模流分析的精確性很大部分取決于輸入條件是否正確。一般的模擬大多僅分析模座中的行為，而省略了如圖一中射出單元的部分。材料受到螺桿擠壓，經(jīng)由料管、噴嘴，最后進(jìn)入模穴的一連串過程，皆被簡化為理想的流率施加在進(jìn)澆口上。然而，這種做法忽略了材料在料管與噴嘴中流動所產(chǎn)生的性質(zhì)變化，進(jìn)而影響到了進(jìn)入進(jìn)澆口流率、溫度與黏度的真實(shí)性，導(dǎo)致模擬與實(shí)際生產(chǎn)條件在一開始就產(chǎn)生差距。若要克服這種差距，料管內(nèi)的模擬就至關(guān)重要。

圖一 射出成型示意圖 [1]

傳統(tǒng)模擬將螺桿施加在熔膠上的力簡單地轉(zhuǎn)換為流率。若要完整考慮螺桿擠壓熔膠的動態(tài)行為，須在分析中導(dǎo)入料管與射嘴的模擬。材料在料管與射嘴中受到的壓力時，依據(jù)材料本身的PVT特性與程序中計(jì)算的元素壓縮，其密度變化可由公式描述如下[2]：

【資料圖】

其中ρ為密度、V為比容、ub為速度、dsi為面積、dt為時間步進(jìn)。

在熔膠被螺桿推擠進(jìn)入模穴的過程中，材料被壓縮，比容變小，體積流率也漸漸降低。此外，隨著熔膠流至狹窄的噴嘴時，劇烈的剪切生熱將加熱材料。如圖二所示，原本料溫為190℃的材料在通過噴嘴時溫度上升到了195℃，噴嘴內(nèi)壁也可看到一層較高溫的分布。位于料管后端的塑料有較長的距離會受到剪切生熱的影響，而當(dāng)這些較高溫的塑料向前流動，從噴嘴進(jìn)入模穴的塑料溫度就會隨著時間升高，如圖三。若沒有考慮來自料管與噴嘴的影響，則這些差異都將造成模擬與現(xiàn)實(shí)的差距。

圖二 料管與噴嘴溫度分布圖

圖三 噴嘴溫度隨時間分布圖

透過moldex3d，使用者可以藉由建立Nozzle Zone來模擬真實(shí)螺桿壓動熔膠的行為。有了此項(xiàng)技術(shù)，材料的比容在料管中受到壓縮影響，進(jìn)而影響射壓的現(xiàn)象即可被模擬呈現(xiàn)。由圖四可以看出，在進(jìn)澆口處的流率由于材料壓縮的影響，明顯小于螺桿尖端處的流率。壓縮性越好的材料，兩處的流率差異會越明顯。正確的流率可以改善在模擬中模穴填飽時間及VP切換點(diǎn)過早的問題。由圖五可看出，進(jìn)澆口與螺桿尖端間存在著約5MPa的壓力差。若不考慮料管與噴嘴，則此5MPa的壓力就無法呈現(xiàn)，模擬的射壓就會低于實(shí)際的射壓。

圖四 料管壓縮造成的流率變化

圖五 進(jìn)澆口壓力與射出壓力

模擬與實(shí)驗(yàn)的短射比較如圖六，在三個不同的行程下實(shí)驗(yàn)與模擬都有很好的一致性。射壓的比較如圖七，實(shí)驗(yàn)的壓力峰值為846 Bar，而模擬則為845 Bar，兩者已經(jīng)非常接近。此案例的保壓切換點(diǎn)被設(shè)計(jì)在處于近乎滿模但又不至于因?yàn)檫^晚導(dǎo)致射壓沖高的位置，因此適合用來驗(yàn)證模擬的精確度。由圖七(b)可以看出在到達(dá)VP切換點(diǎn)的瞬間，模擬的射壓沒有因?yàn)樘嵩鐫M模而沖高，且與實(shí)驗(yàn)值十分接近。證實(shí)材料在料管與噴嘴的流動確實(shí)對于其在模穴內(nèi)的行為有不少的影響。

圖六 實(shí)驗(yàn)與模擬短射比較圖圖七 射出壓力與(a)時間、(b)螺桿位置比較圖

為了確保模流分析的精確度，須盡量降低現(xiàn)場與模擬給定條件的差異。由本文可看出，模擬中納入料管與噴嘴，才能得到更加真實(shí)的流率與料溫，提高仿真和現(xiàn)場制造之間的一致性，以制造出優(yōu)化的產(chǎn)品。

Reference[1] Reinhard Fechter, et al. 2019, March, “ SIMULATION OF FLOW THROUGH AN INJECTION MOLDING MACHINE NON-RETURN VALVE; INFLUENCE OF MATERIAL PARAMETERS,” IPC 2019 – Madison, WI, USA March 15.

[2] Computer-implemented simulation method for injection-molding process Patent number: US16/587,858