大的摩擦热,对粘度的影响更大。

图7、热流道系统内温度和粘度的差异

图7、热流道系统内温度和粘度的差异

问题是,在各处均匀的区域粘度不受影响,在高剪切速率下只影响到材料。在压力作用下,低粘度物料流动更加容易,所以低粘度区域流动得更快,从而造成充填不平衡的问题。如果不平衡问题是足够大,一些模腔将填充太早,在那些模腔将导致高压并有可能溢料。此外,在充填即将结束之际,该进程会要求减缓注射速度,可能产生注射不足的模腔。如果它们可被量化理解,就可以修复这些问题。对这种问题我不会试图反复试验。许多年前我做了一次,在我的嘴里留下了“恐怖的味道”,是曾经最糟糕的“炖菜”。

图8、部件内较高和较低的胶料焦烧

图8、部件内较高和较低的胶料焦烧

胶料焦烧结果表明在填充过程中有多少材料被硫化。在橡胶成型行业,为了在填充过程中开始实施高剪切,浇口的尺寸有时会减少。由于增加剪切,聚合物温度将上升,这将最终在材料充填过程中启动硫化。如图8所示,采用虚拟成型可易于确定较高和较低的烧焦区域。

用户数值范围为胶料焦烧值设置为2%,这意味着数值1的结果表明可完全实现2%或更高的硫化度。黄色区域指示较高程度的胶料焦烧(或过早交联)。如果模具温度降低或材料剪切较小,胶料焦烧值可以较低。

图9、示踪粒子堆积在熔接线上

图9、示踪粒子堆积在熔接线上

熔接线会产生于在部件内两种熔体流动前沿的交汇处。当每个熔接线形成时,计算机生成的示踪粒子会自动堆积(图9)。当它们交汇时,用户数值范围显示的温度可用来传达熔体前沿的温度。这些示踪粒子帮助肉眼观察到在熔体前沿背后或在表面之下究竟发生了什么。它们用于注射充填阶段、保压阶段与硫化阶段期间,以评估成型的条件,比如混合聚合物,通过熔接线区域时聚合物流动停滞或重定向。

示踪粒子不仅显示熔接线的位置,而且还提供特定的信息,以确定它们是否将相对较强或较弱。重要参数如流动前沿处的温度、硫化度、压力、接触角和速度,被认为是熔接线强度结果。此信息用于确定在注塑过程中,流体前沿将如何有效地融合在一起。

图10、在脱模时部件内的硫化程度

图10、在脱模时部件内的硫化程度

图10显示当在成型周期结束并打开模具时部件内部的硫化程度。用户数值范围代表硫化程度(%)。相对于蓝色区域(25%的硫化程度),橙色和红色区域达到了较高的硫化程度(90~95%)。

部件被切片以使厚壁内部形象化。从外表面看,部件已完全硫化,但厚壁核心内部却仍未硫化。为了完全硫化这些部件,它们可能需要在成型后放进烤箱。二次硫化也是完全结合到生产阶段中,并且在虚拟成型中也需模拟出来。无论是否愿意更长的硫化周期、更高的模具温度或硫化过程后脱模,我们可以在设计初期就做出决定。虚拟成型中“烤箱”也被计算其硫化持续时间和温度。硫化状态会被监测以便在建模前计算出生产速率和能源消耗。

部件的全面虚拟成型环境包括考虑在每个周期中镶嵌注塑成型嵌入模腔的能力。这些部件的镶嵌注塑成型经常用来提供更高的力学性能。金属嵌件可以预热,或在室温下放进模具中。一旦放置入去,嵌件就与模具进行热量交换,交换速度由它们不同的温度、热物理性能以及其表面接触的量所确定。然而,热交换并不均匀(图 11)。用户数值范围显示温度,并用来传达信息,由于在嵌件和模具/部件之间发生热量交换,嵌件并不总是到处都呈现相同的温度。

图 11、金属嵌件内非均匀温度梯度

图 11、金属嵌件内非均匀温度梯度

在接触表面,基于热传导还存在热转移,且暴露的表面还会通过辐射与环境交换热量。此种非均匀的温度也会产生非均匀的膨胀,而它可以导致潜在停止或尺寸问题。镶嵌注塑成型嵌件可能会变形,这取决于注射期间的压力或在硫化和冷却过程发生的橡胶不均匀收缩(图 12)。用户数值范围显示原来的嵌件形状会有毫米级的位移。很显然,原始形状只供参考。

这也起因于嵌件设计不具有足够的强度去承受橡胶部件的压力。对于嵌件与模具之间的热交换,接触时间也起着重要的作用,尤其是在需要置入多个嵌件(一次一个)时。这将会产生明显的变化,应该避免。
由于充填注射过程高压力的不平衡,中心梢的偏差也很难量化显示和确定。当熔体压力在中心梢的一侧大于另一侧时,就有可能出现中心梢弯曲。如果真的出现弯曲,那是因为梢不具足够的机械强度以抵抗净压力。

图 12、金属嵌件的变形

图 12、金属嵌件的变形

有种类繁多的模具材料依赖其热物理和力学性能的材料温度数据库,使得这些计算变为可能。如果梢弯曲,充填模式将需要改变以减少压力不平衡(图13)。用户数值范围代表注射充填期间熔体压力(左),导致中心梢发生毫米级的弯曲(右)。为清楚起见,图中弯曲被放大了。

图 13、部件在50%注射充填(左);在注射充填期间中心梢弯曲(右)

图 13、部件在50%注射充填(左);在注射充填期间中心梢弯曲(右)

模具、嵌件、保温隔热垫、加热器和各种聚合物与弹性体的材料数据库已经呈现在虚拟成型数据库中。然而,很多,如果不是大多数,弹性体是定制材料,其属性则可以通过材料测试实验室测量出来。

温度、压力、剪切速率和与时间有关的属性需要虚拟成型仿真,这些属性包括热导率、比热容、流变学、压力容积温度(PVT)曲线和硫化动力学。

所有类型的弹性体都是可能的,包括天然橡胶(NR)、丁腈橡胶(NBR)、氢化丁腈橡胶(HNBR)、 氟橡胶(FKM)、三元乙丙橡胶(EPDM)、丁苯橡胶(SBR)或液体硅橡胶(LSR)。这必须有精确的材料数据以获得准确的结果。

虽然测量这些材料的特性,对于特定的弹性体来说,获得覆盖整个过程范围的数据也是重要的。如果材料将加工在120℉(49℃),那么流变学应该在100℉(38℃)、120℉(49℃) 和140℉(60℃)测量,以取得在初始温度±10℃下显示的材料行为。如果模制将在 350℉(177℃)下操作,则硫化度曲线应在 330℉(166℃)、350℉(177℃)和370℉(188℃)下测量。

提供各种模型,以适合在虚拟成型数据库内的材料数据。流变学模型包括阿伦尼乌斯公式、卡罗WLF材料模型,卡罗安田WLF粘度模型和插补粘度。对于反应动力学,常见的模型是卡莫尔和登·伊萨耶夫(Kamal and Deng-Isayev)。同样,各种模型也包括针对适合PVT,针对硫化收缩率的计算,以及反应性粘度数据。

总体而言,虚拟成型是完全不同的方法来了解注塑成型弹性体,因为整个模具、材料性能和加工过程完全相联和估算多个连续成型周期来匹配真实的生产环境。自动划分网格和加工过程的特定用户界面支持这种全面的运算。

各种工具,如X射线、裁剪、数值范围、缩放、旋转等,可以用于显现、评估和交流成型问题和根源,以获得可量化的解决方案。例子清楚地标识多个潜在的弹性体成型问题和一些潜在的解决方案。虚拟成型是使得生产变得可见的一种独特的方法。


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