注塑成型模拟的新维数

HEATS

　　欧洲与亚洲的两家仿真软件供应商认为3D注塑成型分析是解决大量注塑制品的最好方法，但是一些著名的美国供应商却不以为然。不管怎样，3D模拟和标准的2.5D模拟的能力都在迅速扩张。

0 |! I$ f' I* ~0 e8 m0 j1 K * m3 ^9 O T, X1 A

　　过去几年里，用于厚壁复杂制件的3D流动模拟和用于薄壁制件的传统2.5D中型面分析均取得了创造性的进展。

# `/ u0 ~; Q" b 6 D3 Z/ L2 x: n/ ^7 u4 W

　　现在，模塑商有更多可供选择的工具软件，用于预测厚壁制件的注塑流动、冷却、纤维取向、收缩和翘曲。几家知名软件供应商如Moldflow公司和Plastics&Computer公司，已经开发出了3D和2.5D两种分析技术软件的新版本和增强版，但是它们也遇到了新的竞争对手，如台湾的Moldex3D和德国的Sigmasoft，这些软件几乎都无一例外地专注于3D领域。

& @' C# c! p r7 R$ Q. k9 A 9 W. T1 |6 m6 F* k8 \5 z5 r: k

　　3D分析正在首次被应用到共注塑成型、多次注射成型、气体辅助成型、组合模腔成型和叠模成型。新的仿真软件分析三维的纤维取向和翘曲，3D技术在此非常重要。因为2.5D只能表明纤维在一个平面上的取向，而3D可以表明纤维在各个角度的取向。据称在模拟冷却管路、模内镶件或者模腔金属组成的效果方面，新3D软件也比2.5D的应用好。

- W! i/ W' v- _, R$ W! Z

　　然而，2.5D软件仍然是迄今为止的主导模拟技术，近期又推出了用于微孔发泡(Trexel公司的MuCell工艺)和双动滑阀式浇口(Synventive公司的Dynamic Feed)的版本。现在，简单、低成本的2.5D分析软件已经补充了冷却和翘曲分析功能。

. ~- n8 ?( X" `' }( ^3 }7 U& b& ~7 ^ ' W& ~# Z: ^: S2 [2 U

　　为什么是3D？

　　供应商认为3D模拟日益引起关注的原因有几个。过去五年里，许多公司一直在开发挑战设计极限的制件，这些制件也在考验旧仿真软件的能力，2.5D是一种历经反复试验的技术，已经应用了20年。但是对于大型、厚壁制件，尤其是复杂、薄壁制件的模拟效果不好。而使用3D模拟可以分析从螺丝刀把手到小接插件等各种制件。最近，大多数塑料制件都开始用3D实体模型进行分析。3D模拟才刚刚起步，许多公司用3D CAD设计制件，需要开发的是3D在模拟和分析中的应用。”

; X7 a1 z2 f. L1 i+ w6 _) w, `

　　现在，有更多功能强大的计算机可以比以往更加快速地产生模型和处理分析。这一点对于3D模拟十分重要，因为实体模型比2.5模拟的信息“密集”。如今的双处理器计算机可以将模型的产生时间和解读时间缩短40%～60%。随着64位处理器逐渐替代当前的32位芯片，预计还将会在性能上有相似的飞跃。

7 _8 B) ~$ s% T$ Y* b8 ?5 {

　　把强大的计算机功能应用到复杂模拟中，使用基于Linux的多处理器服务器，可以提高整个过程的经济性。在Moldex3D Linux Cluster的辅助下，分析计算时间不再是个问题。计算机严格地用于构筑模型和审查结果，Linux系统用于数字解读。这样的配置可以迅速处理一个几百万网格的模型，因此3D模拟的分析处理时间将接近2.5D模拟的时间。

) J2 e! V: \' K8 m! V& C

　　表面或实体模型

2 m/ D0 Y+ O" Z, t

　　Plastics&Computer公司的总裁Giorgio Bertacchi说，选择传统的2.5D软件还是新型的3D软件取决于制件的几何结构、复杂程度、材质以及用户想得到的模拟数据的类型。通常情况下，传统的2.5D中型面模型的最佳应用是分析时间较短的薄壁制品。复杂程度高、厚壁或者壁厚薄变化大的制品最好使用3D分析，尽管建模的时间会较长。

/ Q& ^8 f; i7 K3 N# i. Q- r

　　模塑工艺的类型(如气辅、共注射、过量模塑、重模或组合模腔)也影响选择结果，因为目前这些工艺的专用模型主要以2.5D软件为基础，3D版本尚处于开发阶段或刚刚出现在市场上。

+ D2 ]9 o$ W! l/ K+ X( P

　　然而换个角度讲，3D分析提供的信息是2.5D所无法比拟的，像湍流与层流的辨识，熔融物料中的气泡，喷射和重力的影响等。3D模拟还可以了解模具本身的情况。在2.5D模拟中，在模具中嵌入一个镶件后，你需要生成一个网格，然后计算热量是怎样穿过这个镶件的。但是在3D模拟中，当你进入模型，就可以观察到温度变化。

1 e! c x9 q: X! X& N, F; r 8 h3 M, ~0 a9 V( B8 z5 c

　　尽管有些应用完全使用2.5D模拟，但是现在更多的制件可以用3D模拟。如果对一个长3ft，宽4ft、厚0.1in的汽车仪表盘生成网格，用标准的四面体元做3D模拟将是不现实的，因为需要的三维元数太多。这是制件的中型面网格。但是，使用Moldex3D的新型复合棱柱形网格，就可以对制件做三维分析。”这种独特的复合网格可以在同一个模型中组合不同大小和形状的三维元，大幅度减少制件的三维元的数量。

5 |* r1 j z U/ S' |

　　对于较简单的制品，3D模拟比2.5D模拟的分析时间长得多。Moldflow等供应商开发了类似MPI/Fusion这样的产品，允许用户直接分析三维实体CAD模型，而不需要先人工抽象出一个中型面。从制品的三维CAD实体模型到中型面模型总有一个权衡取舍问题。没有一种程序能够自动地对各种几何结构的制品生成一个准确的中型面，需要手动提取中型面的数量太多。对于结构复杂的制件，人的大脑必须对中型面的最佳表示方法做出重要的决定。

1 C% J0 Y# R! k$ K3 ^

　　迎接新来者

) }- ?" S, [: d2 U7 Y% l) r O/ i7 e# Y9 E

　　在Windows和Linux上运行的Moldex3D软件系列包括2.5D“表面”和新的3D“实体”版。Moldex3D是在台湾清华大学的研究基础上，由Core Tech System有限公司开发出来的。Core Tech公司已经向400多个用户出售了该技术的“座席”，这些用户多数位于亚洲。1999年该公司向全球推出了Moldex3D的英文版，并在去年的芝加哥NPE展会上进行了展示。

: Y% O4 O& k1 u1 X0 k% t( B" ]' g

　　Moldex3D软件的特点是一种新颖的复合实体元网格法，据说比竞争对手的模型更准确，网格密度更高，三维元更少。用户可以混合使用各种三维元，包括四面体，棱柱形、锥形和六面体。模拟制品的薄壁部分时，可以使用产生几个三维元的棱柱形网格。当对同一制品的厚壁部分建模时，软件会自动转换为四面体元。

　　据说使用不同的三维元比仅使用一种三维元的网格轮廓清晰。而且，“自动流道网格”功能允许用户点击一下鼠标就生成一个基于实体元的流道系统，同时优化浇口附近的网格密度。

0 I7 b6 [8 }' ]! k7 z1 Z2 @ & l7 P8 w; }; v4 {0 {

　　最近，程序组中增补了一个结构分析软件的先进界面，包括填充、压实、冷却、翘曲、纤维取向、气辅和反应注射成型的模块。近期发行的7.0版软件拥有更大的材料数据库(多于以前的5700个品牌)、改进的FastPack和FastCool解算器和多处理器。能够模拟共注射成型、过度模塑和两次注料模塑的7.1版将于今年同Linux-Cluster版一起推出。使用各种3D几何元组成一个模型是Moldex3D的一个独有特征。该软件允许在详细区域生成更多的网格，在大的平面区域使用较少的网格，以便在较短的时间内进行准确地模拟。

# c: Y. b' P; @6 {$ m* f

　　Moldex3D的开发人员正在测试一种新型翘曲模块，他将翘曲制品的“底片”作为一个STL格式模型输出，然后将这个模型引入CAM软件，从而允许制模者准确地在模具上切削出翘曲的“底片”。

　　CoreTech同样提供一种可以插入流行的Solidworks CAD软件包中运行的模块。Moldex3D Works只提供3D实体充模模拟。

9 S4 B' h3 ]( m5 l+ h J7 A

　　德国亚琛的Sigmasoft公司完全致力于3D模拟。它的Sigmasoft仿真软件于1998年商业化。为Windows或Linux设计的Sigmasoft有一个全自动网格生成程序，据说可以在30秒到2分钟的时间内完成工作。Sigmasoft还可以将模具模型与各种镶件和冷却管路结合在一起，以便更加准确地观察模具内的热传递。

1 d0 E" N, X( K

　　Sigmasoft软件的独特功能之一是模拟制品离开模具后的变化，计算制品脱模后的持续翘曲和应变，直到制品达到环境温度。有些软件可以预测脱模后的全部翘曲，但是Sigmasoft模拟的是制品脱模后6000sec内的变化。对于带镶件的模具，该软件在计算应力和翘曲时会考虑镶件的金属组成等因素。

　　Sigmasoft可以计算充模时模具内的气压以确定排气的最佳位置。这一点十分实用，因为模具内空气的压缩会产生灼痕，尤其当模塑热固性塑料或其他释放气体的材料时。Sigmasoft还具有多次循环分析特征，可以多次重复计算模具内的温度直到模具内的温度恒定下来。这样比假定一个模具温度要准确得多。该特征可以帮助认识模塑循环过程中的热累积。用户通过监测模拟过程来优化操作循环周期。

, r$ r0 @6 O) r5 n% j: e$ ?

　　Sigmasoft正在开发一套3D多相分析软件，处理模具内的两种物料，如气体和树脂，或者共注射的熔融物料。Sigmasoft的下一代43版软件将具有基于Windows的双处理器功能，从而将分析时间缩短30%到40%。

r& l5 g9 o J$ Y& O7 z

　　气辅成型的三维模拟

% V- U( c. N2 y+ c# I- z

　　使用英国新开发的仿真软件可以首次对气体辅助注射成型的厚壁制件进行准确的三维建模和分析。Cinpres Gas Injection公司(CGI)使用的是威尔士大学工程学院聚合物加工模拟和设计中心开发的软件。该软件是中心与CGT公司的三年联合项目。中心主任John F.T. Pittman博士说，模拟过程包括塑料在模具中的填充。气体的产生和排出以及冷却。软件使用实体四面体或六面体模拟各种气辅方法—短射、溢流和反推。

　　CGT声称，这是现在唯一能对制品中心的熔融聚合物和注入的气体之间的相互作用进行详细模拟的软件。Pittman说：“我们通过跟踪聚合物和气体的界面，解决了二者的流动问题。”

　　与中型面分析相比，该软件的突出之处在于，中型面分析只提供制品部分的接气截面的信息，而此软件详细地表现了气道周围尤其是弯曲处的壁的厚薄变化。分析汽车和家庭用品把手等厚壁管状制品时其价值尤为显著。据说该软件还可以准确地预测气辅注射成型的潜在加工问题，如指纹现象，突然喷出等，并解释注气延迟的影响，这时塑料已经部分冷却了。

　　据称，该软件可以在几分钟内生成一个适当的CAD模型的网格，并在一天内完成一个中等模型(20万个有限元)的分析——包括塑料充模和一次、二次气体渗入。Pittman说，分析结果可以以空心塑料制品的CAD模型的形式输出，适合进行应力分析。

　　有关3D和2.5D的更多消息

　　Moldflow为其最新的MPI4.1版Moldflow Plastics Insight分析软件包开发了几种新模块，包括预测纤维取向、翘曲和厚壁制件中的热—机械性能分析的MPI3D模块。

5 T- }2 ]/ v1 y9 I+ r2 i5 \

　　Moldflow在其3D软件中扩展了创建热固性塑料制品模型的能力。MPI4.1现在可以对热流道进行3D模拟。MPI3D还可以给出注射压力和锁模力与时间的关系曲线。MPI4.1支持64位计算机，可以较快地创建大的模型。

) X5 p8 @0 Y8 f/ g5 Y$ k9 F

　　去年，为了模拟Trexel公司的Mucell微孔发泡工艺，Synventive公司的Dynamic Feed序贯阀式浇口系统(不同的喷嘴有最多32个独立的压力曲线)，以及二次注料和镶件过度模塑工艺，Moldflow用模块增强了它的2.5D软件。产品市场经理Peter Rucinski说，以前第一次注料和第二次注料的分析需要两个独立的模拟，二者可能无法协调起来，因此没有办法模拟两种材料在交界处的相互作用。

* M. I! V0 x' D# o8 b 4 c$ ~( b* Q' A# ]5 u/ U

　　翘曲的预测和冷却效率的分析是近期添加到Moldflow Plastics Advisers(MPA)软件中的两个新特性。MPA是为制品和模具的前期开发而设计的进行快速、低成本估定的简化的软件包。新的Performance Adviser和Cooling Circuit Adviser模块是最新的MPA7.0版的一部分。这些功能以前只在高端MPI产品上提供。

' E+ G) E. s8 ]* |

　　Plastics&Computer公司还为2.5D和3D分析软件包增加了几项新功能，其中之一是与意大利Fiat研究中心合作四年开发而成的faBest 2.5D软件的填充、压实和保压的多次注射模拟。Plastics&Computer公司还推出了用中型面软件创建组合模腔模具和重模成型模具模型的功能。值得一提的是，该公司一直在应用一种将2.5D中型面充模分析与3D实体冷却模拟结合起来的专利复合建模方法。

: I& m2 n+ {2 @- T+ J4 I% i/ h

　　Plastics&Computer的3D faSolid模块有一个快速解算器，可以将3D分析时间缩减为2.5D faBest模块的两倍。Giorgio Bertacchi说：“我们开发的建模和分析方法考虑到了模塑商和制模商的计划、工作流程和组织需要，使制模商可以刚好及时地交付模具。这个过程可以在一周内多次重复3D分析以优化设计。”

　　两年前，faSolid模块扩展了序贯阀式浇口分析。但是到目前为止，序贯建模的大部分精细工作都是用2.5D faBest完成的。Bertacchi觉得，当他对一个用11个阀式浇口喷嘴生产的6ft长的制件建模时，他扩大了那个领域的范围。

4 G4 {1 T' [% i+ S

　　流道模拟

9 K- o T2 [- J# e. x( C5 S + P6 N+ y/ h8 S" b$ p

　　仅模拟流道系统而不是模腔是Mold CAE Solutions这个创建三年的公司一直以来的软件开发焦点。该公司的MoldCAE专题是一个快速的、简单易用的流动分析程序，可以帮助优化热流道和冷流道。

9 ~" Y" n; E7 N0 f

　　这个程序面向制模商和模具设计人员，而不是制件设计人员。总裁Bob Meng说：“有太多的人在讨论模腔的模拟和优化，但是对模腔的设计，用户有最终的发言权，而不是模具设计人员或制模商。他们能够真正优化的是将熔融物料送到模腔的系统。他们可以改变模腔的布局和浇口的大小，平衡流道系统，获得均匀的压力和填充。”

8 o6 { Y+ j* a1 {+ A' \' [ " H" q, m3 ]5 E" C! E# s# w

　　MoldCAE尤其有助于解决不对称的模腔布局引起的填充问题。它可以模拟组合模腔模具和叠模成型模具。最新的4.2版软件可以处理大模型，包括有144个模腔的PET预成型模具。

" K# J) @+ D1 V- _

　　MoldCAE专题软件不需要创建CAD模型，也不需要生成网络，因此它既没有2.5D有限元也没有3D有限元。用户可以根据简单的指导在30分钟内学会模拟软件的使用。用户输入流道系统的类型、流道的直径、流道的布局、浇口的类型、浇口的数量和位置、塑料种类和注塑机的注射压力等数据，然后模拟在几秒钟内完成。用户可以增加或删除浇口，改变浇口的尺寸和位置，经过几个操作循环后再修改其他的模拟数据。用户还可以在模型中加一个简化的模腔设计，从而更好地说明需要的充模压力。

5 k# e4 p3 a/ V7 D $ _# ]2 |; x5 \6 e" R) {5 p

　　MoldCAE专题软件计算最大注射压力以及压力和温度在流道和模腔中的详细分布，模拟流道系统中的剪切速率、剪切应力和剪切加热，说明整个系统中的熔融物料速度、锁模力要求、冷却时间和短射。该软件对流道和浇口的设计、最佳模腔数量和加工参数提出建议。

# m g; v6 E, D+ K# D x* t: ^

　　模拟系统中有一个常用的热塑性塑料的数据库，用户可以在数据库中添加新的材料。用户还可以建立典型的浇口、流道类型和流道布局的数据库。【MechNet】