材料擠出成型仿真的案例
非金屬復合材料成型仿真交流
大家好，我目前在做非金屬復合材料成型方面的仿真，主要涉及的軟件包括（PAM-COMPOSITE，ABAQUS，Moldex3D等），希望感興趣的同學加入這個群
921536817，大家共同交流。
Abaqus/Standard與Abaqus/Explicit的材料成型仿真模擬比較
材料的塑性成型過程中，我們往往需要確定在成型過程中作用在沖頭上的力，以及作用在毛柸和夾具上的力，同時也必須確定材料的塑性應變，是否超過材料的失效應變，進而確定在成型過程中材料是否發生斷裂。
在成型模擬中，涉及到多種物體之間的接觸，以及毛柸的大變形，因此是一個很強烈的非線性問題。Abaqus由于強大的非線性求解，在材料的成型模擬中應用廣泛。本文利用abaqus中的隱式求解方法standard與隱式求解方法explicit，模擬了同一個金屬板材加工成凹槽的過程。
一、模型的建立
板材的成型模擬過程可以簡化成如圖1所示的物理模型（采用了對稱原理）。毛柸在夾具和沖模的作用力下固定，對沖頭施加一個作用力，使毛柸發生塑性變形，進而形成我們所想要的形狀。
在abaqus中模擬過程中，我們采用二維平面應變模型。關于平面應變和平面應力問題，很多讀者可能會感到困惑。作者在這里對平面應變和平面應力的問題做簡要的區別。平面應變是材料應力應變六面體單元中,Z向的應變為0，只有X與Y方向的應變，一般對應于柱體的問題；而平面應力則是在應變應力六面體單元中,Z向的應力為0，只有X與Y方向的應力，一般對應于薄板的問題。本例中，毛柸在Z向的方向較長，Z方向的應變基本為0，因此本文采用平面應變模型求解。
圖1 成型分析的物理模型
對于毛柸，我們采用二維的可變實體單元建立模型。而對于沖頭，夾具與沖模，相對于毛柸來說，他們的剛性較大，在材料的沖壓成型中，變形可以忽略。因此，我們采用剛性體來模擬。在abaqus中，剛形體的建立有解析剛體和離散剛體。解析剛體一般用來模擬簡單的形狀，如曲線或者殼體；而離散剛體可以模擬任意復雜形狀的剛體。同時解析剛體不需要劃分網格，而離散剛體需要劃分網格。但是解析剛體和離散剛體都需要賦予參考點。
展開 設計仿真 | Digimat在電池殼體SMC復合材料成型工藝中的應用
SMC在電車電池殼體中的力學分析結構
#03「 應用價值 」
利用Digimat與工藝軟件、有限元仿真分析軟件的聯合仿真，實現了含有各向異性纖維的復合材料車身結構件的仿真分析。從材料微觀結構，制造工藝，結構件仿真全方面精確模擬不同條件下SMC車身結構件的力學性能，幫助企業優化工藝，節省材料損失，縮短研發時間，達到降本增效的目的。
Moldex3D仿真分析之壓縮成型快速生產復雜的復合材料部件
為什么使用壓縮成型模擬?
壓縮成型為塑料在高溫高壓的條件下被擠壓進預熱的膜腔中直到固化的成型過程。其制程可用于大量生產且達到低成本的制模，適用于具有復雜外觀、高強度或抗高沖擊性的產品。
壓縮成型能夠快速生產復雜的復合材料部件，Moldex3D支持許多不連續的且常用于壓縮成型的FRP材料，包含熱塑性材料GMT、LFT-G、LFT-D；也支持熱固性材料，例如SMC、BMC材料。
模擬挑戰
? 適合的材料數量
? 預測所需的鎖模力以確保達到正確的形狀
? 提供適當的成型參數以確保壓縮成型的質量
? 材料壓入模腔后的模具設計
? 偵測潛在的溢料問題
? 達到量產品質量一致
Moldex3D 解決方案
? 模擬單一填料或多個預填料設計的流動制程
? 可視化壓力分布、體縮率、殘留應力等分布情形
? 預測潛在的成型缺陷，如溢料或毛邊的產生
? 優化壓縮速度、壓縮力或模溫等成型條件
? 支援纖維排向與金線偏移分析
? 支持并行計算，加速完成模擬過程
單一預填料設計 兩對稱預填料設計
? 為了更準確地預測壓縮成型過程中的大變形，Moldex3D支持LS-Dyna（R15.0及更新版本）。 此整合解決方案允許用戶無縫地導入由LS-Dyna在初始壓縮變形過程中所計算的初始溫度，且用于Moldex3D的壓縮成型分析。 主要特點是
o 支持LS-Dyna材料卡以EFG方法考慮大變形
o 支持導入LS-Dyna所計算的初始溫度
o 可自定義初次預充填的纖維排向
產業應用
? 汽車
? 電子
? 消費性產品
Moldex3D建議產品
? Moldex3D Advanced Package
展開 
基于塑性材料的金屬冷成型仿真
--- 理解塑性 ￥5
本案例對彈性和塑料材料進行了對比模擬。
Abaqus基于粘彈性本構的復合材料固化成型仿真
Abaqus基于粘彈性本構的復合材料固化變形分析
復合材料制件成型過程中，由于材料自身的各向異性、樹脂基體的化學收縮反應以及模具作用等因素的影響，導致制件成型過程中產生殘余應力，引起固化變形，從而增加制造成本和裝配難度。因此，合理預測制件固化過程中殘余應力的發展，計算制件的固化變形量，成為降低制造成本、提高生產效率的重要手段。
復合材料固化成型仿真主要包括三個部分：熱-化學模型，固化動力學方程和固化本構。http://www.yqgqt.org.cn/content/post/1261705中介紹了固化成型過程中的熱化學模型和固化動力學方程。為了進一步研究復合材料的固化變形過程，本文又引入了粘彈性本構模型，采用完全熱力耦合的分析方法，預測了復合材料的固化變形。
目前常用的固化本構模型包括：線彈性模型，路徑依賴模型和粘彈性本構模型。
Zocher等提出的粘彈性本構模型其本構關系和應力增量方程為：
其中
式中St_im是歷史狀態變量
其中，增量步內的折算時間
式中，Cu_ij和Cf_ij分別為完全松弛剛度和未松弛剛度；aT、Wm和τm分別為轉換因子、權重系數和松弛時間。松弛時間和權重因子如下
通過Umat子程序編寫粘彈性本構模型，結合Hetval、Disp等子程序進行固化成型過程分析。有限元模型如下圖所示，包括復合材料及模具。在回彈分析時，通過Model Change 移除模具。
固化過程中的溫度和固化度關系的關系如圖所示
計算得到的溫度和應力的關系如圖所示
固化過程中的應力場如下圖所示
移除模具后，可以得到復合材料的回彈變形如圖所示
有關于子程序二次開發或者復材仿真的問題可以聯系QQ1653004885或者關注CAE320公眾號
展開 Abaqus基于粘彈性本構的復合材料固化成型仿真
復合材料制件成型過程中，由于材料自身的各向異性、樹脂基體的化學收縮反應以及模具作用等因素的影響，導致制件成型過程中產生殘余應力，引起固化變形，從而增加制造成本和裝配難度。因此，合理預測制件固化過程中殘余應力的發展，計算制件的固化變形量，成為降低制造成本、提高生產效率的重要手段。
復合材料固化成型仿真主要包括三個部分：熱-化學模型，固化動力學方程和固化本構。http://www.yqgqt.org.cn/content/post/1261705中介紹了固化成型過程中的熱化學模型和固化動力學方程。為了進一步研究復合材料的固化變形過程，本文又引入了粘彈性本構模型，采用完全熱力耦合的分析方法，預測了復合材料的固化變形。
目前常用的固化本構模型包括：線彈性模型，路徑依賴模型和粘彈性本構模型。
Zocher等提出的粘彈性本構模型其本構關系和應力增量方程為：
其中
式中St_im是歷史狀態變量
其中，增量步內的折算時間
式中，Cu_ij和Cf_ij分別為完全松弛剛度和未松弛剛度；aT、Wm和τm分別為轉換因子、權重系數和松弛時間。松弛時間和權重因子如下
通過Umat子程序編寫粘彈性本構模型，結合Hetval、Disp等子程序進行固化成型過程分析。有限元模型如下圖所示，包括復合材料及模具。在回彈分析時，通過Model Change 移除模具。
固化過程中的溫度和固化度關系的關系如圖所示
計算得到的溫度和應力的關系如圖所示
固化過程中的應力場如下圖所示
移除模具后，可以得到復合材料的回彈變形如圖所示
有相關需求歡迎通過微信公眾號聯系我們。
展開 應用FLOW-3D于材料擠出式增材制造
應用FLOW-3D于材料擠出式增材制造 (Material extrusion additive manufacturing)
作者：Jon Spangenberg / DTU (Technical University of Denmark)
本篇文章中，作者介紹了兩種不同材料的擠出式增材制造。
FDM Printing
Concrete printing
1. FDM printing
FDM printing采用polymer擠出進行3D打印。對研究方向而言，屬于沉積流 (Deposition flow)，流體在熱擠出頭內的流動更是研究重點之一。
從2018年開始，DTU開始針對FDM打印過程中的流體流動現象進行研究，最初研究時做了下列假設。
（1） 流體為不可壓縮流體
（2） 流體流動時黏度為固定值
（3） 忽略能量方程
（4） 不考慮沉積流的凝固現象
（5） 擠出條件由下列比例決定
? 打印速度/擠出速度 (VP/UC)
? 單層厚度/噴嘴直徑 (Lt/DC)
擠出頭內的條件設定如下。
測試用實驗設備照片及設計圖。
根據實驗，完成了下列圖表，不同材料在不同噴嘴直徑下的進給條件。
根據需求，建立了如下的流場信息進行仿真。
使用FLOW-3D進行仿真，仿真數據與實驗數據比對。
2. Concrete printing
混凝土打印屬于房屋3D打印計劃之一，工藝為wet-on-wet printing。
對研究人員來說，如何定義混凝土的流動模式是最重要的。
展開 擠出機螺旋修復方法及堆焊材料的選擇
螺旋絞刀是擠出機的主要工作部件，螺旋絞刀安裝在擠出機內的水平軸上，軸的一端裝在滾動軸承或滑動軸承上，另一長懸臂端則穿人擠出機的受料箱和泥缸，并少許插入機頭約20～50ram。
由于螺旋絞刀葉片外緣和根部的兩處泥料質點沿軸向的運動速度是相等的，而螺旋絞刀葉片外緣上泥料質點與絞刀葉片的相對速度，大于絞刀葉片根部上泥料質點與絞刀葉片的相對速度。而介于二者之間的各圓周上的相對速度，是從外徑到輪轂依次減小。
顯然，螺旋絞刀葉片與泥料相對速度大的部位磨損就大。因此，螺旋絞刀的失效形式是葉片外圈的嚴重磨損。絞刀的磨損是很快的，其磨損速度除了和絞刀的轉速有關外，還與擠壓力和土質有關。擠壓力大、土質差(如粘土含砂、雜質量多等)，絞刀磨損速度快。一般情況下。一副絞刀生產50萬~120萬塊普通粘土磚，就要進行修復或更換。
使用北京固本科技有限公司的螺旋耐磨焊絲加工螺旋絞刀，經過近1 年的使用觀察，證明北京固本耐磨焊絲堆焊螺旋絞刀可低成本生產600萬塊標磚。
在延長螺旋絞刀使用壽命方面，北京固本KB899耐磨焊絲能保證擠出機保持較長的工作狀態，產磚量達到800萬塊標磚，大大減少停機、檢修頻率，是大型擠出機性能得以發揮的必要條件。在設備維護成本方面，使用北京固本KB899耐磨焊絲后，以前設備每周維修一次，現在基本每兩個月維修一次。
頻繁的修復或更換絞刀，將給磚瓦廠帶來很大的麻煩，增加了維修工人的勞動強度，有時甚至影響生產的正常進行。因此，設法提高螺旋絞刀的耐磨性、延長使用壽命，是極為重要的。
展開 可視化射出成型技術探討循環再利用塑料材料成型特性──以聚丙烯材料為例
對于熱塑性塑料來說，塑料粒在經過射出機螺桿的塑化與剪切，其塑料分子鏈會被剪斷，黏度性質或流動特性可能產生變化，進而影響塑料產品成型。由目前文獻搜集可得知，學術上的研究發表大多在不同回收料添加比例、配方與制程特性上進行研究與探討，但對于塑膠原料經重復射出→粉碎→再射出，且不加入原塑料材料(Raw material)情形下的回收料之成型特性較少探討。
圖1：循環再利用塑料射出成型實驗流程示意圖
因此，本文章分享塑料在經過多次射出→粉碎→再射出的制程中（如圖1所示），透過在模穴內安裝壓力感測組件，觀察回收塑料射出成型過程熔膠流動長度與充填至模穴之壓力變化，并計算其黏度因子；藉以透過成型信息實時感測（成型信息可視化）方式了解不同回收次數之塑膠成型特性。
另一方面，透過熔融指數試驗機(Melt flow index tester)以及熱示差掃描分析儀(Differential scanning calorimetry, DSC)針對不同粉碎次數之實驗材料進行檢測，觀察塑膠原料回收次數增加后其熔融流動特性與熱性質變化。
最后，透過射出成型實驗進行成型試片機械性質測試觀察，將試片（ASTM D638拉伸試片）進行拉伸測試，藉由拉伸測試結果，并整合模穴壓力變化、黏度因子變化，以及相對應的回收料流動特性與熱性質變化，進行探討。
研究結果與討論
圖2(a)為原材料Raw-PP在多次回收粉碎過程后，進行射出成型實驗并觀察熔膠充填流動特性的變化，圖中顯示隨著回收次數增加，可明顯觀察到Melt flow rate隨回收次數增加而變大，意味著PP分子量隨著回收次數增加而變低，且回收次數到達4次以上時達到飽和。
展開 WORKBENCH流固耦合案例#292-螺桿（單）擠出機流場和應力仿真
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WORKBENCH流固耦合案例#292-螺桿（單）擠出機流場和應力仿真
01
案例介紹
如圖所示的螺桿（單）擠出機，擠出量可以設定為800kgh，螺桿轉速340rpm，物料密度700kg/m3，粘度1620Pa.s，物料含水率為30%，要模擬此過程中的流場和螺桿應力分布。
常見的金屬材料金屬材料成型方法
常見金屬材料主要有黑色金屬鐵及其合金，壓鑄模具以及有色金屬及其合金。有色金屬又叫非鐵材料。
鐵的合金主要為鋼和鑄鐵。工業用鋼分結構鋼，零件鋼，工具鋼和特殊性能鋼。常用鑄鐵分灰鑄鐵，可鍛鑄鐵，球墨鑄鐵和蠕墨鑄鐵。
常用有色金屬：鋁及鋁合金，鈦及鈦合金，銅及銅合金和軸承合金（錫基，鉛基，鋁基軸承合金）。
常用成型方法
冷加工：車，銑，刨，磨，鉆，拉（機加工）；冷軋、冷拔、冷鍛、沖壓、冷擠壓。
熱加工：鑄造，熱扎，鍛造，熱處理，焊接，熱切割，熱噴涂
自主仿真 | 基于PERA SIM的板折彎成型分析-折彎成型、非線性、塑性
計算得到的變形如下：
圖4 板折彎后的變形
計算得到的塑性應變如下：
圖5 板折彎后的塑性應變
為了能對機器噸位的選擇提供指導，提取約束反力如下：
圖6 板折彎后的塑性應變
從以上的分析結果可以得到，在板成型完成之后，板變形為V型，板的兩端上翹，上翹的最大位移為27mm。同時，在板折彎處，產生了塑性應變，最大塑性應變0.46。通過對約束反力的提取，可以得到需要施加的下壓力為17968N。這可以為機器噸位的選擇提供參考。
5.結論
本文以安世亞太自主研發的結構仿真軟件PERA SIM Mechanical，對板料折彎成型過程進行了有限元分析，得到了板折彎后的最終形狀和板的塑性應變，為板料折彎成型工藝過程中機器噸位的選擇和工藝參數的調整提供了一定的參考信息。
綜上可得，作為國產自主研發的仿真分析工具，PERA SIM Mechanical在計算板料折彎成型的過程中，能完整地對模型的材料定義、網格劃分、接觸設置、分析求解和結果查看進行處理，流程完善，非線性分析能完成收斂，求解器功能也比較強。
作者：廣州安世亞太 黃晶
展開 一文看常用材料成型技術
1
熱壓成型
橡膠，塑膠及纖維強化復合材料置入預熱模穴中藉由加壓成型。
熱壓成型示意圖
熱壓成型制成的鍵盤按鍵
2
熱成型
熱塑性塑膠板材料在加熱后加壓成型，適用成型板厚在1毫米至12毫米。
熱成型示意圖
制作過程如下
3
旋轉成型
旋轉成型用于制作具有等肉厚的中空形體，聚合物粉末沿著模具內壁經過加熱后，滾動翻攪自成無內應力的加工成品。
旋轉成型示意圖
制作過程如下
4
射出成型
射出成型是塑膠制品大量生產最重要的生產技術，它被用以生產種類極為繁多的日常生活用品，它能成型復雜形狀且尺寸差異大的產品，從大件的產品到很薄的小玩意。
展開 LSR 之材料特性與成型過程介紹
LSR 之材料特性與成型過程介紹
■型創科技/ 劉文斌 技術總監
液態硅烷橡膠的特性
液態硅烷橡膠(Liquid Silicone Rubber, LSR) 是種無毒、耐熱性、具高回彈性的柔軟熱固性材料，其流變行為的主要表現為具低黏度、可快速固化、剪切稀化現象以及較高的熱膨脹系數值。LSR 是以鉑金(Pt, Au)作為催化劑的兩液型快速固化材料，可采射出成型加工方式來成型，射出成型方式可達到大量制造、快速交聯固化，以及可重復性的穩定生產等加工優點。
圖1：液體硅橡膠是一種堅固，柔韌的材料，可以很好地保留其記憶力
LSR 塑料的射出產品具備較好的熱穩定性、抗寒性與優越的電氣絕緣性，燃燒時也不會產生有毒物質。LSR 塑料的應用領域極廣，舉凡健康用品、汽車、嬰兒用品、醫療用具、潛水用品、廚房用具，以及密封性應用產品等，LSR 塑料都是在現階段生產設計中不可取代的材料。
LSR 的成型加工制程
液態硅橡膠LSR 的成型加工只需要三個步驟：「計量混合」、「模塑成型」、「熟化定型」。液態硅橡膠LSR 具優異的流動性，在模具中固化后具有堅固性和柔韌性，使LSR 射出產品可進行非常態的細部結構與倒扣等設計，這是其它射出材料，如塑料或熱塑性彈性體等所無法做到的。LSR 通常是以射出機射出成型，其成型設備與熱塑性塑料常用的加工設備相似，但對于細部的要求卻不全然相同。
圖2：交聯決定了熱固性材料的許多特性，如強度，穩定性和耐熱性
LSR 塑料為雙液型或雙成份組成的液態原材料，分A液成份和B 液成份，市售包裝最常使用是20 公斤（約5 加侖）提桶或200 公斤（約55 加侖）圓桶包裝。
展開 