收縮與翹曲仿真的案例
HyperMesh 與MoldFlow 聯合仿真在解決轎車儀表板翹曲收縮上的應用
摘要：轎車儀表板由于結構復雜、局部區域厚度分布不均勻，在注塑過程中產生了很大翹
曲和收縮問題。MoldFlow 在建立復雜產品的中面模型的建模能力有限，比較耗時耗力，因
此采用了HyperMesh 與MoldFlow 聯合仿真技術，利用HyperMesh 強大的幾何處理和網
格生成技術，快速產生網格指標優良的模型。在MoldFlow 中對冷卻方案進行優化，基本
解決了儀表板的翹曲和收縮問題，避免了重新開模帶來的成本和時間上的損失。
關鍵詞: 儀表板 中面模型 翹曲 收縮 工藝模擬 工藝優化
HyperMesh與MoldFlow聯合仿真在解決轎車儀表板翹曲收縮上的應用--謝曉龍.pdf
展開 塑膠材料的收縮與翹曲(二)
成品幾何形狀不對稱性對產品翹曲的影響
成品的幾何形狀如果具有不對稱性的設計，將會造成產品容易發生不均勻的冷卻現象，所以也會因為局部 的不同收縮量，而造成產品容易發生翹曲問題。例如 一平板產品其背面具有數目很多的補強肋(rib)設計， 或是補強肋都設計在特定單方向上，此種設計的產品 就很容易發生翹曲問題。在圖中的補強勒設計上，因 為在補強勒的內側勒墻位置很難去設計冷卻水路，所 以在此位置是屬于冷卻效果較差的區域。冷卻效果不 良將會造成此區域會有較高的收縮量，所以會導致如 下圖右邊所顯示的翹曲趨勢。
圖2: 不同厚度將影響產品的冷卻與結晶而造成翹曲 ;
翹曲現象的形成原因
翹曲現象的形成原因，主要是射出件產品的不同區 域，產生了不一致的收縮量值。對于產品厚度的變化、 不均勻的模溫分布、由成品厚度較薄區域充填到較厚 區域以及射出充填所產生的分子定向及纖維補強材的 定向效果都會影響射出件產品的翹曲變形。
圖3: 不良的補強肋設計所造成的翹曲問題
塑膠材料 在射出成行加工過程中進行冷卻固化時將會產生收縮 現象，而整體射出成品的收縮變化將會造成射出產品 的翹曲及變形。影響射出產品翹曲的因素有模具的冷 卻效果、定向效果、保壓效果及成品的厚度變化。不 均勻的模具冷卻效果，將會造成產品不同區域的收縮 速率不同，進而所產生的收縮量值也不同。而纖維補 強塑料一般會表現，在垂直流動方向上的收縮量值會 大于流動方向的收縮量值的趨勢。不均勻的纖維定向將導致在成品中產生不同的收縮量。成品中較厚區域 的收縮量值會高于成品中厚度較薄的區域，且較厚區 域因為冷卻速率慢，相對的持續的保壓效果也有限。
所以相對較厚區域的保壓效果不足也會使較厚區域的 收縮量值更大。
展開 塑膠材料的收縮與翹曲(一)
塑膠材料的收縮與翹曲(一)
■ 型創科技/ 劉文斌 技術總監
前言
在射出成形制程中，當高溫塑料熔膠射入模穴后開始進 行冷卻時，因材料熱漲冷縮的特性，所以會使塑料在冷 卻的過程中，持續伴隨著材料比體積 (specificvolume) 的減小，此冷卻過程所產生的體積減小，就是塑膠材料 的收縮現象。此收縮現象會持續進行直到成品冷卻到室 溫條件后，體積收縮變化才達到平衡狀態。然而有的材 料甚至會在室溫條件下，或因為吸濕、照光、受熱等狀 況，而啟動了產品內部的應力釋放，所以會再造成產品 體積上的持續收縮變化，此現象即是所謂的產品后收 縮，所以一般要檢驗產品尺寸是否已穩定沒有收縮變形 狀況,會去要求產品需靜置48小時后，再進行尺寸上的量測。
產品翹曲
而所謂的產品翹曲就是指成型產品的表面外觀發生變 形，使的產品外型無法依照設計上的外觀尺寸及形狀。 如果產品的整體收縮相當均勻，那產品就不會發生變形 或是翹曲的現象。換言之產品的變形或翹曲現象，主要 的形成原因就是在產品的局部位置上,發生了不均勻的 收縮現象。然而造成產品不均勻收縮變形的原因有許 多，例如：在成型過程中所產生的產品內部應力(流動 應力或收縮應力)，或是因為產品在某些位置上發生較 劇烈的分子鏈定向效果或補強纖維的排向現象，或是在成型時產品的整體溫度分布差異很大或溫度變化不一 致，或是在成型過程中產品的作用壓力差異極大(例 如常見在澆口附近發生過飽壓現象，遠離澆口的流動 末端卻飽壓壓力不足等)，或是在產品厚度方向不同 位置上，于成型冷卻固化階段時，所感受的壓力程度 也不盡相同等等??，因為造成產品不均勻收縮的原因 很多，且會互相影響；所以要使產品在成型后能有較 均勻的收縮，且產品的變形及翹曲程度能被接受或是 可藉由成型條件來調整控制，都需要先對塑料產品的 收縮及翹曲特性有所了解。
展開 塑料制品翹曲與收縮之間的關系
不均勻收縮對塑件的影響
塑件翹曲的原因在于不均勻的收縮，如果在模具設計階段不考慮填充過程中收縮的影響，則制品的集合形狀會與設計的要求相差很大，嚴重的變形會導致制品的報廢。
在注塑成型過程中，熔融料在注塑充模階段，由于聚合物分子沿流動方向的排列使塑料在流動方向上的收縮率比垂直方向的收縮率大，而使注塑件產生翹曲變形。
除填充階段會引起制品的變形外，模具上下壁面的溫度差也將引起制品上下表面收縮的差異，從而產生翹曲變形。對翹曲分析，收縮本身并不重要，重要的是收縮的差異。
貼近冷模腔面的熔體很快冷卻下來，而貼近熱模腔面的料層則會繼續收縮，收縮的不均勻將使塑件翹曲。
一般均勻收縮只引起塑料件體積上的變化，只有不均勻收縮才會引起翹曲變形。結晶型塑料在流動方向與垂直方向上的收縮率之差較非結晶型塑料大，而且其收縮率也較非結晶型塑料大，結晶型塑料大的收縮率與其收縮的異向性疊加后導致結晶型塑料件翹曲變形的傾向較非結晶型塑料大得多。
展開 
硬核文章 & 收縮與翹曲的形成機理與改善
另一方面，假如無添加填充材料的塑件具有高度的分子鏈配向性，則為非等向性之收縮，它在分子鏈排列方向有比較大的收縮率。液晶聚合物具有緊密規則排列的自我強化結構，其收縮傾向于非等向性。
圖7-9 塑件添加填充料與否，造成不同方向的收縮率差異。
不均勻冷卻以及塑件在公模、母模之間肉厚方向的不對稱冷卻都會導致收縮差異，如圖7-10所示。材料從模壁到中心層發生不均一的冷卻與收縮，結果會在頂出以后造成翹曲。
圖7-10 塑件翹曲，導因于(a)不均勻冷卻；和(b)不對稱冷卻。
塑件之收縮量隨著肉厚增加而增加。不均勻肉厚所造成的收縮差異是無添加強化填充材料之熱塑性塑料塑件發生翹曲的主要原因。更具體地說，塑件剖面肉厚的變化通常造成冷卻速率差異與結晶度差異，結果就造成收縮差異與塑件翹曲，如圖7-11所示。
圖7-11 低冷卻速率區域的高度結晶使塑件產生較大的收縮量
不對稱的幾何形狀會導致冷卻不均勻和收縮差異，造成塑件翹曲，例如圖7-12所示，在平板件的一側加設一排補強肋即為不對稱的幾何形狀。
圖7-12 塑件帶肋一側冷卻較差，導致翹曲。
殘留應力也會造成翹曲，加長成形品在模具內的冷卻時間可以改善此類翹曲。不均勻的冷卻也會造成翹曲。頂出時成形品溫度太高，頂針使成形品翹曲。另外，當熱的成形品掉入集料箱也會造成翹曲。
塑件溫度分布不均勻會造成塑件翹曲。
展開 PVT曲線：預測高分子材料收縮與翹曲的“熱力學密碼”
塑料制品的尺寸結構以及模腔內熔體的流動情況受到溫度、壓力、剪切等多種因素的綜合影響，在這種復雜的加工環境下，極易產生收縮、翹曲、縮痕、氣孔等不良缺陷。而聚合物的 PVT 關系曲線，作為模塑成型制品品質控制的科學基礎，為解決這些問題提供了關鍵線索。
以收縮和翹曲問題為例，在射出成型過程中，聚合物材料從高溫熔融態注入模具型腔后，會經歷冷卻和壓力變化的過程。如果在這個過程中，對材料的 PVT 關系掌握不足，就可能導致最終成型制品的密度不均勻。當制品不同部位的密度存在差異時，就會產生內部殘余應力，這種應力的存在是導致制品翹曲變形的主要原因之一。通過研究 PVT 曲線，我們可以深入了解材料在不同溫度和壓力下的體積變化規律，從而優化成型工藝參數，如調整保壓時間、保壓壓力以及冷卻速率等，使制品在冷卻過程中能夠均勻收縮，有效減少內部殘余應力，提高制品的尺寸精度和外觀質量。
四
PVT 曲線在模流分析中的重要作用
模流分析通過對模具內塑料熔體的流動、傳熱、保壓等過程進行模擬仿真，可以在模具制造之前預測制品可能出現的缺陷，如熔接痕、氣穴、翹曲變形等，從而提前優化模具設計和成型工藝參數，實現 “零量產” 的目標。而聚合物 PVT 曲線作為 CAE 模流仿真分析的重要輸入參數之一，其準確性直接影響著仿真結果的可靠性。只有輸入真實準確的 PVT 曲線數據，結合模具數據和成型機臺數據，才能更精準地模擬預測成型過程，提高 “零量產” 的成功率，推動射出行業向智能制造邁進。
五
PVT 測試與加工指導服務
國高材分析測試中心憑借其先進的技術設備和專業的人才團隊，在 PVT 測試方面具備顯著優勢，能夠為廣大科研人員和企業提供全方位的服務。
此外，還注重專業加工指導。
展開 Moldex3D模流分析之利用DOE模塊設定制程改善翹曲、線性收縮
然而由于 8 秒的冷卻時間會導致較嚴重的翹曲 ( 根據圖三的結果所示 ) ，此設定并不可行。
接著一樣使用Minitab來找出四項因素中，何者對線性收縮的影響最大。根據圖七的結果，保壓壓力是最大的影響因素，其次則依序是冷卻時間、熔膠溫度和充填時間。
由于8秒的冷卻時間會導致過高的翹曲量，因此必須在減少翹曲和線性收縮之間作取舍。前文提到保壓壓力比冷卻時間更容易影響線性收縮，故較合理的設定為：冷卻時間12秒、保壓壓力15MPa。
圖七 響應統計表 ( 線性收縮 )
比較 9 個項目的線性收縮結果后 ( 圖八 ) ，發現項目 6 的線性收縮最小。
圖八 節點間線性收縮之分區圖 ( 真圓度測量 )
效益
Moldex3D依據用戶所需求的規格，以數學運算找出最優化的項目(即項目10)。在此案例研究中，控制翹曲和線性收縮都同樣重要。根據以上的分析結果，要達到最低翹曲量，最佳制程設定是冷卻時間12秒、充填時間0.3秒；而另一方面，要達到最小的線性收縮，最佳制程設定則是冷卻時間8秒、充填時間0.1秒。最后Moldex3D在兩者之間取得折衷的制程設定：熔膠溫度225°C、保壓壓力15MPa、冷卻時間12秒、充填時間0.1秒。此設定即為最優化的項目。
如圖九的分區圖所示，和其他的九個項目相比，項目10(最優化項目)的翹曲量最小，同時線性收縮也相對較小。
圖九 最優化專案 ( 專案 10)
DOE 模擬結果 ( 圖十、圖十一 ) 顯示，此產品翹曲和真圓度都已大幅改善。翹曲量 約改善 了 20% 至 30% ，同時線性 收縮仍 控制在約 0.6% 至 0.7% 。
由此案例研究得知，模具設計和制造者應將這些仿真結果的數據視為相對的比較值，而非絕對的參考依據。
展開 【干貨分享】收縮與翹曲該如何解決？看這一篇就夠了！（上）
塑料射出成形先天上就會發生收縮，因為從制程溫度降到室溫，會造成聚合物的密度變化，造成收縮。整個塑件和剖面的收縮差異會造成內部殘留應力，其效應與外力完全相同。在射出成形時假如殘留應力高于塑件結構的強度，塑件就會于脫模后翹曲，或是受外力而產生破裂。
1、殘留應力
殘留應力(residual stress)是塑件成形時，熔膠流動所引發(flow-induced)或者熱效應所引發(thermal-induced)，而且凍結在塑件內的應力。假如殘留應力高過于塑件的結構強度，塑件可能在射出時翹曲，或者稍后承受負荷而破裂。
殘留應力是塑件收縮和翹曲的主因，可以減低充填模穴造成之剪應力的良好成形條件與設計，可以降低熔膠流動所引發的殘留應力。同樣地，充足的保壓和均勻的冷卻可以降低熱效應引發的殘留應力。對于添加纖維的材料而言，提升均勻機械性質的成形條件可以降低熱效應所引發的殘留應力。
1-1 熔膠流動引發的殘留應力
在無應力下，長鏈高分子聚合物處在高于熔點溫度呈現任意卷曲的平衡狀態。于成形程中，高分子被剪切與拉伸，分子鏈沿著流動方向配向。
假如分子鏈在完全松弛平衡之前就凝固，分子鏈配向性就凍結在塑件內，這種應力凍結狀態稱為流動引發的殘留應力，其于流動方向和垂直于流動方向會造成不均勻的機械性質和收縮。一般而言，流動引發的殘留應力比熱效應引發的殘留應力小一個次方。
塑件在接近模壁部份因為承受高剪應力和高冷卻速率的交互作用，其表面的高配向性會立即凍結，如圖7-1所示。假如將此塑件存放于高溫環境下，塑件將會釋放部份應力，導致.的收縮與翹曲。
展開 Moldex3D模流分析之翹曲分析考慮溫度差異和收縮差異效應
度差異效應 (Differential Temperature Effect) 注1 與收縮差異效應 (Differential Shrinkage Effect) 注2 為影響塑件變形的兩個主要原因。若能分析這兩種因子對塑件產品的影響，對于解決翹曲問題將會有很大的幫助。為了提升翹曲分析準確度，Moldex3D在翹曲分析新增這項分析功能，讓產品設計者能夠解析溫度差異效應和收縮差異效應的位移，更精準判斷造成翹曲的因素，提升開模成功率。以下將說明操作設定步驟：
步驟1：在計算參數 (Computation Parameter) 設定窗口中，點選翹曲變形頁面，接著勾選考慮溫度差異效應與區域收縮差異分析 (Consider differential temperature and shrinkage analysis)。
步驟2：分析完成后，在分析結果的翹曲變形(Warpage)項目中，將顯示考慮溫度差異效應與區域收縮差異分析后的翹曲情形。
步驟3：以下圖齒輪的分析結果為例，總區域收縮差異效應位移 (Total Differential Shrinkage Effect Displacement) 對于翹曲的影響，顯然大于總溫度差異效應位移(Total Differential Temperature Effect Displacement) 的影響，因此可以判斷收縮差異效應位移會是改善翹曲的首要考慮項目。
注1. 溫度差異效應位移為計算厚度方向上的體積收縮率與平均體積收縮率之差異，此結果反應出對象在厚度方向翹曲的趨勢。
注2.
展開 Moldex3D模流分析之利用DOE模塊設定制程改善翹曲、線性收縮
接著一樣使用Minitab來找出四項因素中，何者對線性收縮的影響最大。根據圖七的結果，保壓壓力是最大的影響因素，其次則依序是冷卻時間、熔膠溫度和充填時間。
由于8秒的冷卻時間會導致過高的翹曲量，因此必須在減少翹曲和線性收縮之間作取舍。前文提到保壓壓力比冷卻時間更容易影響線性收縮，故較合理的設定為：冷卻時間12秒、保壓壓力15MPa。
圖七 響應統計表(線性收縮)
比較9個項目的線性收縮結果后(圖八)，發現項目6的線性收縮最小。
圖八 節點間線性收縮之分區圖(真圓度測量)
效益
Moldex3D依據用戶所需求的規格，以數學運算找出最優化的項目(即項目10)。在此案例研究中，控制翹曲和線性收縮都同樣重要。根據以上的分析結果，要達到最低翹曲量，最佳制程設定是冷卻時間12秒、充填時間0.3秒；而另一方面，要達到最小的線性收縮，最佳制程設定則是冷卻時間8秒、充填時間0.1秒。最后Moldex3D在兩者之間取得折衷的制程設定：熔膠溫度225°C、保壓壓力15MPa、冷卻時間12秒、充填時間0.1秒。此設定即為最優化的項目。
如圖九的分區圖所示，和其他的九個項目相比，項目10(最優化項目)的翹曲量最小，同時線性收縮也相對較小。
圖九 最優化專案(專案10)
DOE模擬結果(圖十、圖十一)顯示，此產品翹曲和真圓度都已大幅改善。翹曲量約改善了20%至30%，同時線性收縮仍控制在約0.6%至0.7%。
由此案例研究得知，模具設計和制造者應將這些仿真結果的數據視為相對的比較值，而非絕對的參考依據。原因是在實際成型過程中有許多的不可控制因素，是無法在模擬分析中呈現的。
展開 Moldex3D模流分析材料性質與模型之PVT模型
在過去，熟化所導致的體積收縮在翹曲仿真中常會被忽略，但是最近有更多證據顯示其只考慮單純的PvT效應對于翹曲與殘留應力的計算是不夠的，尤其對于流長比較大的部件。只不過熱固塑料的PvT-C(熟化)關系并沒有被完整的確立，所以也沒有模型來描述熟化的影響，所以除了常數比容與修正版Tait模型2，也新增了兩個PVTC模型來納入熟化的影響。
兩域式Tait 修正模型(Two-Domain Modified Tait Model)
此熱固材料模型延伸自Tait 修正模型2，使用同一個公式來計算比容V，但是不同的是對熟化與非熟化的情形給不同的系數。由此可以分別得到熟化時與非熟化時兩個比容Vuncured和 Vcured再利用熟化率計算出實際的比容如下：
Spencer-Gilmore-C 模型 (僅適用熱固材料)
與原始的Spencer-Gilmore模型相較，多了一個參數, ζ, 來計算熟化(C)影響。
Tait-C 模型 (僅適用熱固材料)
與原始的Tait 模型相較，多了一個參數, ζ, 來計算熟化 (C') 影響。
展開 
設計仿真 | 聯合仿真助力美國西部數據公司完成印制電路板翹曲預測
圖3 PCB堆疊層(左)和對應的代表體積單元(右)
最后，在海克斯康工業軟件Marc非線性有限元求解器中模擬制造流程中的冷卻過程，以預測PCB翹曲。為了建立適當的分析模型，使用Digimat提供的PCB材料特性，在Marc中指定熱載荷和邊界條件。結果如圖4所示。圖4顯示了由于溫度變化而導致的PCB變形，通過模擬有助于建議適當的冷卻速度，以將翹曲保持在可接受的水平。此外，還可以同時調整材料和制造工藝參數，以達到所需的翹曲質量目標。
圖4 熱冷卻引起的PCB變形
總 結
本工程模擬研究揭示了如何在制造前預測和研究PCB翹曲。西部數據公司開發的方法使用Digimat-MF有效評估不同環氧樹脂和玻璃纖維成分的預浸料性能。可以在Digimat FE中使用這些預測的性能來評估在Marc中執行翹曲分析所需的PCB材料特性。這里描述的開發方法可以使西部數據公司的工程師進行PCB在不同溫度載荷下的翹曲行為研究，同時能顯著減少實驗測試時間和相關成本。
展開 超長混凝土結構收縮應力仿真分析
超長混凝土結構收縮應力仿真分析
一、工程概況
某市環球中心為大型綜合體（579.45m×107.50m），地下三層，地上二十二層，結構形式為框架—剪力墻結構。基礎采用筏板基礎。地下室平面長約580m，寬約108m。地上裙房長約530m，寬約80m，上部分布有6座塔樓。地下結構混凝土強度等級：基礎、梁板以及地下室外墻為C35，柱為C50。整體基礎沿平面兩個主軸方向設13條溫度后澆帶（圖1中的陰影條帶），寬度統一1000mm，見下圖。
地下3層為明顯超長的混凝土結構，為確保地下結構抗裂性能，有必要模擬成型收縮過程對其組合應力進行計算分析，即選定工況建立結構模型，按通常施工順序與分段用時，考慮混凝土成型收縮與彈性模量增長變化規律，對混凝土成型收縮過程進行時程分析。
二、技術目標
1. 以設計圖紙為基礎，結合現場實際情況，依據有限元分析結果，分析結構受拉應力理論值及其分布，以此分析裂縫理論開裂情況及其分布。
2. 結合現場裂縫開裂情況，驗證計算分析的合理性。
3. 結合裂縫開裂的內在機理，分析出開裂原因及特點，出具針對性的裂縫修復方案。做到貫通縫修復后不貫通，非貫通縫基本修復，恢復結構耐久性達到或接近規范要求的水平。
三、計算目標及設備情況
采用ABAQUS 軟件進行了混凝土收縮時程分析。計算分時段模擬結構澆筑成型步驟、先后澆筑的相鄰混凝土之間變形差的相對約束作用、各部位構件的實際內力增加過程，考慮后澆帶的位置與構造、考慮后澆帶貫通鋼筋的影響、考慮塔樓對裙房約束作用。
本模型計算采用仿真工作站，CPU為至強E5-2650（10核心20線程），內存32GB，硬盤2TB。
展開 基于PERA SIM 的電子封裝翹曲仿真分析
摘要：本文基于國產自主仿真軟件PERA SIM Mechanical建立了某疊層封裝翹曲的仿真過程，從導入幾何模型開始，到劃分網格、賦予材料參數、施加邊界條件和加載載荷，以及設置分析參數、進行分析得到仿真分析結果，實現了芯片翹曲全過程三維仿真。分析得到翹曲位移結果和應力結果，對預測和分析電子封裝潛在可靠性問題，優化芯片的結構和布局并提高芯片的整體性能提供依據。
關鍵詞：芯片翹曲；電子封裝；仿真
點擊下方視頻，查看精彩案例演示
1.引言
電子產品中需要使用大量封裝器件,封裝中使用了各種不同的材料，如芯片、基板、塑封等，這些材料具有不同的熱膨脹系數（CTE，Coefficient of Thermal Expansion）。當整個封裝經歷溫度變化時，例如從封裝過程時的高溫降到室溫，由于各種材料的熱膨脹系數不同，伸縮不一致，進而導致封裝產生翹曲。隨著電子產品集成度及電性能要求的進一步提高，封裝技術向超薄化發展，當封裝變薄后，剛性顯著降低，更容易變形，使得翹曲顯著加大。
封裝翹曲問題可能會導致電子產品性能下降、信號完整性問題或產生不良的互連。一方面，通過在設計階段進行仿真，工程師只需要在計算機對不同封裝模型進行建模模擬，不僅可以節省實驗原料成本，還可以快速識別關鍵問題所在；另一方面，工程師可以結合DOE分析，通過考慮多組參數對翹曲的實際影響，優化芯片的結構和布局，獲取最佳設計。
展開 3D輪廓掃描儀：零部件仿真數模比對、翹曲分析的“慧眼”
咨詢電話：020-66221668
部分素材來源于網絡
推薦閱讀
塑料螺旋流動測試：評估材料充模能力的核心方法
多尺度流體表征：旋轉流變儀讀懂物質從“固態”到“液態”的變形語言
室溫下金屬圓棒試樣高應變速率拉伸試驗影響因素分析
汽車安全氣囊塑料罩蓋點爆仿真材料卡片準確性提升研究
