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1、注塑变形问题诊断徐昌煜Charles Hsu2010年4月20日于上海亚龙国际酒店,半结晶塑料的收缩率较高，这些塑料因在平行和垂直于熔胶流动方向有着不同的收缩率，使得问题变得复杂。这问题又因工艺条件改变致使结晶度变化而更形复杂。如果塑料冷却得慢，结晶度和收缩率都会增加。The semi-crystalline plastics has higher mold shrinkage factors.These materials have the additional problem of different shrinkage factors parallel to and perpendicu
2、lar to the direction of melt flow.This problem is further compounded by variations in the degree of crystallinity caused by changes in molding conditions.If the material is cooled slowly,there will be an increase in crystallinity and mold shrinkage.,收缩Shrinkage,4.设备与仪器4.1 注射成型机所选用的注射成型机的温度控制应满足材料所需的
3、熔融温度范围；在其额定注射量的1/23/4范围内操作并能充满试样模具；需配置不同的螺杆以满足不同类型热塑性模塑成型的需要。4.2 试样注射模具测量平行于料流方向的收缩率所用模具型腔尺寸12.7mm x 127mm x 3.2 mm，端浇口尺寸为宽6.4mm，深3.2mm。4.2 量具能测量试样和相应模腔尺寸的量具均可使用，精度为0.02mm。,热塑性塑料注射成型收缩率的测定Determination of Shrinkage for Injection Moulding Thermoplastics GB/T 15585-1995,7.结果表示7.1 模塑收缩率(MS)按下式计算：L0 L1M
4、S=-x 100 L0式中：MS 模塑收缩率，%；L0 模腔尺寸，mm；L1 试样尺寸，mm。7.2 试验结果以5个试样的算术平均值表示。不同方向的收缩率应分别表示。,热塑性塑料注射成型收缩率的测定Determination of Shrinkage for Injection Moulding Thermoplastics GB/T 15585-1995,PC,广东省东莞市,2005.1.5.,2004年12月8日记录：陆经理：此一Desktop PC塑件，收缩率该用多少？郑经理：按照书上的数据：ABS收缩率的高值是0.6%，低值是0.4%，可用其平均值0.5%。林经理此一Desktop P
5、C塑件(厚度2.5mm)和TFT LCD显示器前框的尺寸(包括厚度)相近，材料都是ABS，根据本厂成型TFT LCD显示器前框的的经验，收缩率可以采用0.35%。对错：是郑经理对？还是林经理对？如果是某 一位经理不对，那么他错在那里？,收缩Shrinkage,发表的收缩率，是以3.175mm(1/8吋)的壁厚为准。The published mold shrinkage data is based on a molded part with a 3.175mm(1/8 inch)wall thickness.,收缩Shrinkage,冷却不均Differential Cooling,收缩不均D
6、ifferential Shrinkage,取向效应Orientation Effects,找出残余应力的主要原因Find the Major Cause of Residual Stress,C.Hsu:型腔表面方向不同区域的收缩不均。,C.Hsu:流向和垂直流向的收缩不均。,C.Hsu:型腔厚度方向不同分层的收缩与中心面不对称。,如果主要原因是If the Major Cause is,检查浇注系统为首 Check the filling system,firstly：熔胶流动是否平衡?Is the melt flow balanced?流长/壁厚比是否太大?Is the flow len
7、gth/thickness ratio too large?型腔厚度差异是否太大?Is the cavity thickness variation too big?检查冷却系统为次 Check the cooling system,secondly：同侧(动模侧或定模侧)的冷却是否均衡?Is the cooling on the same side(core side or cavity side)even?,收缩不均Differential Shrinkage,C.Hsu:型腔表面方向不同区域的收缩不均。,如果主要原因是If the Major Cause is,检查冷却系统 Check
8、the cooling system：型腔厚度方向(或动定模之间)的冷却是否均衡?Is the cooling,along the cavity thickness direction(or between the core and cavity sides),even?,如果主要原因是If the Major Cause is,检查浇注系统 Check the filling system：熔胶是否是单一方向流?Is the melt flow uni-directional?熔胶前沿在型腔中是否以常速推进？Does the melt front advance,in the cavity,
9、at a constant speed?,后机筒改善分析报告,塑料信息,公称壁厚:3mm注塑原料:PA6-GF30原料信息:manufacture:KINGFA trade name:PA6-G30 N-103 Mold surface temperature:90C Melt temperature:280C Maximum shear stress:0.5MPa Maximum shear rate:60,000 1/s,Viscosity,PvT,原始分析方案,采用两板模、侧进胶(如图所示),由图可知，熔胶前沿并没有同时到达产品底面，流动不平衡。,FillTime,熔胶流动是否平衡?Is
10、 the melt flow balanced?,Deflection，all effects：Deflection,产品的整体变形量为：0.6093mm0.1709mm(变形放大10倍后的效果图),产品底面红圈处外胀，会在产品装配时出现松动现象。这与实际情况一致。,A,B,A点外胀大约0.08mm；B点外胀大约0.09mm。,Deflection,all effects:Z component,Z方向变形量:0.3621mm-0.3549mm(变形放大10倍后效果图),改进方案一,在产品内部增加筋位以改善熔胶的流动(右图所示)，如左图所示，在相关部位增加壁厚，降低流阻，使得两侧熔胶流动平衡。
11、,Fill time:1.252s,由充填效果图可知，在经过产品壁厚调整后，塑流流动较为平衡，熔胶前沿比较同时地到达底部开口缘。,Fill Time,产品的整体变形量为：0.5279mm0.1849mm(变形放大10倍后的效果图),由产品整体变形图可知，产品底面整体内缩，使得其与原方案相比有所改善。,Deflection，all effects：Deflection,A,B,由分析结果可知，A点内缩大约0.12mm，B点内缩大约0.13mm。(原始设计：A点外胀大约0.08mm；B点外胀大约0.09mm。),Z方向变形量：0.3001mm-0.3102mm(变形放大10倍后效果图),Defle
12、ction,all effects:Z component,在产品图示位置增加溢流井，以达到充填平衡的目的。,改进方案二,Fill time：1.160s,由充填效果图可知，在增加溢流井后，达到了充填平衡的目的。,Fill Time,产品的整体变形量为：0.7048mm0.1763mm(变形放大10倍后的效果图),由产品整体变形图可知，产品底面整体内缩，使得其与原方案相比有所改善。最大变形处发生在溢流井的位置，如图所示。,Deflection，all effects：Deflection,A,B,由分析结果可知，A点内缩大约0.10mm，B点内缩大约0.08mm。(原始设计：A点外胀大约0.0
13、8mm；B点外胀大约0.09mm。),Z方向变形量:0.3361mm-0.3261mm(变形放大10倍后效果图),Deflection,all effects:Z component,设计变更后，流动较为平衡，使得产品侧壁由外胀变为内缩，变形有了明显的改善。建议尝试。,比较,后机筒,后机筒，PA6-GF30，变形，2008.7.22.,由前一个案例可以得到一个概念：模具型腔关键尺寸能够加工到加减几个(百万分之一米)不一定算得上精密模具，因为成型脱模后的塑料件的关键尺寸在定型后有可能变成加减几个mm(千分之一米)。所以：塑料注射成型模具要达到精密的要求，要点在于如何控制塑料的收缩和变形。,精密塑
14、料注射成型模具的要点,电剪刀齿轮,PA6-GF30,一出四模,大的齿顶圆真圆度(最大直径-最小直径)：型腔18丝;成型品15丝,转动时震动,发噪音,2009.4.13.,电剪刀齿轮,PA6-GF30,一出四,大的齿顶圆真圆度(最大直径-最小直径)：型腔18丝;成型品15丝,转动时震动,发噪音,2009.4.13.,电剪刀齿轮,PA6-GF30,一出四模,大的齿顶圆真圆度(最大直径-最小直径)：型腔18丝;成型品15丝,转动时震动,发噪音,2009.4.13.,电剪刀齿轮,PA6-GF30,一出四模,大的齿顶圆真圆度(最大直径-最小直径)：型腔18丝;成型品15丝,转动时震动,发噪音,2009.
15、4.13.,C.Hsu:1.浇口大小不一、2.浇口位置未优化、3.流动不平衡。将来浇口位置和直径优化后,应明示浇口直径公差和浇口位置公差。,流动平衡 Flow Balance,就单型腔而言，流动平衡意味着熔胶前沿于同一时间抵达型腔各末端；就多型腔而言，流动平衡意味着熔胶前沿于同一时间抵达各型腔末端。同一型腔的浇口数目相同时，流动平衡的浇口设计所须的射压与锁模力最低。流动平衡的设计，熔胶的压力、温度以及体积收缩率分布均匀，质量均一。流动平衡是注塑产品和模具设计最重要的原则之一。,几何平衡与流变平衡是达到充填平衡的必要条件。高速注射时，熔胶速率较大，流道的外围的剪切速率较大，摩擦生热较多，熔胶温度
16、较高而黏度较低。,兼顾几何平衡(geometric balance)与流变平衡(rheological balance),见下图，当熔胶进入次分流道2x(1+2+3)时，2支1号次分流道获得较多外围的热熔胶，2支3号次分流道获得较多中央的冷熔胶。热熔胶流淂快而多，冷熔胶流得慢而少，最终会导致靠近分流道内侧的型腔先充填满。,电机风叶轮,PA6-GF45,震动,噪音,兼顾几何平衡(geometric balance)与流变平衡(rheological balance),在这个产品中，采用6个浇口进胶(如左下图所示)，由于熔胶转折角度ABC，使得产生的熔胶温度高低为：浇口1 浇口2 浇口3，从而使得
17、流变不平衡非常明显(见右下图)。为了充填平衡，调整浇口或降低射速，工艺窗口都不宽，最好是在设计阶段就能兼顾几何平衡与流变平衡。,兼顾几何平衡(geometric balance)与流变平衡(rheological balance),改善风叶轮动平衡的新型模具结构,一、传统模具结构出现的问题,传统三板模具结构,在三板模具中，一般认为只要保证冷流道的尺寸一致或保持浇注系统几何对称，就可以使得产品的充填达到平衡。,但是在实际注塑成型时却发现，流道及产品的充填都出现了不平衡现象。,实际注塑成型情况,动平衡、偏摆产生超差的原因,1,2,3,由于流动的不平衡，造成流经浇口1的熔胶质量小于浇口2和3，这样使
18、得风叶中，浇口1周围的熔胶密度小于浇口2和3周围者，由于整体密度分布不均，高速旋转时所产生的离心力不同，导致动平衡超差。,为了达到流动平衡，减小动平衡误差，增加浇口1的尺寸，虽然充填达到了平衡，但是当保压时，由于浇口2和3尺寸较小，先冻结，而流经浇口1的溶胶又增加，从而又造成密度分布不均，导致动平衡超差。,1,2,3,二、导致动平衡、偏摆超差过大的问题分析,在浇注系统尺寸相同的情况下为什么会出现充填不平衡现象？,通过Moldflow分析，也预测出在浇注系统尺寸相同情况下出现的充填不平衡现象。,a,a,c,c,b,b,截面a-a,截面b-b,截面c-c,剪切速率图,通过对剪切速率图的分析，发现在
19、流道转角位置的剪切高于其它位置。,1,2,2,剪切速率图,a,a,截面a-a,从剪切速率图可知，分流道2的蓝圈位置处的剪切速率明显大于分流道1处，分流道2中塑流较快，流动不平衡。,三、改进风叶动平衡及偏摆的新型模具结构,a,a,c,c,b,b,截面a-a,截面b-b,截面c-c,由剪切速率图可知，浇注系统进行更改后，各个分流道的剪切速率相差很小。,Moldflow分析验证(剪切速率),1,从剪切速率图可知，采用四板模结构后，在分流道1处的剪切速率相差很小，从而保证了熔胶在流经各个分流道时都能达到相同的温升，从而使得流动性相同，达到了充填的平衡。,1,1,a,a,截面a-a,Moldflow分析
20、验证(剪切速率),通过流动分析可知，新型模具结构能够使得熔胶在产品及浇注系统中保持流动平衡。,Moldflow分析验证(充填),实际试模验证,通过实际的试模验证，浇注系统及产品充填都达到了平衡。将这一新型结构应用于其他风扇也达到了满意的效果。,四、两种方案对比,通过三板模与四板模成本对比可知，由于三板模需要不断进行浇口修整，以使得流动平衡，从而使得修改模次数增加，修改模成本增加；而采用四板模后由于一次试模即达到客户的要求，所以与三板模相比减少了成本，提高了一次试模成功率，缩短了交模周期。,五、结论,1、采用四板模具结构，可以有效的预防产品由于剪切所造成的流动不平衡现象，从而解决了风叶产品的动平
21、衡及偏摆问题，使得产品提高了一次试模成功率，并为公司节省了修改模费用。2、通过Moldflow分析模拟可以有效的预测产品中类似问题的发生，为以后解决此类问题打下基础。,减少洗衣机面板的变形,产品：洗衣机面板 材料：ABS模具：采用1个浇口简述：日本产品设计。泰国模具设计。产品变形后，装配困难。问题：变形,压力(原始设计)Pressure(Original Design),Max entrance pressure:50.6 MPaClamp force:165.6 m-ton,变形(原始设计)Shrinkage&Warpage(Original),流长/壁厚比是否太大?Is the flow
22、length/thickness ratio too large?,Pressure(Revised),变形(改善设计)Shrinkage&Warpage(Revised),Max entrance pressure:43.8 MPaClamp force:111.6 m-ton,总结 Summary,减少洗衣机面板的变形,产品设计:模具设计:从1个浇口改成2个浇口，并置于客户允许加浇 口区域中相对流动平衡的位置。工艺设计:,翘曲Warpage,PC,江苏省苏州市,变形,2009.4.17.,PC,江苏省苏州市,变形,2009.4.17.,刚出模时concave downward,之后conc
23、ave upward as shown,同侧(动模侧或定模侧)的冷却是否均衡?Is the cooling on the same side(core side or cavity side)even?,斜顶(斜销,lifter)内无冷却孔道。,PC,江苏省苏州市,变形,2009.4.17.,DVD盒的翘曲及锁模力需求Warpage and Required Clamp Force of a DVD Box,DVD盒,PP,广东省珠海市,2002.8.6.,DVD盒,PP,2型腔模,注射时间:1.8秒公称厚度1.3mm,铰链厚度0.18mm,产品简介,产品：DVD Box材料：PP产品尺寸(展
24、开)284x191x9.4mm产品尺寸(合上)136x191x14mm模具为一出二。,产品壁厚分布如上图所示，公称壁厚为1.3mm，侧壁壁厚为1.8mm、1.6mm和0.8mm，中间铰链处最小厚度为0.18mm。,方案比较表,保压切换位置为99%,保压压力为切换时注射压力的80%.模温设定8C；料温设定260C,*第1项没有采用优化的螺杆注射曲线，和使用优化曲线者(第7项)比，射压高出了13%以及锁模力多出了39%。*第2项至第11项采用优化的螺杆注射曲线。,U型曲线(注射压力vs注射时间),DVD盒(PP)模温设定8C；料温设定260C,对应最小射压的注射时间为1.2秒。,U型曲线(锁模力v
25、s注射时间),对应最小锁模力的注射时间为0.6秒。,DVD盒(PP)模温设定8C；料温设定260C,笔记本电脑LCD后盖LCD Back Cover,Notebook Computer,翘曲Warpage,体积收缩率对时间(LCD后盖，笔记本电脑)Volumetric Shrinkage vs Time(LCD Cover,Notebook),固化层比对时间(LCD后盖，笔记本电脑)Frozen-layer Fraction vs Time(LCD Cover,Notebook),体积收缩率 Volumetric Shrinkage(0%,60%),(10%,80%),(100%,80%),体
26、积收缩率 Volumetric Shrinkage(0%,60%),(40%,60%),(100%,60%),体积收缩率 Volumetric Shrinkage(0%,100%),(40%,30%),(100%,30%),Y-位移 Y-displacement(0%,100%),(40%,30%),(100%,30%),保压曲线对Y-位移(LCD后盖，笔记本电脑)Holding Pressure Profile vs Y-displacement(LCD Cover,Notebook),保压曲线对时间(LCD后盖，笔记本电脑)Holding Pressure Profile vs Time(
27、LCD Cover,Notebook),半边脱模角仅0.4,酒瓶包装盒,PET,四川省,crack at 10mm from open end at ejection,2003.7.16.,分析模型,充填时间:8秒保压时间:2秒保压压力:切换时射压的80%入口水温:25C,工艺条件(原始设计),射压与保压压力对时间曲线(原始设计),体积收缩率分布(13.07-1.87=11.20)(原始设计),优化螺杆速率对行程曲线(改善设计),充填时间:1秒保压时间:12秒保压压力:0 5秒：切换时射压的100%5 9秒：切换时射压的60%9 12秒：切换时射压的30%入口水温:25C,工艺条件(改善设计)
28、,优化射压与保压压力对时间曲线(改善设计),体积收缩率分布(11.16-4.44=6.72)(改善设计),注射成型酒瓶包装盒优化设计前后的比较,材料商建议值Max.Shear Stress:0.41 MPaMax.Shear Rate:40,000 1/sMax.Melt Temperature:270C,注射成型酒瓶包装盒优化设计前后的比较,酒瓶包装盒,PET,四川省,crack at 10mm from open end at ejection,2003.7.16.,警讯：定模侧螺旋形水路的入口远离浇口，而动模侧螺旋形水路的入口直达浇口。包装盒侧壁动定模面温差大，易变形，尺寸不稳定。,入口
29、对吗?,酒瓶包装盒模水温分布,酒瓶包装盒模水孔壁温分布,警讯：二螺旋形水路出入口水温差大于5C(动模仁内之螺旋形水路的水温差高达(34.59 25.01=)9.58C。),酒瓶包装盒模水温分布,注意：20C的水在8水路中要成为紊流，流量要在3.8 lit/min以上。二螺旋形水路的流量分别为2 lit/min左右，要确保紊流，尚有不足。,酒瓶包装盒模流量分布,产品：曲线锯外壳 材料：PA6-GF30模具：采用2个浇口简述：上下机壳组装后，合缝明显，于是借助治具来减少合缝。问题：变形,曲线锯外壳变形,材料：PA6-GF30问题：变形,上下机壳组装后，合缝明显，于是借助治具来减少合缝。,曲线锯外壳
30、变形,Case 2：两个侧浇口,Case 1：两个针点浇口,曲线锯外壳变形,2006年2月16日第一次试模软胶包覆硬胶后的上、下机壳在组装后显示的合缝大为减小未锁螺丝前，合缝仅0.8mm。,Case 2,Case 1,曲线锯外壳变形,产品设计:模具设计:从2个针点浇口的三板模改成2个侧浇口的二板模，以符合单一方向流的原则。工艺设计:,曲线锯外壳变形,可以导致单一方向流的浇口设计，较能产出平直的产品。,产品：角磨机机壳材料：PA6-GF35模具：二型腔模，每一型腔二浇口简述：角磨机壳第一次试模时变形严重，左右机壳合在一起未打螺丝时合缝明显，打螺丝后还是存在变形，影响产品的装配及使用功能问题：翘曲
31、,合缝大,机壳的合缝,原始方案,改善方案,机壳的合缝,总 结,实际试模样品的翘曲变形量在未打螺丝时变形微小，在一端固定的情况下，合缝减到0.63mm,原始方案,改善方案,机壳的合缝,产品设计:模具设计:从2个浇口改成1个浇口，以符合单 一方向流原则。工艺设计:,机壳的合缝,台锯支撑臂盖,PA6-GF35,平面度差,2009.4.13.,台锯支撑臂盖,PA6-GF35,平面度差(ZYJ：Moldflow分析结果：均一厚度3mm时两端上翘,最大值2mm;顶部厚2.5mm和侧壁厚3mm时两端上翘,最大值1mm;所以采用后者设计开模，成型品实测结果是两端上翘,最大值3mm。塑料换成ABS时,两端上翘,
32、最大值1mm,但是与其他PA6-GF35件装配在一起时有色差。2009.4.13.,台锯支撑臂盖,PA6-GF35,平面度差,2009.4.13.,气穴,加排气销,仍见气痕。,台锯支撑臂盖,PA6-GF35,平面度差,2009.4.13.,气穴,仍见气痕。,台锯支撑臂盖,PA6-GF35,平面度差,2009.4.13.,进浇处,浇口移至黄线处,黄箭头处加导流道,C.Hsu：调到单一方向流以及气穴移至分型面为止。若可，将来开新模仍以均一壁厚2.5mm为宜。,台锯支撑臂盖,PA6-GF35,南京市,平面度差,2009.4.13.,汽车后视镜外壳,产品：汽车后视镜外壳材料：ABS模具：二型腔模，每一
33、型腔单一潜伏式浇口进胶。浇口的动模侧附近钻了冷却水孔，定模侧则无。简述：即使提早脱模，乘外壳尚温软时将镜片嵌入，多数镜片居然被变形的外壳搅碎。问题：变形,汽车后视镜外壳,ABS,Indonesia,翘曲变形,199?,原始设计Original Design,改善设计Revised Design,汽车后视镜外壳,产品设计:模具设计:主流道衬套(sprue bushing)外加冷却套管，将水引到定模侧浇口附近，使得浇口处来自动定模侧的冷却均衡。制程设计:,冷却不均使得产品变形加上长的周期时间Uneven Cooling CausesWarpage and Long Cycle Time,动、定(c
34、ore andcavity)模温差太大，往往使得产品变形，而且拖长了周期时间。可借CAE之助，调整冷却液的温度和流量，使得动、定模侧的散热与型腔的中心面对称，将扳转产品弯曲的不对称残余应力减到最少，产品尺寸自然稳定。,D:直径为10至14mm Diameter of Cooling Channel,10 to 14 mmd:深度为2D至3D Depth,2D to 3DP:节距为3D至5D Pitch,3D to 5D,冷却孔道直径、深度和节距Diameter,Depth&Pitchof Cooling Channel,通风罩上下盖,PP-TF20,公称壁厚2mm,变形,2008.11.7.,
35、通风罩上下盖,PP-TF20,公称壁厚2mm,变形,2008.11.7.,铭牌的变形,产品：铭牌材料：ABS模具：定模90C/动模30C反向修模简述：为了使得铭牌的外观亮丽，而周期时间又不会太长，定模温高而动模温低。问题：变形,铭牌,ABS,定模90C/动模30C Warp 反向修模,2005.2.19,铭牌的变形,铭牌,ABS,定模90C/动模30C Warp 反向修模,2005.2.19,铭牌的变形,铭牌的变形,产品设计:模具设计:工艺设计:动、定模都用高温高速的水冷却。,牛顿冷却定律,一冷却体之冷却速率与该物及冷却介质之温差成正比,冷却介质从模具带走的热量,模具与冷却介质间的热传系数(W
36、/m2-K),冷却孔道的热传面积(m2),模具与冷却介质的温度差(K),冷却时间(s),热传系数Heat Transfer Coefficient,模具冷却速率不仅与模具与水的温差成正比，也与水的流速的0.8次方成正比。,冷却速率与温差和流速的关系,汽车座椅按钮变形,产品：汽车座椅按钮材料：POM模具：二型腔二板模；冷流道，潜伏式浇口，口径小；每一按钮内缘是由二滑块对插组成，每一滑块中有一10(直径10mm)障板管(baffle)，一模中的四障板管串接为一冷却回路(cooling circuit)；公模板和母模板中各钻有二6(直径6mm)的直孔，每一型腔的公模板侧和母模板侧各有一直钻孔，每一模
37、板中的二直钻孔串接为一冷却回路；原设计一模有三冷却回路。问题：变形,汽车座椅按钮变形,汽车座椅按钮变形,产品设计:模具设计:潜伏式浇口口径放大到3(直径3mm)制程设计:将原设计一模三冷却回路改成八冷却回路：每模四滑块中各有一障板管，每一障板管自成一冷却回路；公模板和母模板中各有二直钻水孔，每一直钻水孔各为一独立冷却回路。,汽车座椅按钮变形,录像带盒,PP,台湾省台中市,翘曲变形,199?.,录像带盒Video Cassette Tape Case,不均匀收缩non-uniform shrinkage,总process-induced,收缩翘曲(原始设计)Shrinkage&Warpage(Original Design),收缩翘曲(原始设计)Shrinkage&Warpage(Original Design),冷却水道设计-动模侧Cooling Channel DesignCore Side,冷却水道设计-定模侧Cooling Channel DesignCavity Side,原始设计Original,改善设计Revised,录像带盒的收缩翘曲 Shrinkage&Warpage,Video Cassette Tape Case,在爱护环境、珍惜资源、持续发展的前提下，促进精实高效成型科技的发展与创新。-先进成型技术学会-,问答？,谢谢！,
