摘    要：選用生物降解塑料作為原材料，將構建的國際象棋棋子三維模型導入Moldex3D軟件，根據模型結構特點設計流道和冷卻水路等，修復和生成網格，再依據材料特性設置成型條件，模擬國際象棋的注射成型過程。根據初始模流分析結果，對流動波前溫度、充填壓力、凹痕位移和翹曲進行討論。結果發現，在初始成型條件下制品表面存在嚴重的凹痕和翹曲問題。因此基于以上實驗結果，調整成型條件，以保壓時間(A)、最大保壓壓力百分數(B)(代表實際保壓壓力）和冷卻時間(C)為控制因子，設計三因子三水平的正交試驗，并利用方差分析進行驗證。通過極差R分析發現3個控制因子對凹痕位移的影響程度為R (B)>R (A)>R (C)，對翹曲的影響程度為R (A)>R (C)>R (B)，確定了成型參數的最優組合為A3B3C3，即當保壓時間為20 s，最大保壓壓力百分數為77%，冷卻時間為30 s時，國際象棋棋子的質量最好，凹痕位移最大值為0.041 mm，比初始結果降低了84.4%；翹曲總位移最大值為1.342 mm，比初始結果降低30.5%。方差分析顯示對凹痕位移和翹曲影響最大的分別為最大保壓壓力百分數和保壓時間，與正交試驗的極差分析結果一致，驗證了分析的準確性。

關鍵詞：Moldex3D;國際象棋;生物降解塑料;正交試驗;方差分析;

隨著科技的發展，計算機輔助工程在工業生產中的作用越來越重要，各種新穎的軟件涌入市場，為現代化生產注入了不竭的動力，例如用于工業設計和機械設計的Solidworks,CATIA軟件和UG軟件等[1,2]。Moldex3D軟件適用于塑料注塑行業，通過模擬塑料注射成型的過程，預測制品可能出現的問題。使用者可以通過軟件了解塑料熔體在模腔里的狀態、查看制品在注塑過程中溫度、壓力、熔融區域等參數的分布，再根據實驗結果分析及時調整生產工藝，減少實際生產中出現的質量問題，達到縮短成型周期、降低生產成本的目的。Moldex3D軟件以其分析快速、簡單易學的特點，為短時間提供優化方案\節約模具修改時間提供可能，在塑料注塑行業和模具生產中有廣闊的發展前景[3,4,5]。

生物基可降解材料如聚乳酸(PLA)、聚羥基烷酸酯(PHA)、纖維素、全淀粉基等，已廣泛地用于包裝、生物醫療、紡織業等領域[6,7,8,9]。生物基可降解材料廢棄后能被土壤中的微生物和水分子分解成小分子，對環境無污染，屬于環境友好材料[10,11]。PLA/聚己二酸/對苯二甲酸丁二酯(PBAT)復合材料兼具PLA的高強度、良好的加工性能和PBAT的韌性[12,13]，拉伸強度達到41.5 MPa，斷裂伸長率達到147%，具有良好的力學性能。將其作為國際象棋等玩具的生產原料，能緩解傳統不可降解塑料給環境帶來的壓力。筆者利用自制的PLA/PBAT可降解復合材料為原料，將其性能數據導入Moldex3D數據庫，模擬國際象棋的注射成型過程，根據結果分析，得到最佳成型工藝條件。

1 模型建立與前處理

1.1 產品參數及模型

根據圖1的國際象棋棋子圖紙，用CATIA繪圖軟件分別建立國際象棋6種棋子的三維立體模型，將其導入Moldex3D。6個模型底座直徑最大46.5mm，最小39 mm，厚度分布在2.599～46.5 mm，平均厚度19.581 mm，其中棋子馬的頭部厚度為12 mm。具體尺寸見圖1。仿真模擬用的材料為PLA/PBAT復合材料，其質量比為80/20，將性能參數[熔體流動速率(170℃，38 N)為20 g/10 min，結晶溫度為100℃，泊松比=0.36等]導入軟件，模擬國際象棋的注塑過程。塑料熔體溫度為160～230℃，模具溫度為20～40℃，推薦模具溫度為30℃，頂出溫度為80℃。圖2為國際象棋棋子模型圖。

圖1 國際象棋棋子圖紙  

圖2 國際象棋棋子模型圖 

1.2 澆注系統及冷卻管道的建立

為了減少在澆注過程中發生熔體流動不平衡現象，將流道設計為平衡流道，如圖3所示。采用一模六腔的設計進行生產，模擬每個棋子的注射成型過程。流道選擇圓形，主流道直徑為10～12 mm，橫流道直徑為12 mm，豎流道直徑為6～8 mm。因為棋子為實心結構，壁厚大，所以流道設計為熱流道。熱流道能準確地控制塑料熔體的溫度，使熔體狀態均勻地流進模腔，并且熱流道注塑壓力損耗較低。另外，根據棋子結構特點，選擇針點澆口，可以在注射完成時使流道和澆口自動分離，澆口位置位于象棋底部，直徑為4～6 mm。

圖3 流道和澆口設計 

冷卻水路設計如圖4所示。冷卻水路設計為環形水路，直徑為8 mm。冷卻系統中用水作為冷卻液，水路溫度為40℃，流量為100 cm3/s。

圖4 冷卻水路設計

1.3 模型的修復與網格的建立

將CATIA繪制的國際象棋模型導入CAD doctor，修復模型表面缺陷。模型導出回到Moldex3D Studio界面，撒點生成表面網格，隨后用修復精靈或者手動操作對表面網格進行優化，建立流道和模型塑件實體網格。網格長度2 mm，總計實體網格數量637 372個，圖5為棋子模型的網格建立和修復。

圖5 棋子模型的網格建立和修復   

1.4 工藝條件

6個國際象棋棋子的總體積為389.62 cm3，熱流道的體積為76.95 cm3。根據材料特性和工藝經驗設定以下參數：充填時間1.2 s，保壓時間10 s，最大保壓壓力170 MPa，實際保壓力以最大保壓壓力百分數表示設為49.3%，塑料溫度195℃，模具溫度40℃，冷卻時間9 s，開模時間3 s。分析順序自定義為冷卻、充填分析、保壓分析、冷卻、翹曲變形。

2 基于Moldex3D軟件的模流分析結果

2.1 流動波前時間分析

流動波前時間為從熔體進入澆口開始最前端到達各個位置所用的時間。通過流動波前時間分析，可以了解熔體在注塑過程中不同時刻的流動波前位置，檢視是否有短射、縫合線、包封、流動不平衡等問題的發生，除此之外還可以得到每個澆口貢獻度的大小。雖然有6個澆口，但每個澆口對應獨立的制品，又因為棋子為實心圓柱體，所以不存在澆口貢獻度差別大或者流動不均勻的問題。

流動波前時間分析如圖6所示。通過充填流動波前時間演示得到6個棋子完全充滿的時間為0.975,0.977,1.014,1.050,1.056,1.059 s，充填時間最大值與最小值僅相差0.084 s，基本同時充模完成。所以證明流道設計合理，不存在短射或者過度充填的情況。

圖6 流動波前時間分析  

2.2 充填壓力分析

通過壓力分布圖可以了解塑件在充填過程的壓力分布情況，從而判斷壓力傳遞情形，避免熔膠保壓過度或者出現毛邊。充填壓力能提高熔體的流動性和填充率，減小流動阻力。注塑壓力應在一定范圍之內，能保證熔體充填速度即可，壓力過大則會對機器產生不利影響。通過圖7分析充填壓力可以看出，進澆點處充填壓力最大為29.766MPa，澆口處壓力為20 MPa左右，流道壓力降較小，說明流道設計合理。

圖7 充填壓力分析 

2.3 縫合線分析

縫合線也被稱作熔接線、熔接痕或結合線，當兩個熔體流動波前相遇時，便產生了縫合線。關于影響縫合線的因素，一方面，相遇的兩股熔體的溫度差異越大，縫合線越嚴重；其次，熔體分子鏈相互作用力越大，縫合線越明顯；最后，添加玻纖的材料容易產生縫合線。由圖8知，棋子表面沒有縫合線，這是因為棋子表面無孔洞、加強筋等復雜的結構，熔體流動過程中阻力小，沒有分開的流動波前；另外在本產品原料中沒有纖維的加入，所以產品表面沒有縫合線的出現。

圖8 縫合線分析  

2.4 凹痕位移分析

在制品生產的過程中，凹痕是出現頻率最高的表面缺陷。由于注射進模腔的熔體冷卻不均勻，先冷卻的部分表面變硬，導致內部產生氣泡，冷卻慢的熔體在氣泡方向收縮，形成了凹痕。因為棋子體積較小，用凹痕位移能較好地表示制品的外觀質量。從模擬結果可以看出，此成型條件下的制品外觀質量較差，凹痕位移達到0.263 mm，表面缺陷肉眼可見。這是由于棋子是實心結構，保壓壓力不足導致材料發生冷縮，從而制品表面凹痕位移較大。后續優化設計可以從延長保壓時間或者提高保壓壓力入手。

圖9 凹痕位移分析   

2.5 翹曲分析

翹曲變形分析是考察制品質量和工藝最直接的數據，同時是對產品的形貌和性能產生較大影響的一項指標。翹曲受溫度、壓力、纖維配向、產品設計等因素控制，根本原因是熔體生產過程中的不均勻收縮。在生產過程中，應盡量避免翹曲位移對產品外觀質量產生的不利影響。

翹曲總位移代表了所有效應導致的翹曲分布如圖10所示，翹曲總位移最大值為1.930 mm,X軸方向翹曲位移最小，為-0.67～0.611 mm,Z軸方向翹曲最大，為-1.930～1.074 mm，翹曲的正負值表示兩個相反的方向。翹曲嚴重的部分位于較高三個棋子的上方，因為該部位離澆口較遠，保壓壓力不足，導致發生翹曲。

圖1 0 翹曲結果分析 、

3 基于Moldex3D的正交試驗

3.1 正交試驗設計

正交試驗是一種多因素多水平的試驗設計方法，所選的數據具備分散均勻、整齊可比的特點，對于科學研究來說正交試驗是高效而經濟的設計方法[14,15,16]。基于初始分析結果，發現棋子的表面存在較嚴重的凹痕和翹曲變形，影響制品的外觀質量。為了得到表面質量良好的制品，根據凹痕和翹曲的影響因素，調整保壓時間、最大保壓壓力百分數和冷卻時間，設計一個三因素三水平的正交試驗，具體列于表1。因為初始分析時設定的最大保壓壓力百分數為49.3%，也就是保壓壓力為83.81 MPa，壓力值過小，導致凹痕位移較嚴重，所以正交試驗中將最大保壓壓力百分數提高到69.9%～77%左右，避免實驗范圍過大。

表1 正交試驗因素與水平 

3.2 凹痕位移和翹曲總位移極差分析

對于體積小的產品來說，表面凹痕位移大于0.06 mm是比較明顯的缺陷，嚴重影響制品性能。表2為正交試驗的結果，發現增大保壓時間和最大保壓壓力百分數后，凹痕位移顯著下降，最小達到0.043 mm，說明優化效果顯著。表3為凹痕位移極差分析。由表3知，三個因子的極差R大小順序分別為R (B)>R (A)>R (C)，這說明B (最大保壓壓力百分數)對凹痕位移的影響最大，C (冷卻時間)的影響最小，最優組合為A3B3C1，即當保壓時間30 s、最大保壓壓力百分數為77%、冷卻時間為10 s時，產品的凹痕位移最小。

表2 凹痕位移和翹曲總位移正交試驗結果

表3 凹痕位移極差分析

表4為翹曲總位移極差分析。正交試驗結果顯示，最佳組合為A3B2C3或A3B3C3。由表4可知，3個因子的極差R大小順序分別為R (A)>R (C)>R(B)，說明因子A對翹曲總位移的影響最大，B對翹曲總位移的影響最小。嚴重的翹曲對塑料制品的組裝產生不利影響，影響其使用性能。所以針對翹曲總位移嚴重的產品，可考慮提高保壓時間和冷卻時間。綜合考慮凹痕位移和翹曲總位移兩個因素，確定最佳組合A3B3C3為后續優化試驗的成型條件。

表4 翹曲總位移極差分析

3.3 凹痕位移與翹曲總位移方差分析

方差分析與極差分析相比更具準確性，利用方差分析可以將因素水平改變引起的變化與實驗誤差引起的數據變化區別開來。凹痕位移方差分析列于表5。發現因素B (最大保壓壓力百分數)的離差平方和最大，說明其對凹痕位移的影響最大。在表6對翹曲總位移的方差分析中發現，因素A (保壓時間)對其影響最大。這與極差分析結果一致，證明了方差分析的準確性。

表5 凹痕位移方差分析 

表6 翹曲總位移方差分析 

3.4 凹痕位移與翹曲總位移優化后結果

經過極差分析和方差分析，選取最佳成型參數組合A3B3C3進行模擬實驗，結果如圖11和圖12所示，當保壓時間30 s、保壓壓力最大百分數為77%、冷卻時間為20 s時，凹痕位移最大值為0.041 mm，翹曲總位移最大值為1.342 mm，與初始分析比較，分別降低了84.4%和30.5%。這說明利用極差分析和方差分析改善制品質量的方法，適用于本試驗。總的來說，導致制品發生凹痕位移和翹曲變形的主要原因要有兩個方面：一方面由于棋子為實心主體結構，厚度較大，需要足夠大的保壓壓力和保壓時間來確保制品能充分進行保壓補縮；另一方面，厚度較大的產品相應的冷卻時間需要延長。所以注射成型需要綜合考慮各種工藝參數，才能生產出外觀質量和使用性能符合要求的產品。

圖1 1 凹痕位移優化分析 

圖1 2 翹曲總位移優化分析 

4 結論

(1)調整生產工藝并設計正交試驗，經過極差分析和方差分析發現因素B (最大保壓壓力百分數)對凹痕位移影響最大，因素A (保壓時間)對翹曲變形的影響最顯著。

(2)通過分析得出結論，當保壓時間為30 s、最大保壓百分數為77%、冷卻時間為20 s時，凹痕位移最大值為0.041 mm、比初始結果下降84.4%，翹曲總位移最大值為1.342 mm，比初始結果降低30.5%。

參考文獻

[1] 施政達，史磊，黃煒.以UG軟件為基礎的塑料模具設計加工研究[J].塑料工業，2019,47(3):62?64.Shi Zhengda,Shi Lei,Huang Wei. Study of plastic mold design and manufacturing based on UG software[J]. China Plastic Industry,2019,47(3):62?64.

[2] 張信群.基于SolidWorks配置功能建立塑料模具標準件庫[J].西昌學院學報(自然科學版)，2015,29(3):20?23,31.Zhang Xinqun. Establishing a plastic mold standard parts library based on solidworks configuration function[J]. Journal of Xichang University(Natural Science Edition),2015,29(3):20?23,31.

[3] 王良柱，徐靜.基于Moldflow的汽車儀表板本體骨架變形分析及結構改進[J].塑料工業，2021,49(3):59?63,68.Wang Liangzhu,Xu Jing. Deformation analysis and structural improvement of the instrument panel frame based on Moldflow[J].China Plastics Industry,2021,49(3):59?63,68.

[4] Liu Q,Gao L,Qin Y,et al. Incorporation of oxidized debranched starch/chitosan nanoparticles for enhanced hydrophobicity of corn starch films[J]. Food Packaging and Shelf Life,2023,35. DOI:10.1016/j.fpsl.2023.101032.

[5] 葉星，汪健，李兵兵，等.基于Moldflow的連接過渡管成型質量分析及模具設計[J].工程塑料應用，2023,51(3):88?93.Ye Xing,Wang Jian,Li Bingbing,et al. Moulding quality analysis and mould design of connecting transition pipe based on Moldflow[J]. Engineering Plastics Application,2023,51(3):88?93.

[6] Jiang J,Zhang X,Gao S,et al. Effects of adding methods and modification types of cellulose on the physicochemical properties of starch/PBAT blown films[J]. International Journal of Biological Macromolecules,2022,223:1 335?1 343.

[7] 翟豪瑞，葛曉宏，陳長秀，等.基于Moldex3D碳罐本體優化分析及模具設計[J].模具工業，2018,44(1):40?45,52.Zhai Haorui,Ge Xiaohong,Chen Changxiu,et al. Optimization analysis of carbon canister based on Moldex3D and the mould design[J]. Die&Mould Industry,2018,44(1):40?45,52.

[8] 晏永祥，賀哲，張躍飛，等.可生物降解塑料PBAT共混改性研究進展[J].工程塑料應用，2021,49(5):158?161.Yan Yongxiang,He Zhe,Zhang Yuefei,et al. Progress of blending modification of biodegradable plastic PBAT[J]. Engineering Plastic Application,2021,49(5):158?161.

[9] Wan Lun,Zhang Yanhua. Jointly modified mechanical properties and accelerated hydrolytic degradation of PLA by interface reinforcement of PLA-WF[J]. Journal of the Mechanical Beha-vior of Biomedical Materials,2018,88:223?230.

[10] 張玉萍，肖光洋，王丹，等.可降解塑料的降解機理及影響降解過程的因素[J].綠色包裝，2021,71(11):17?21.Zhang Yuping,Xiao Guangyang,Wang Dan,et al. The degradation mechanism of degradable plastics and the factors affecting the degradation process[J]. Green Packaging,2021,71(11):17?21.

[11] 李求恩.生物可降解材料研究進展及國內外產業現狀分析[J].湖南包裝，2021,36(2):31?34.Li Qiuen. Research progress of biodegradable materials and analysis of domestic and foreign industry status[J]. Hunan Packaging,2021,36(2):31?34.

[12] 付凱妹，王秋紅，慕彥君，等. PBAT生產技術現狀及其研究進展[J].化工進展，2021,40(6):25?29.Fu Kaimei,Wang Qiuhong,Mu Yanjun,et al. Status and research development of PBAT production technology[J]. Chemical Industry and Engineering Progress,2021,40(6):25?29.

[13] 史鵬偉，郭品強，湯俊杰.高環氧基功能聚合物對PBAT/PLA復合材料性能的影響[J].工程塑料應用，2022,50(7):140?146,153.Shi Pengwei,Guo Pinqiang,Tang Junjie. Inflfluence of high epoxy groups functional polymer on the properties of PBAT/PLA composites[J]. Engineering Plastics Application,2022,50(7):140?146,153.

[14] 明五一，沈帆，何文斌，等.綠色電火花成型加工多目標工藝參數優化[J].機床與液壓，2020,48(1):23?28.Ming Wuyi,Shen Fan,He Wenbin,et al. Optimization of multiobjective process parameters in green-EDM process[J]. Mechanical Tools and Hydraulics,2020,48(1):23?28.

[15] 修雪穎，汪圣堯，黃兆閣.基于Moldflow的注塑閥門應用與仿真[J].現代塑料加工應用，2020,32(5):56?59.Xiu Xueying,Wang Shengyao,Huang Zhaoge. Application and simulation of injection valve based on Moldflow[J]. Modern Plastics Processing and Application,2020,32(5):56?59.

[16] 孫晉，李永泉，李峰.注塑成型工藝參數對汽車保險杠翹曲變形的影響研究[J].塑料工業，2011,39(5):49?53.Sun Jin,Li Yongquan,Li Feng. Effect of the injection molding processing parameters on automobile bumper warpage deformation[J]. China Plastics Industry,2011,39(5):49?53.

文章來源：工程塑料應用