基于Moldflow 的注塑件模流分析與優化

陳如香，劉改霞，戴坤添，胡一博，張國軒，何 銘

（哈爾濱工業大學（深圳）實驗與創新實踐教育中心，廣東 深圳 518055）

模具行業是一個高新技術密集型，而且又重視經驗的產業。隨著工業的飛速發展，塑料制品用途日益廣泛，依靠人工經驗來設計模具已經不能滿足需要，企業越來越多地利用注塑模流分析技術來輔助塑料模具的設計。利用注塑模流分析技術，能預先分析模具設計的合理性，減少試模次數，加快產品研發，提高企業效率。Moldflow 是一款用于塑料產品、模具的設計與制造的專業軟件，可以模擬整個注塑過程及這一過程對注塑成型產品的影響，可以評價和優化組合整個過程，可以在模具制造前對塑料產品的設計、生產和質量進行優化，為企業產品的設計及制造的優化提供了整體的解決方案，幫助技術人員完成整個流程中各個關鍵點的優化工作。

某單位正在開發一套注塑模具，注塑件為小盤子，如圖1 所示。如果模具設計不合理、材料選擇不合適或注塑成型過程中工藝參數設置不合理，生產的注塑件可能產生翹曲變形、飛邊和熔接痕等質量缺陷，成型周期長等問題。為了提高模具開發效率，縮短開發周期，減少試模次數，提高產品合格率，在模具開發之前使用Moldflow 軟件對注塑件注塑成型過程進行模流分析，先確定最佳澆口位置，通過注塑件填充分析、保壓分析和翹曲分析等成型分析計算，預測注塑件可能存在的質量問題，最終通過優化方案的分析，為注塑件選擇最佳材料，提高產品質量，提高注塑件的生產效率和合格率，縮短產品開發周期，降低模具開發成本。

1 注塑件模流分析

1.1 模型建模及前處理

注塑件三維模型如圖1 所示，外形尺寸為140 mm×85 mm×3 mm，壁厚為1.5 mm；采用3D 實體網格模型，進行有限元網格劃分，全局網格邊長1.3 mm，創建小盤子的CAD 網格模型，總共有822 409 個網格單元，診斷并修網格模型，平均縱橫比為7.38，如圖2 所示。

圖1 注塑件三維模型

圖2 注塑件網格模型

1.2 最佳澆口位置分析

澆口位置的設定直接關系到熔體在模具型腔內的流動，從而影響聚合物分子的取向和產品成型后的翹曲，因此選擇合理的澆口在模具產品的設計中是十分重要的。

在模具設計階段可以借助Moldflow 強大的分析能力，綜合考慮流動阻力和流動平衡，給出最佳的澆口位置，以保證流動的平衡性，合理地設計模具系統和澆口位置，避免一些潛在的問題，提高一次試模成功率，從而縮短產品的設計和上市周期，大大降低生產成本，提高企業競爭力。

澆口位置分析的結果可以作為澆口位置設置的重要考慮信息，澆口位置的設置要充分考慮到熔體的流動、注塑制品的外觀質量、成型制品的力學性能和模具設計制造等方面的因素。Moldflow 中的澆口位置分析模塊，可以用來為設計分析過程找到一個初步的最佳的澆口位置，對設計會有很好的參考價值。

模流分析選擇“澆口位置”。

注塑件選擇默認的材料PE，制造商為Dow Chemical Europe，牌號為KS 10100 UE。

工藝設置選擇默認值即可，進行分析計算。

澆口位置分析結果如圖3 所示，包括澆口匹配性和流動阻力指示器，可以看到注塑件的底部中心位置是最佳澆口位置。

圖3 澆口匹配性

根據澆口位置分析結果，將注塑件的底部中心節點作為進澆口，如圖4 所示。

圖4 澆口位置設置

1.3 分析序列及成型工藝設置

分析序列可根據需要，選擇填充、填充+保壓、快速充填、填充+保壓+翹曲、冷卻、冷卻+填充+保壓+翹曲、成型窗口、澆口位置、冷卻（FEM）和冷卻（FEM）+填充+保壓+翹曲等分析類型。

本案例注塑成型工藝選擇系統默認設置，工藝參數包括模具表面溫度、熔體溫度、注塑壓力、保壓壓力、保壓時間和冷卻時間等。

注塑件模流分析類型選擇填充+保壓+翹曲，分析小盤子注塑成型過程中的熔體流動行為，保壓階段對注塑件質量的影響，以及翹曲變形量和影響因素。工藝參數直接選用系統推薦的默認值即可。

小盤子模型前處理及分析參數設置完成，選擇分析，開始進行分析計算。

1.4 模流分析結果分析

注塑件模流分析結果如圖5 所示，小盤子的填充時間是0.869 4 s，流動前沿溫度為227～232.7 ℃，速度壓力切換時的壓力為44.26 MPa，在30.84 s 時體積收縮率較大為19.68%，平均體積收縮率為3.103%～18%，但是翹曲變形量太大，達到1.43 mm，翹曲變形高達10.21%；注塑的熔接線位于最后填充位置，在注塑件邊緣，不會對注塑件的質量和外觀產生不利的影響。同樣，氣穴也位于注塑件的邊緣，即分型面位置，通過分型面可以起到排氣的作用，對注塑件基本沒有影響。

圖5 模流分析結果

通過以上分析，注塑件的主要問題在于體積收縮率很大，從而導致翹曲變形比較嚴重。因此要優化注塑件的質量，必須從減小體積收縮率的角度出發，控制各個方向的體積收縮率，即可減小注塑件的翹曲變形量。

2 注塑件優化分析

根據注塑件模流分析的結果分析，注塑件翹曲變形量太大的原因在于體積收縮率太大，而在不更改產品結構的前提下優化產品的質量，可以通過更換材料的方式來達到減小體積收縮率，減小因各向體積收縮不一致而導致的翹曲變形，比如選用PS 材料，制造商為INEOS Styrolution，牌號為Styrolution PS 1300，通過Moldflow 優化分析，分析結果如圖6 所示。

圖6 優化方案模流分析結果

通過優化方案的模流分析結果可知，注塑件的體積收縮率從19.68%減小到7.588%，平均體積收縮率從18%減小到6.173%，總的翹曲變形量從1.43 mm 減小到0.578 7 mm，翹曲變形從10.21%降低到4.13%，優化的效果還是比較明顯的，見表1。

表1 Moldflow 模流分析結果對比

3 結論

應用Moldflow 模流分析技術，針對新開發的注塑件進行輔助設計，預測模具設計方案可能存在的質量問題并進行優化設計和分析，結果表明，通過Moldflow 模流分析技術，注塑件的翹曲變形量由1.43 mm 減小到0.578 7 mm，翹曲變形由10.21%降低到4.13%，為注塑件的開發提供參考，從而避免單純靠經驗評估可能出現的失誤，避免模具反復試模修模而增加的開發成本和開發周期，同時可明顯改善產品成型質量，具有非常重要的意義。