基于Moldflow的双色成型数值分析及正交法优化

谭安平，尹小燕，刘克威

（成都理工大学 工程技术学院，四川省乐山市 614000）

双色成型是两种塑胶材料在同一台双色注塑机上注塑，分两次成型，但产品只出模一次。双色成型的后模必须完全一样，第1色材料的熔点必须高于第2色［1-2］。双色成型的考察重点为：（1）第2色熔体是否会融化第1色固体的表面胶料；（2）总的翘曲变形量是否在规定范围内。通过Moldflow软件的热塑性塑料重叠注射模块，可以模拟双色成型的充填流动情况，并预测在不同工艺条件下双色成型制品的翘曲变形量。

1 Moldflow软件前处理

1.1 某双色塑料扣板的3D数据及材质

某双色塑料扣板3D Unigraphics NX（UG）建模见图1，产品总尺寸为195 mm×103 mm×49 mm，总体积为63.69 cm3。第1色材料为聚酰胺（PA）66，广州金发科技股份有限公司，牌号为PA66-C112 NC013，熔体密度为0.961 g/cm3，固体密度为1.151 g/cm3。推荐加工工艺参数为：熔体温度285 ℃，模具温度60 ℃。第2色材料为热塑性聚氨酯弹性体（TPU），美国路博润公司，牌号为Estaloc 59300，熔体密度为0.961 g/cm3，固体密度为1.151 g/cm3。推荐加工工艺参数为：熔体温度230 ℃，模具温度74 ℃。第2色材料熔体温度低于第1色熔体温度，满足双色成型的条件。

图1 某双色塑料扣板的3D模型Fig.1 3D model of double-shot molded plastic gusset

1.2 网格划分

双层面网格不能分析装配体的翘曲变形，因此，双色产品应该采用3D网格。用Moldflow Desgin Link模块对产品进行3D网格划分，修复完成后见图2。网格在厚度方向上的正四面体层数为6层，弦角度为60°，四面体个数为821 720个，最大纵横比为15，最大二面角为160°。为了保证重叠分析能够正常运行，第1色和第2色接触面的节点已经对齐。

1.3 浇注系统和冷却系统的建立

图2 3D网格划分Fig.2 3D meshing

网格划分完成后，应建立合适的浇注系统和冷却系统。第1色外观要求比较高，浇口不允许设置在产品的外表面，采用了潜伏式浇口，流道为冷流道。第2色产品为弹性体，为了保证良好的填充性，采用热流道系统，浇口为直浇口。产品无深腔及复杂的内部特征，可采用常规的冷却水路布置形式。由于产品尺寸不是很大，可采用一模两腔的型腔布局。建模完成后浇注系统和冷却系统见图3。

图3 浇注系统和冷却系统建模Fig.3 Modeling for gating and cooling systems

2 Moldflow软件模拟结果

系统默认的工艺参数为材料推荐的熔体温度和模具温度，保压压力设为最大注射压力的80%，保压时间为10 s。采用默认工艺参数，分析序列设为填充+保压+重叠注塑充填+重叠注塑保压+翘曲，模拟完成后主要考察重新融化区域及翘曲变形量这两个分析结果。

2.1 重新融化区域

双色成型过程中，在第1色成型完毕并冷却结束后，第1色熔体凝结成固体，未从模具中顶出。此时，后模旋转180°，第1色固体成为第2色型腔的一部分。若第1色温度较低或2种材料温度接近，当第2色熔体进入型腔时，第1色固体表面达到熔点被融化，并可能被第2色的熔体料流冲蚀带走。其结果是：产品颜色混乱、影响产品外观、密度不均匀、收缩率不一致、翘曲变形的风险增加。

默认工艺参数的第1色PA 66熔体温度为285℃，第2色TPU的熔体温度为230 ℃，模拟结果显示没有重新融化区域。当PA 66的熔体温度为265℃，TPU的熔体温度为240 ℃时，模拟显示：第1色存在重新融化区域，见图4。分析可知：虽然第1色PA 66的熔体温度较第2色TPU高25 ℃，但剪切应力过大可能导致TPU熔体局部温度过高，使PA 66达到熔点而融化。

图4 第1色重新融化区域分布Fig.4 Distribution of remelting area of the first shot

2.2 翘曲变形量

默认工艺参数下，双色成型产品的总翘曲变形见图5，翘曲变形量为2.853 mm，变形量偏大，需要进行优化。

图5 默认工艺参数下某双色塑料扣板的翘曲变形量Fig.5 Warpage of double-shot molded plastic gusset under default process parameters

图6 注射时间与成型质量的关系曲线Fig.6 Relationship curve between injection time and molding quality

产生翘曲变形的原因主要有：收缩不均、冷却不均和取向效应［3］。查看分析结果，冷却不均和取向效应产生的翘曲变形量非常小，不到0.100 mm，可忽略不计。因此，翘曲变形产生的原因主要是收缩不均。收缩不均是指产品不同区域的收缩率不一致，其原因主要是浇口不合理、产品壁厚不均匀或工艺参数设置不正确等［4］。优化的方法是先调整工艺参数，若不能解决问题再调整浇口，仍不能解决问题再调整产品壁厚。

3 工艺参数优化

工艺参数包括熔体温度、模具温度、注射时间、保压压力、保压时间等，双色成型工艺参数数量为普通注塑成型的2倍。其中，注射时间和保压时间这两个参数可以通过Moldflow软件分析得到。

3.1 注射时间

注射时间是注塑成型过程中的一个关键参数。若注射时间过短，极高的注射速度会使浇口区域产生很大的剪切应力，局部摩擦加剧，产生高温；若注射时间过长，注射速度过慢会因材料的冷却，黏度增加而不易流动，造成注射压力高，甚至发生短射［5］。

对第1色和第2色分别进行成型窗口分析，可以得到不同模具温度和熔体温度条件下的最佳注射时间。从图6可以看出：当第1色熔体温度和模具温度为材料推荐工艺参数（模具温度60 ℃，熔体温度285 ℃）时，曲线的最高点坐标为（0.733，0.865），其物理意义为：当注射时间为0.733 s时，成型质量达到最高。因此，第1色最佳注射时间约为0.733 s。同理，当第2色熔体温度和模具温度为材料推荐工艺参数（模具温度74 ℃，熔体温度230℃）时，第2色最佳注射时间为0.537 s。

3.2 保压时间

在保压的过程中，熔体流速很小，保压时间必须适当。若保压时间过短，则熔体不能到达制件表面缩水的位置，制件可能发生短射、缩水等缺陷；浇口冻结以后，制件的质量不再增加，继续增加保压时间是徒劳的，会造成成型时间增加、能源浪费、成本增加等。

Moldflow软件可以通过分析型腔质量得出浇口冻结的时间，然后通过计算得到最佳保压时间。从图7可以看出：当曲线达到拐点后，型腔质量达到定值，不再增加。当第1色和第2色成型时间分别为7.978，10.280 s时，型腔质量分别为32.06，21.76 g。这表明浇口已经冻结，熔体不能继续进入型腔，此时为最佳保压时间。根据公式：成型最佳保压时间=浇口冻结时间-最大注射压力时间，得到第1色最佳保压时间约为7 s，第2色约为8 s。

图7 成型时间及型腔质量关系曲线Fig.7 Relationship curves between molding time and cavity weight

4 正交试验优化

为了使双色成型制品的翘曲变形量较小，确定注射时间和保压时间后，还需要对熔体温度、模具温度、保压压力进行田口正交试验，以获得最佳工艺参数组合。

4.1 正交试验设计

选取两次成型的熔体温度、模具温度、保压压力共计6个参数作为因素，并为每组因素设定3个水平，参数设定主要根据推荐的工艺参数及系统默认保压参数。正交试验的因素与水平见表1。

表1 正交试验的因素与水平Tab.1 Factor and level of orthogonal test

建立6因素3水平的正交试验L27（36），将每组参数输入Moldflow软件中，实验1～实验27的翘曲变形量分别为2.833，2.733，2.433，2.633，2.415，2.307，2.653，2.633，2.915，2.516，2.556，2.356，2.833，2.402，2.433，2.633，2.533，2.533，2.733，2.833，2.053，2.526，2.456，2.422，2.587，2.454，2.554 mm。

4.2 正交试验结果分析

极差体现了因素变化对实验指标的影响程度，极差越大，表示所对应的工艺参数对实验目标（翘曲变形量）影响越大，这个因素就越重要［6］。从表2可以看出：影响某双色塑料扣板翘曲变形量的工艺参数中，其重要程度由大到小依次为E，C，B，A，D，F。

各影响因素的均值主效应曲线见图8，查看曲线的最低点，可以得到最佳工艺组合为A3B2C2D2E3F2，即：第1色熔体温度295 ℃，第2色熔体温度230 ℃，第1色模具温度60 ℃，第2色模具温度74 ℃，第1色保压压力为最大注射压力的90%，第2色保压压力为最大注射压力的80%。

表2 翘曲变形量的极差分析Tab.2 Range analysis of warpage deformation results

在工艺设置里输入最佳工艺参数后重新模拟，从图9可以看出：翘曲变形量为1.975 mm，较默认工艺参数（2.853 mm）降低31%，满足装配要求，不需要调整浇口或改变壁厚进行优化。

图8 各影响因素的均值主效应曲线Fig.8 Mean main effect curves of various influencial factors

图9 最佳工艺参数下得到的所有效应翘曲变形量Fig.9 Effect warpage deformations obtained by optimum parameters

5 结论

a）为了预测双色成型可能出现的问题，运用Moldflow软件对产品进行网格划分，对浇注系统和冷却系统进行建模，对每一色赋予相应材料。

b）第1色和第2色最佳注射时间分别为0.733，0.537 s；第1色和第2色最佳保压时间分别为7，8 s。

c）采用正交试验优化工艺参数，得到各因素影响程度由大到小依次为第1色保压压力，第1色模具温度，第2色熔体温度，第1色熔体温度，第2色模具温度，第2色保压压力。最佳工艺组合为：第1色、第2色熔体温度分别为295，230 ℃，模具温度分别60，74 ℃，保压压力分别为最大注射压力的90%，80%。使用最佳工艺组合得到的翘曲变形量为1.975 mm，较默认工艺参数变形量（2.853 mm）降低31%，满足双色成型质量要求。