第11章：Moldflow 设计程序
11.1 确定分析目标
每个待分析零件都有由目标、限制和准则构成的不同约束，分析时必须考虑这些约束；但也不能限制过多，以至于找不到解决方案。Moldflow 能帮助识别问题和方案，不过设计必须保留弹性，以接受最初未想到的方案。
分析目标与可注塑的零件一样多样。有些只需流动分析，另一些还需冷却和翘曲分析，例如：零件能否充满；哪种材料在压力、剪切应力和温度分布等充填性能上最合适；应采用何种成型条件；浇口应在哪里、需要多少个；熔接线在哪里且质量是否足够；是否会有气穴；零件可做到多厚；在固定浇口位置下流动是否平衡；肋是太薄而无法充满，还是太厚而收缩过大；零件能否充分保压；卡扣在使用中会不会断裂；指定压力机能否充填和保压；流道是否平衡、应取何尺寸、体积是否最小；浇口是否过大或过小；能否达到 10 秒周期；翘曲是否超过 1.5 mm 公差；以及一副家族模成型的零件能否相互装配。这不是完整清单，但说明了分析可完成的工作。
11.2 Moldflow 分析步骤框架
实际分析步骤随零件和问题而变化，结果会引导不同的方案路径，而一个问题通常有多种、优劣不同的解决方式。流动、冷却和翘曲分析的基本流程为：优化零件充填、平衡和定尺寸流道、优化冷却、优化保压曲线，最后优化翘曲。
11.2.1 整个过程
从充填到翘曲的程序遵循第 4 章的 Moldflow 设计原则：先处理零件充填，再处理流道、冷却系统、保压和翘曲。以下各节逐项说明。
图 11.1：从充填到翘曲的零件优化基本步骤。
11.2.2 优化充填
充填优化是零件优化的第一项主要工作，也是后续所有分析的基础。它包括确定分析目标、准备模型、选材、选浇口、选择机器、确定成型条件和参数、运行分析、审查结果并迭代解决问题。
11.2.2.1 准备模型
从 CAD 系统导入零件几何并在 Moldflow 内划分网格，或直接导入有限元网格；详见第 5 章。
11.2.2.2 选择材料
运行分析需要经过专门测试的材料属性；所需项目取决于分析类型，通常包括流变、PVT、热学、填料、机械、收缩属性及推荐加工条件。Moldflow 有内容广泛的材料数据库；若找不到材料，可从 Moldflow 材料测试服务、材料制造商或其他来源取得数据。材料属性是分析的关键输入，劣质材料数据会降低结果可靠性。
图 11.2：优化充填所需步骤。
11.2.2.3 选择浇口位置
必须确定浇口数量和位置，这常正是使用 Moldflow 的原因，因此至少应定义一个初始位置。浇口会受零件设计和模具设计限制：外观要求可能禁止在某些区域进胶，关键区域不得有熔接线；模具类型、分型线、所需浇口类型（如自动切断浇口）以及斜顶、滑块或其他模具组件也会限制位置。第 7 章提供更多信息。
图 11.3：选择浇口。
11.2.2.4 选择注塑机
至少定义注射压力能力和锁模力能力。每项分析都有多数情况可用的默认机器，Moldflow 也有可选用具体设备的机器数据库；默认或具体机器的全部参数均可自定义。
11.2.2.5 确定成型条件
须定义模具温度、熔体温度和注射时间，这是充填或流动分析的基本条件。优化这些条件通常是关键步骤，也常需要同时审视浇口位置；相关讨论见第 2 章。
11.2.2.6 设定成型参数
参数包括基本充填分析所需的其他输入，开始时常使用默认值。关键参数包括速度转压力切换的方法和时机，以及保压曲线。
11.2.2.7 运行分析
此处运行的是只考察周期充填阶段的充填分析，零件达到 100% 充满时结束。充填阶段是多数问题发生或得到修正的阶段。初始工作不包括流道系统，只涉及零件本身，如第 4 章所述。
图 11.4：确定成型条件。
11.2.2.8 审查结果
完成充填分析后，审查结果以发现问题并确定后续路径。可审查的结果很多，但并非每次分析都使用；选择取决于分析目标和发现的问题。
11.2.2.9 解决充填问题
结果会凸显许多问题，例如短射、不良充填模式、熔接线质量差、气穴、高应力、高压力和高锁模力。解决充填问题是迭代过程，单次分析绝不会足够；总会出现需要追加分析的问题。视问题和拟议方案而定，可能只需二三次，也可能需要更多迭代。
11.2.3 平衡并确定流道尺寸
零件充填优化后，应确定流道系统尺寸和平衡。依布局和复杂度不同，流道可能只需定尺寸以最小化体积，也可能必须平衡，以获得零件内及零件间要求的充填模式。第 8 章讨论流道设计、定尺寸和平衡。
图 11.5：平衡并确定流道尺寸。
11.2.3.1 向零件添加流道
零件优化后再向模型添加流道，多数情况下在 Moldflow 中建模而非导入。若零件有多个浇口且不对称，流道尺寸是零件优化不可分的一部分，应在零件完全优化前添加流道。
11.2.3.2 确定优化的成型条件
为零件优化的成型条件在加入流道后必须修正，以考虑流道体积和其中产生的剪切热。流道充填需要时间，通常以注射时间规定零件充填，必须按下式换算为流量：
其中体积为一个型腔的体积。使用流量后，无论流道体积如何，零件本身充填时间始终保持最佳值；总充填时间会因流道体积增加。流道尺寸变化也会改变剪切热，但进入零件的温度应在零件充填分析确定的最佳熔体温度 ±5 ℃内。多数流道系统剪切热超过 5 ℃，可能达 30 ℃或更高；应运行充填分析确定剪切热，并将主流道入口温度降低相同数值，作为后续流道优化的良好起点。
11.2.3.3 确定平衡压力
自动流道平衡的关键输入是平衡压力。分析会改变流道尺寸，使充满模具（流道和零件）所需压力落在平衡压力的容差范围内。即使几何平衡的流道，也可用平衡分析缩小流道以节省体积，同时保持可接受压力。人工平衡时，平衡压力尤为关键：压力过高会使流道过小，过低会使流道过大。
11.2.3.4 至 11.2.3.7 审查、取整和验证
完成平衡分析后，审查充填模式和压力以判断平衡；结果不满意时，以修正的平衡压力再次分析。若平衡可接受，再查看流道尺寸；平衡虽好而尺寸过大或过小时，仍需用新平衡压力重做分析。将结果与标准尺寸比较，接近时可取整到标准尺寸；变动越大，模具越失衡。若手动改为标准尺寸，必须运行充填分析以确认零件仍可接受地充满。
11.2.4 优化冷却
流道定尺寸和平衡完成后，开始考虑模具冷却。最重要的是确定分析目标：要调查或解决什么问题？通常应尽量使模具表面温度均匀并最小化周期时间。运行冷却分析必须建立冷却水路模型；使用高导热嵌件时也可建模嵌件和其他组件。第 9 章说明水路布置规则，冷却组件通常在 Moldflow 中建模，也可导入。
图 11.6：优化冷却。
模具表面温度是最重要的冷却结果，越均匀越好；其他结果有助于判断温度分布问题的原因。若结果不可接受，须改变输入。冷却分析通常用于正确布置冷却水路并确定冷却液温度、流量等，这些参数会在优化过程中反复修订。
11.2.5 优化保压曲线
冷却分析后再做保压最合适，因为保压和补偿阶段由传热主导；此时工具从零件抽取热量的能力已被准确建模。保压分析的主要输出是体积收缩，其数值和分布决定线收缩与翘曲；优化目标是最小化体积收缩范围。
图 11.7：优化保压曲线。
11.2.5.1 确定初始保压压力和时间
可用的最大保压压力与机器锁模力有关：
11.2.5.2 审查结果
最常审查体积收缩、压力曲线和浇口冻结时间，以判定收缩是否可接受。若不可接受，利用这些结果决定如何修改保压曲线来改善体积收缩。要完全优化体积收缩，过程必须迭代。
11.2.6 优化翘曲
翘曲优化是零件优化的最后主要步骤，涵盖此前所有步骤，先前决策都会影响结果。降低翘曲时，可能必须回到任一前序步骤；不过若正确遵循设计准则，翘曲应已最小化，优化将主要是验证前序工作是否完成良好。
图 11.8：优化翘曲。
11.2.6.1 如何定义翘曲
翘曲分析的一项重大挑战是定义如何在塑件上测量翘曲。必须充分理解，使分析结果可与塑件实际测量方式比较；否则会错误使用分析结果。
11.2.6.2 确定翘曲量
第一步是在当前加工条件下测量零件翘曲量，并与零件公差比较以判定可接受性。若零件不符合公差，必须降低翘曲。
11.2.6.3 确定翘曲原因
若翘曲超过公差，须先确定原因。第 10 章讨论几何形状、材料和加工参数的复杂相互作用；但可将翘曲归为取向效应、面积收缩效应和差异冷却效应。确定三种主要原因后即可着手降低翘曲。
11.2.6.4 降低翘曲
降低至公差以下须针对主因，可通过多种方法实现，通常是反复评估多个方案以确定最实用或最经济的方案。对差异冷却，应降低型腔与型芯温差，例如增加水路、高导热嵌件或改变冷却液温度；对面积收缩，应减小各向同性收缩变化，例如减少壁厚变化、优化保压曲线和减小模温变化；对取向，应减小各向异性收缩变化，例如调整加工条件、改变浇口位置和减小模温变化。
图 11.9：降低翘曲。
11.3 使用 Moldflow 评估初始设计
11.3.1 示例说明与规格
示例零件为一个盖板，初始设计来自上一年度，但新年度规格更严格。本阶段评估初始设计是否需要进一步行动。盖板在双板双型腔模具中生产，注塑机锁模力为 100 吨、压力上限为 140 MPa。仅建模一个型腔，另一型腔与之对称，用出现次数技术计入。材料为 33% 玻纤增强尼龙 6。因装配要求，重新设计后底边平面度必须在 1.0 mm 内。初始位置是从零件底面销位进料的潜伏浇口，必要时可使用周边其他位置。
图 11.10：原始盖板设计。
11.3.2 成型窗口
对盖板做了不含流道系统的成型窗口分析。模温和熔体温度范围内加工窗口较宽，充填压力远低于机器上限，注射时间范围约为一秒，虽可更宽但已很可接受。选定条件为：模温 80 ℃（176 ℉）、熔体温度 280 ℃（536 ℉）、注射时间 0.9 s。
图 11.11：盖板的成型窗口。
11.3.3 充填分析
初始分析的浇口位置受原设计限制，暂不能优化，故充填模式不平衡。浇口左侧过保压，温度较低且冻结层较厚。流动前沿速度不均匀，必要时可用速度曲线处理；除上述问题外，其他结果没有显示问题。
图 11.12：盖板充填时间图。
11.3.4 浇口和流道设计
原系统为销位潜伏浇口，直径 1.0 mm。以 0.9 s 所需流量充填时，浇口剪切速率超过 181,000 s⁻¹，而尼龙限制为 60,000 s⁻¹；因含玻纤，实际应显著低于该限制。将浇口扩大至 2.25 mm 后，剪切速率降至 28,000 s⁻¹以下，对玻纤材料还可更低，但已可接受。
图 11.13：盖板浇口剪切速率。
原浇口和流道的剪切热超过 20 ℃（36 ℉）。原分析以最佳熔体温度为起点，后续分析降低主流道入口熔体温度，以使流动前沿进入零件时约为 280 ℃（536 ℉）；修订分析降至 267 ℃（513 ℉）。供料系统冷却时间中，主流道根部最长，约 19 s，多数零件约 4 s；盖板有一个约 12 s 冷却的厚凸台。准则是最大流道冷却时间不超过零件约两倍，考虑厚区 12 s 且主流道少于 24 s，19 s 合理。主流道孔又已是常用最小标准，进一步缩小并不实际；玻纤尼龙只需较小截面积冻结即可顶出。
11.3.5 冷却系统设计
盖板冷却系统由型腔和型芯各一个回路组成，每个回路有四条水路。最终仅在型芯添加 BeCu 嵌件以更有效抽热。
图 11.14：修订后的冷却系统。
模具表面温度应尽量均匀；对半结晶材料，应在目标 80 ℃（176 ℉）的 ±5 ℃内，但这通常很难。原设计使型腔大部分过冷，型芯温度高达 124 ℃（255 ℉）；主要问题是凸台与侧壁之间的窄区，令型芯升高 15 ℃。使用 BeCu 嵌件后型芯温度相当均匀，超过 50% 的零件表面在 ±5 ℃严格公差内，少于 10% 超过 ±10 ℃公差，且主要偏冷。
图 11.15：盖板的模具表面温度。
原设计和修订设计都通过调整冷却液温度使平均模具表面温度接近目标。原设计中型腔和型芯入口温度不同，未必实用；修订后相同。厚度方向两个位置的温度剖面也显示改善：原设计中型芯侧比修订设计高 20 至 35 ℃，而型腔侧水路未改，温度基本相同。
图 11.16：原始和修订冷却设计在零件两个位置的温度剖面。
11.3.6 保压分析
保压分析在未大量优化的情况下，得到合理的体积收缩范围。材料为玻纤增强，纤维取向通常决定翘曲；若翘曲超差且根因是差异收缩，可再优化保压。所得 3% 至 5.1% 的体积收缩范围良好。
11.3.7 翘曲分析
保压完成后可运行翘曲分析，主要关注底边平面度，要求在 1.0 mm（0.039 in）内。为便于判断平面度，固定四个角中的三个形成测量偏转的参考平面。底边约翘曲 1.5 mm（0.059 in），为公差的 1.5 倍。
图 11.17：盖板原始设计的底边翘曲，翘曲量放大 10 倍以更清楚显示形状变化。
11.4 使用 Moldflow 优化设计
11.4.1 确定翘曲原因
翘曲分析显示盖板明显超出平面度公差，因此必须修正。许多零件有多种原因和相互抵消的效应，例如差异收缩为主因而差异冷却抵消其一部分。该盖板几乎全部翘曲来自取向效应，差异冷却和差异收缩只有轻微抵消作用。
11.4.2 研究不同浇口位置
对纤维填充材料，取向效应可指分子或纤维取向，其中纤维取向占主导。纤维在厚度方向的取向非常复杂，可从沿流动方向高度取向变为随机，再变为横向高度取向。径向流动前沿倾向使纤维横向取向，剪切速率则倾向使纤维沿流动方向取向。浇口位置通过影响流动前沿形状而强烈影响纤维取向，因此研究了周边多个位置。
长边中心单浇口使翘曲变得更差，偏转为 2.24 mm；窄边单浇口为 1.18 mm、双浇口为 1.29 mm，均未低于 1.0 mm 公差。这些位置未包含流道系统且加工条件相同，虽可优化注射时间，但还需研究其他方案。
图 11.18：盖板不同浇口位置与底边偏转的比较。
随后试验原先排除的零件中心位置，底边偏转降至 0.92 mm，已在公差内。改变位置意味着模具需从双板冷流道改为双板热嘴；在设计早期作此改变并非重大问题，且可用 Moldflow 清楚展示收益。
图 11.19：盖板顶部浇口的偏转。
11.4.3 验证最佳浇口位置
此前在未附流道系统下研究各浇口，移动后必须为最佳位置设计供料系统。
11.4.3.1 重新设计型腔冷却水路
浇口移至零件中心后，因热嘴位置必须重设计水路，横跨零件的水路主要由 x 方向改为 y 方向。
图 11.20：原始和修订的型腔冷却液管线位置。
11.4.3.2 设计热嘴
确定浇口后，再做成型窗口分析验证注射时间。流长缩短，应稍快；原 0.9 s 可用，但 0.7 s 略好。热嘴孔最初设为 2.0 mm，首次分析的剪切速率接近 80,000 s⁻¹，超过材料限制；更快注射时间的翘曲更低。将浇口增至 2.5 mm、流量提高使标称注射时间为 0.6 s 后，翘曲再次降低，剪切速率也降至 53,000 s⁻¹。对玻纤材料该速率应更低，但孔口已大于零件标称壁厚；应咨询热嘴供应商，确认能否达到目标孔径而不在零件上留下大痕迹。
11.4.3.3 含流道系统的翘曲
热嘴定尺寸后，进行保压分析，使体积收缩与注射位置直接在零件上的分析大致相同。冷却和充填改变后，翘曲优于仅改变零件浇口位置的情况：原浇口偏转 1.53 mm，最终顶部浇口偏转 0.73 mm。
图 11.21：采用原始和最终浇口位置时零件底边的翘曲。