基于CAE的掃料斗雙射重疊注塑成型工藝優化

馮振禮，肖國華，陳永剛*

(1. 寧波如意股份有限公司，浙江 寧波 315600；2. 浙江工商職業技術學院 機電工程學院，浙江 寧波 315012)

雙射成型是兩種塑料在同一臺注塑機上注塑，分兩次成型，但是產品只出模一次的注塑工藝。一般這種模塑工藝也叫雙料注塑，通常由一套模具完成，且需要專門的雙射注塑機[1-3]。塑件成型時的雙射注塑、帶塑件鑲件注塑、部分模內組裝塑件、鋼制嵌件注塑、模內裝飾注塑成型(IMD)等，都可以采用Moldflow軟件中的重疊注塑來進行模流分析[4-5]。重疊注塑分析中，CAE模型構造的步驟是： 1)對塑件中的兩種不同材料、形狀的塑件分別構建其CAE雙層面網格模型、澆口、流道等，而后將模型導出為udm格式的中間傳遞模型；2)再次新建CAE分析任務后，先將重疊分析所需的第二部分udm格式網格加入模型中，并將所有網格、澆口、流道等的屬性設置為“第二次注塑”；3)將第一部分的udm網格通過添加方式再次添加進來；4)針對兩部分塑件的材料，分別對應設置，并設置好兩部分模型的進膠位置及工藝參數；5)優化工藝參數，獲得能滿足實際注塑成型要求的工藝參數[5-6]。重疊分析能依照注塑先后順序，合理地分析出第二次注塑的工藝參數使用要求，并能實時觀察到第二次注塑時，料流對第一次成型后塑件的作用，指導模具設計者合理設計澆口位置，防止飛邊及沖料等潛在問題的出現。通過優化可確定兩種材料各自的最優工藝參數組合[6-10]。本文通過采用兩種不同塑料重疊注塑成型某掃料斗的實際案例，討論了基于CAE重疊優化分析的模具結構設計方法。

1 掃料斗塑件模型

由UG軟件造型所獲得的掃料斗塑件3D模型圖如圖1所示。塑件由兩種不同材質按先后順序注塑而成，其主體件為ABS硬質塑膠，其唇部位置采用TPU軟質塑膠，兩者復合注塑而成。

圖1 掃料斗塑件3D模型

塑件的外形規格尺寸為236 mm×340 mm×62 mm，如圖2所示。塑件前部位斗內寬218 mm，斗外沿為翻邊增強槽；尾部的柄寬23 mm，柄長111 mm；前部設置的唇部尖形鏟邊寬14 mm，厚度為2 mm，長211 mm。

圖2 塑件結構尺寸(單位： mm)

2 重疊注射模具設計存在的問題

塑件的成型要求為雙射同模注射成型，采用ABS塑料+TPU橡膠來對塑件進行雙射重疊成型，過程如圖3所示。第一步成型時，通過G1熱流道澆口對塑件的基體件L1進行注射成型，而后改變塑件的模腔形狀，采用G2澆口對附加件L2注射TPU硬膠層，從而達到在基礎件L1的前端增加一個保護件L2的目的。在模具設計時有以下幾處需要重點注意： 1)本塑件主件L1的體積及形狀復雜程度遠大于附加件L2，如果單純依據傳統的雙射模結構形式來設計兩副子模具，分別做兩次注塑，明顯浪費；2)傳統的雙射模需要進行兩個模腔的成型互換，模具結構相對較為復雜，特別是互換時型腔與型芯的定位要求比較高；3)最好是無流道注塑或者流道廢料自動脫離；4)二次注塑時要避免對第一次注塑成型塑件進行過度沖刷和擠壓，以避免第一次成型塑件變形而導致二次注塑產生飛邊，結合塑件的注射成型CAE輔助分析，可將第一次注塑成型的塑件適當做大一些，通過第二次成型的型腔壁將一次成型的塑件周邊壓緊，以保證二次成型模腔的密封性；5)盡量將二次成型的注塑壓力控制在一定的范圍內，以避免其沖刷第一次成型塑件使其缺料或者使注射膠位變形，產生二次注射漏膠；6)應防止頂出機構回位不準確而造成第一次注射成型塑件的位移；7)模腔的冷卻應考慮塑件的形狀，保證塑件能獲得均衡冷卻[6]；8)注射時，應能保證首先注射硬膠ABS，然后再注射軟膠TPU[7]；9)單次注射時，模腔的澆注系統對模腔的充填性能要好，降低注射難度[8]。

圖3 雙射成型路徑

針對此塑件雙射注射的難點，可以采用如下解決方法： ①針對第1)，2)項難點，因為附加件L2體積較小，可以通過模具結構創新的方式解決，即在主體件L1的模具結構上增加一個開閉機構，用單副模具實現雙射注塑的效果；②針對第3)～5)項難點，可以通過設置可控式熱流道閥嘴進行注射來解決；③針對第6)項難點，須在確定模具結構后，采取適當的機構設置解決；④針對第8)項難點，可專門設計一種垂直式雙料筒注塑機實施注塑。對于第9)項難點，須分別選定合適的L1，L2澆口位置，通過模流分析來確認，先優化單腔的充填性能，而后再進行兩腔重疊注塑的工藝參數優化[11-13]。

此塑件雙射重疊注塑模具結構設計的關鍵一步，是塑件重疊雙射成型過程的仿真分析，以便妥善解決潛在的問題，避免造成生產浪費。

3 塑件層疊/雙射成型CAE分析

在Moldflow軟件中，重疊注塑分析模塊用于分析兩個連續射出的重疊注塑零件，包括3種基本類型： 1)二次順序重疊注塑，先將第一種材料注射到一個封閉的型腔中，然后通過移動模具或型芯來創建第二個型腔，同時將第一個組件作為第二次注射另一種材料的鑲件，通常要對材料進行特殊的選擇以使它們能夠借助注射第二種材料時所產生的熱量結合在一起，這樣可以避免使用黏合劑黏合已成型的零件，從而生產出堅固耐用的高光潔度多材料零件；2)多射注射成型和鑲件重疊注塑，即在同一個成型周期中將多種材料注射到型腔中；3)鑲件重疊注塑，即在注射第二種材料之前先將預成型鑲件放在模具中。在設計重疊注塑零件時，鑲件和重疊注塑組件的壁厚應盡量均勻，避免采用加強筋或尖角以減少流動問題。與單射注射成型零件相比，重疊注塑零件所需的冷卻時間更長并且冷卻系統的效率更低。鑲件起著絕緣體的作用，使得熱量從零件中散發出去的效率更低。借助于CAE分析對冷卻系統進行優化有助于減少周期時間[2-5]。

進行CAE重疊分析時，分析步驟為兩步： 首先在第一個型腔上執行常規填充+保壓分析(第一個組件階段)，然后在重疊注塑型腔上執行填充+保壓分析(重疊注塑階段)；對第二個型腔的連續重疊注塑階段使用與第一個分析不同的材料，并將第一個組件溫度作為初始溫度[3-6]。因此，分析時首先應為兩個組件分別劃分網格、創建計算方案，然后為這兩個組件的重疊注塑分析創建一個新方案。

本塑件模具設計前，先應用CAE分析弄清以下問題： 1)第一次注射塑件的充填情況；2)第二次注射成型的充填情況，及二次注射時熔融材料對一次成型塑件的影響；3)兩個模腔各自的冷卻效果；4)優化兩次注塑的成型工藝參數。

3.1 CAE模型

重疊注塑時，兩種材料的熔點的溫度差，必須控制在30～60℃之間，第一射的材料的熔點溫度高，一般第一射是PC或PC/ABS，第二射是TPU或TPE[3-4]。塑件厚度設計上，PC或者ABS硬膠厚度一般厚0.6～0.7 mm，TPU軟膠厚度在0.4 mm以上。塑件設計時盡量加寬接觸面積，做溝槽等增加黏合合力，或第一射采用抽芯，第二射部分材料注塑到第一射里面，第一射模具表面盡量做得粗糙[12-15]。

CAE模型分3個模型來構建，第一次注射的模腔CAE模型如圖4(a)所示，第二次所需模型的單獨CAE模型如圖4(b)所示，兩種材料重疊注射的CAE模型如圖4(c)所示，其分析方案如圖4(d)所示。

(a) L1模型

(b) L2模型

(c) 重疊模型

(d) 重疊分型流程

CAE模型的主要參數如下：

1) L1雙層面網格模型的匹配率為92.3%，其熱流道澆口G1的直徑為1.2 mm，冷卻管道直徑為10 mm，共12條，型腔管道為A1～A7，型芯管道為B1～B5，如圖4(a)所示。相應的材料選用為ABS，材料牌號為Triax 1790 INEOS ABS[10]。該材料的模溫較高，其冷卻需要采用油溫來進行冷卻。

2) L2雙層面網格模型匹配率為97.2%，其熱流道澆口G2的直徑為1.2 mm，不設冷卻管道，如圖4(b)所示。相應的材料選用為TPU，材料牌號為Estaloc 59300[11]。

CAE分析包括3步： 第一步是針對圖4(a)所示模型進行冷卻+充填+保壓+翹曲分析，確定第一腔的注塑成型條件；第二步是針對圖4(b)所示模型進行充填+保壓+翹曲分析，確定第二腔獨立成型所需的注塑成型條件；；第三步是針對圖4(c)所示重疊注塑模型，依據圖4(d)所示分析方案進行充填+保壓+重疊注塑充填+重疊注塑保壓分析，獲取重疊注塑成型的優化工藝參數，為模具結構設計提供參考。

3.2 L1基體件的CAE分析

針對L1基體件的分析目的在于了解其模腔的充填性能、冷卻效果、翹曲變形大小，及潛在的品質缺陷，并優化注塑工藝參數。在軟件的“熱塑性注塑成型”模塊中選擇“冷卻+充填+保壓+翹曲”功能，其優化分析結果如圖5所示。由圖5(a)可知： 1.4 s左右即可將型腔充滿，唇端為充填末端，柄端在充填中途時刻充滿，在唇端充填結束時，尾端的充填壓力約為24 MPa，低于30 MPa，因而塑件不會產生飛邊；料流在模腔內流動性好；從熔接線、縮痕、氣孔等結果得知，這些潛在缺陷在本塑件CAE優化后，基本已得到消除。冷卻結果表明，圖5(c)中所設置的管道冷卻效果良好。翹曲結果表明，唇端位置的最大翹曲為2 mm左右，通過第二注塑的壓力可將變形壓回，因而可以認為： 優化后的塑件能滿足二次充填所需要求。

(a) 充填時間

(b) 充填壓力

(c) 冷卻液溫度

(d) 翹曲變形

塑件的優化成型工藝參數為： 熔體溫度280℃，模溫90℃，開模時間5 s；注射時間1.5 s；注射壓力50 MPa，分3段保壓，分別為35 MPa—3 s，30 MPa—4 s，20 MPa—5 s；冷卻油入口溫度25℃。

3.3 L2附加件的CAE優化分析

L2層的獨立模型優化分析結果如圖6所示，分析模塊為“熱塑性注塑成型”，分析方式同樣采用“冷卻+充填+保壓+翹曲”。由圖6可知： 橡膠件在模腔內充填時間為0.6 s左右，其流動前沿溫差在20℃以內，流動性能良好，如圖6(a)所示；充填末端壓力最大為27 MPa，充填壓力要求不高，末端的充填壓力為2.2 MPa左右，壓力充足，不存在充填不足問題，如圖6(b)所示；注射時的最大剪切力出現在澆口位置處，為1.85 MPa，低于材料抗剪切最高值2.6 MPa，如圖6(c)所示，不存在燒焦問題；變形最大為0.4 mm左右，變形不大，如圖6(d)所示。整體而言，采用G2澆口所對應的澆注系統，能較好地實現L2附加件的注射充填。

L2塑件優化后的成型工藝參數為： 熔體溫度240℃，模溫74℃，開模時間5 s；注射時間0.6 s；注射壓力52.4 MPa，分3段保壓，分別為40 MPa—2 s，30 MPa—2 s，20 MPa—4 s。

3.4 L1-L2組件重疊注塑分析

構建圖4(c)，4(d)所示的重疊CAE分析模型，分以下幾個步驟進行： 1)新建CAE分析方案；2)將P1層的優化網格模型先導出為udm模型，然后再導入層疊分析方案中，并歸并為同一屬性層中，將所導入的所有流道、澆口、單元網格等在屬性設置中全部設置為“第一次注塑”；3)在層疊分析方案中，通過模型“添加”方式，將P2/P3層優化的網格方案導入，并對所導入的流道、澆口、單元網格等在屬性設置中全部設置為“第二次注塑”，最終優化的分析結果如圖7所示。

(a) 充填時間

(b) 充填壓力

(c) 剪切應力

(d) 翹曲變形

(a) L2充填末端壓力

(b) L2總體溫度分布

(c) L2剪切應力

(d) 熔接線

從優化結果來看，重疊注塑時，二次充填所需的壓力要求不高，為4 MPa左右，不會對一次注射成型的塑件形成沖刷，且整體溫度表明： 二次充填注塑完畢時一次成型件溫度已經降到90℃左右，完全固化了，二次充填TPU的整體溫度控制在230℃左右，不會對一次成型塑件形成二次熔化。二次充填時，料流流動產生的剪切應力較低，塑料無高壓充填情況。充填時的內部的成型質量也比較好，如圖7(d)所示的熔接線非常少。從CAE優化的結果可以看出，采用優化工藝參數能滿足塑件的二次重疊成型。

綜上，第一次充填的優化參數結果為3.2節所列結果，第二次優化參數結果為： 開模時間5 s，注射時間0.6 s；熔體溫度240℃，模具溫度90℃；注射壓力20 MPa；分3段保壓，分別為15 MPa—4 s，10 MPa—3 s，5 MPa—4 s。

4 模具設計

根據CAE的分析結果，設計了兩腔形式布局、兩板熱流道雙射模具結構，如圖8所示。針對單腔的雙射成型設計，為了改變模腔狀態，采用圖8(c)所示機構，用油缸驅動二次成型活動鑲件構成組件來實現此功能。如圖8(c)所示：

(a) 模具動模

(b) 模具定模

(c) 模具機構件的安裝

當雙射進行第一注塑時，驅動油缸驅動二次成型活動鑲件上移，對二次成型模腔進行封閉排出，這樣，G1澆口只能對L1件形狀的模腔區域進行充填注射；第一次注射完畢后，待塑件冷卻到一定溫度后，驅動油缸下行，帶動二次成型活動鑲件下行，讓出二次成型所需的模腔空間，此時，G2澆口開始注塑，完成L2件的注射成型。針對模具的成型要求，選用一種經過改造的帶有雙料筒的注塑機。

5 結論

針對某掃料斗塑件需采用ABS和TPU兩種材料同體成型的需要，在產品結構分析的基礎上，確定采用雙射成型的工藝。通過CAE模流分析先對塑件雙射成型獨立模腔所需的澆注系統進行數值分析，獲得了單腔成型所需的最佳注塑成型工藝參數，再運用CAE重疊分析獲得了塑件第一、第二次重疊注射成型所需的最佳工藝參數。根據CAE模流分析結果，設計了塑件成型所需的一模兩腔兩板式熱流道雙射注塑模具，其中采用移動成型鑲件構成前后兩次注射成型所需的模腔，機構簡單實用，可有效地降低模具的制造成本，實現塑件非旋轉式雙射成型，大大降低塑件的制造成本，提高了生產效率。