大綱

• 隨著高填充樹脂的使用增加，射出成型產品應用變得越來越薄，使得產業需要開發新的分析方法、材料模型和 CAE 求解器功能，以實現精確的制程模擬

• 更準確的CAE 模擬結果，才能讓使用者對塑件、模具、機臺和制程設計的決策更具信心

• 因此SABIC 開發了一種系統方法，可在 CAE 中復制實際成型環境，并改善樹脂的黏度特性。此方法有助于 SABIC 的壓力預測落在10%的誤差值之內

• 此方法使設計團隊能夠在零件、模具和制程開發過程中做出自信的決策，從而減少重工、縮短開發時間并降低開發成本

挑戰

SABIC需要可整合塑件、工具、材料和機臺，且具備合適邊界條件的方法，以在CAE空間中復制塑料射出成型的多種復雜問題。在進行模擬前，需要精確量測模具表面溫度及熔膠溫度，作為輸入仿真工具的條件。此外也需要深入的模內流變研究，以助于了解射出速度對成型塑件壓力的影響，并獲得最佳的成型條件。機臺螺桿料管中發生的壓力降則也可能產生顯著的影響，需要透過空射研究來捕捉。上述研究能幫助洞察整個制程，并為CAE的模型建置奠定基礎，制作出可反映出真實塑件、材料、流動路徑、熔膠及模具的初始溫度條件等元素的CAE模型。

以往高分子材料的黏度量測，是透過量測溫度和剪切速率的影響來完成的，并未考慮壓力對黏度的影響。事實上，受到非結晶性樹脂的特性影響，壓力造成聚合物的黏度顯著提高。在非結晶性材料中，Tg 會隨著聚合物承受的壓力上升而增加，原因是自由體積隨著壓力的增加而減少，而提高了黏度。SABIC因此改良了方法，納入壓力對黏度的影響，并在 Cross-WLF 黏度模型中以 D3 參數表示。

 

上圖為未考慮D3的情況下，實驗與CAE模擬結果的射出壓力差距。

 

解決方案

SABIC團隊以系統化方式進行本研究。

1. 材料特性量測：要針對高射出壓力下的樹脂流動行為作出正確的評估，除了傳統的Cross-WLF參數和壓力相關項之外，Cross-WLF模型中的D3系數也是相當重要。SABIC近來也開發出量測D3的方法。

 

2. 實驗設置：使用干燥機預先將材料干燥之后，透過科學成型技術優化制程設定。SABIC將此設定運作一小時(60個周期)，以穩定制程，并在量測之前就達到平衡。

 

3. 數據記錄：透過噴洗模腔表面，并使用熱探針檢視，可量測熔膠溫度和模具溫度等輸入值。所有的螺桿作動參數(包括行程、速度等)皆可由機器的壓力-時間變化曲線來捕捉。

 

4. CAE模型：塑件和進料系統(包含澆口、冷流道及熱嘴)皆須以3D元素進行建模。在最終的網格建構之前，透過較精細的網格，來研究其對壓力、流動特征等關鍵分析結果的靈敏度。而為了考慮螺桿料管中的壓力損失，SABIC以三次元量測儀(CMM)測量機臺噴嘴前段，并開發CAD幾何模型。這些皆以3D元素建構網格，形成FE網格模型的基礎；并在CAE模型中進行模具排氣設計的量測和建模。

 

5. 后處理：使用Moldex3D進行成型制程模擬，包括典型的充填、保壓分析等研究。比較實驗及CAE仿真結果顯示，在黏度模型沒有材料參數D3的情況下，壓力峰值的預測低估了約28.9%。而在黏度模型中納入D3之后，壓力峰值的模擬與量測結果相較，則僅低估約4.2%。

 

效益

FE模型精確度相當高，且可以真實呈現物理問題。

• 改善樹脂的流變特征

• 考慮熔膠和模具溫度，獲得準確的量測結果

• 將噴嘴納入流動路徑，得到更細節的量測結果

• 排氣的配置可運用在FE模型

• 復制機臺設定，作為充填和保壓的輸入值

透過CAE強大的模擬結果，幫助了解熔膠特性和成型條件之影響，并提供準確的預測，使SABIC可以做出完整的決策。

結論

本文詳細描述SABIC利用系統化的射出成型模擬方法。實驗與CAE模擬之間取得一致性的關鍵，在于準確量測材料行為和重要制程參數(包括射出速度、熔膠溫度等)，以及樹脂流動路徑的完整建模。在模流分析中，開發出可呈現真實條件的FE模型至關重要。透過此方法，驗證結果顯示射出成型仿真可建構出良好的相關性，以預測壓力峰值。這些效益讓設計團隊可以在塑件、模具和制程開發時能做出自信的決策。

身為全球領先的塑料供貨商，SABIC能提供先進的材料數據，包括對于獲得準確預測不可或缺的D3黏度系數等，幫助客戶加速開發流程、減少重工，并將開發成本降到最低。