Moldex3D模流分析之发泡射出成型前处理与分析过程

发泡射出成型简介 (FIM)

自1980年代早期由麻省理工学院（MIT）的Dr. Nam Suh与协力者发明发泡批次加工技术后，发泡技术便大量应用于发泡制程中。而发泡技术在往复螺杆式射出成型机台的应用，则在1998年由Trexel与Engel创建。

关于此技术，有四项步骤：

(1)气体溶解（Gas dissolution）－ 超临界流体（Supercritical fluid, SCF）射入料管，在高压下与熔胶形成单相熔体。

(2)成核（Nucleation）－ 当熔胶通过喷嘴射入模穴内时，因急速的压力降而形成大量的成核点。

(3)气泡成长（Cell growth）－ 气泡成长与合并发生在成型阶段时。

(4)成形（Shaping）－ 最终塑件会在模具内固化而成形。

下图简述了发泡技术的基础概念。在整体塑件中，如何控制热力学不稳定的状态（透过温度与压力变化）以得到良好且均匀的微细气泡是相当重要的议题。

注意：MuCell®是Trexel, Inc. 的注册商标。

Moldex3D发泡射出成型模块功能导览

Moldex3D发泡射出成型模块能协助产品设计师仿真微细发泡射出成型制程，同时，能模拟熔胶在射出过程中充填模穴时气泡成核与成长的行为。该模块提供了气泡数量密度分布及气泡尺寸分布等分析结果，透过模拟此项复杂的制程，使用者能更有效率得到最佳加工参数，并预防设计时间时的制程困难。

Moldex3D也提供抽芯（或称可膨胀模具或机构式模具）的特殊发泡射出成型技术的模拟。抽芯技术与射出压缩成型相反，在射出成型过程中，取代在压缩之前部分充填模穴，抽芯技术在公模侧被推回之前会100%充填模穴。

注意：Moldex3D发泡射出成型模块支持Solid与eDesign网格模型。

1. 前处理

Moldex3D发泡射出成型模块只支持Solid网格项目。其前处理阶段的步骤与基本模块的相似：

步骤1：建立新项目。

步骤2：产生网格模型。

步骤3：建立新组别。

步骤4：执行分析。

以下将列出特定步骤的操作说明。

网格产生之抽芯技术 (Core-back)

抽芯（Core-back）技术如下：

针对抽芯分析，使用者能透过Moldex3D Mesh建立几何模型。相关步骤信息可参阅射出压缩成型的操作说明。移动表面（Moving Surface）需在建立模型的网格时进行设定。若设定了移动表面，将显示在项目中。

2. 开始分析

以下将列出特定步骤的操作说明：

1.  建立新项目

第一步开启Moldex3D Studio，选择新增建立新项目，第二步按下确定。

在第三步，选择发泡射出成型（Foam Injection Molding）分析。

 2.  建立新组别

1. 加工精灵

 项目设定 (Project Settings)

在项目设定（Project Settings）的标签：

设定模式选择CAE模式（CAE mode）或射出机台设定界面1（由多段设定）（Machine mode 1 (by profile)）。如果选择机台模式1（依配置），机台设定（Machine Settings）的下拉式选单将显示更多细节，进行设定以提升模拟准确度。在此案例中，将对射出机台设定界面1（由多段设定）设定进行说明：

从射出机设定的下拉式选单中选择新增（New）。

在Moldex3D射出机台的列表中选择一项机台，点击加入至自定义数据库（Add to User Bank）并将所选的机台加入至用户数据库中。如果默认的机台信息不是适合的使用设定，点击以修改其详细信息。

 充填／保压 (Filling / Packing)

其设定步骤与传统射出成型的完全相同。请参阅前述的充填／保压设定步骤。

 发泡 (Foaming Settings)

应详细输入两项发泡设定的信息：射出重量控制由体积百分比、射出体积、射出重量百分比与螺杆位置，每项设定的说明如下：

射出重量控制由：重量减少可依体积百分比（%）、射出体积（cm³）、射出重量百分比(%)或螺杆位置（mm）设定。

初始气体浓度：初始气体浓度可设定为气体剂量总数（Gas dosage amount）（wt %）、气体饱和压力（Gas saturation pressure）（MPa）或化学发泡剂 (Chemical blowing agent) （wt %）。

点击化学发泡剂，则可以详细输入化学发泡剂之剂量，每项设定说明如下

CBA剂量总数：欲输入之CBA剂量（wt %），于此设定。

反应产生总气体量：每克的CBA完全反应后产生的总气体量 （cc/g）。

主要气体(N2/CO2)含量：主要气体中N₂/CO₂含量 （%）。

备注：有两类的CBA，吸热和放热化合物。吸热CBA吸收热分解反应中的热能，主要释放反应产生的CO₂，常见的吸热CBA是碳酸氢钠和碳酸氢锌；另一种CBA是放热化合物，主要释放由反应产生的N₂，常见的放热CBA是偶氮甲酰胺。

点击进阶设定 (Advanced Setting)，发泡进阶设定的对话框将会跳出，以设定发泡成型的持续时间（Duration time）。

关于冷却分析的设定，请参阅传统射出成型的手册说明。

2. 计算参数

在计算参数的充填／保压（Flow/Pack）标签中，点击进阶选项（Advanced Options for filling/packing solver）以输入更详细的发泡模拟参数，包含气体类型、气泡成长模型、材料特性及成核参数。用户接口如下列所述。

使用者能选择N2、CO2或Others作为气体类型（Gas type）。Moldex3D提供N2于不同塑料的熔解度默认值。举例来说，N2/PP（气体／塑料）的预设熔解度为4e-011[mol/cm³ Pa]，而N2/ABS的预设熔解度为1.6e-011 [mol/cm³ Pa]。但对于CO2与Others气体而言，预设熔解度皆为1.15e-010 [mol/cm³ Pa]。另外，亦可手动输入预设之外的气体－塑料组合的材料特性与参数。

Moldex3D支持多种气泡成长模型，用户能针对特定的气体／塑料系统，从下拉式选单中选择适用的模型。

注意：材料特性包含塑料分子重量、气体扩散系数、气体溶解度参数及表面张力。成核参数则包含修正系数f0与气泡生成门坎（Jt）。

在计算参数的充填／保压（Flow/Pack）标签中，点击进阶选项，将会显示数据编辑。

注意：射出时间 = 充填时间+保压时间；发泡持续时间=冷却时间(默认值)

这些设定完成后即可进行分析。返回 Moldex3D Studio，点击完整分析（Full analysis）－C/F/P/C/ W储存后并选择开始分析（Run now）。将会出现工作监控器，显示实时的计算状态。