技术文章 | 注塑工艺对厚壁光导件收缩缺陷的影响研究

标题：The effect of injection process parameters onthe shrinkage defection of thick wall product based on moldflow and orthogonal experiment

作者：Jia Wei

通常，为保证注塑件的质量、生产效率及成本，需将塑件产品壁厚限制在一定范围之内，且尽可能均匀分布。但随着LED技术在车灯行业的成功应用，以及客户需求、造型、配光性能等各方面的因素，厚壁光导件在车灯上的使用日趋广泛。与普通注塑产品相比，厚壁注塑件更容易产生因物料补缩不足而导致的表面缩痕与内部缩孔等缺陷。

相对而言，普通注射成型工艺的适应性更为广泛，通过针对性的调节一些注塑工艺参数，也可以得到质量合格的厚壁制品。因此，本文基于普通注射成型工艺，利用Moldflow软件以及正交实验方法来分析各工艺参数对厚壁塑件表面缩痕的影响程度和规律，为快速优化并确定最佳工艺参数提供可靠依据。

1.1       厚壁光导件有限元建模

本例分析对象为厚壁光导件的简易模型，外形尺寸为127.6×61.2×115.1 mm，体积为79.5 cm³，壁厚为8.4~14.6 mm均匀过度，所用成型材料为光学PC材料，成型后产品的理论质量为94.7 g。

优质合理的网格划分可以有效提高模拟的精度，为生产实践提供正确的指导。本文Moldflow分析中采用3D网格模型。图1为该产品的轮廓尺寸及在Moldflow中的建模，共1450302个四面体单元。

图1 产品尺寸及建模信息

1.2       正交实验方案及仿真分析

在研究工艺参数对厚壁注塑收缩缺陷的影响时，由于工艺参数及水平个数多，如果进行全面组合试验需要耗费大量的时间和精力。而利用规格化的正交实验可以较少的试验次数来完成原本需要全面试验才能达到的效果，获取试验因素对试验质量评价指标的影响趋势以及最优的试验因素水平组合。

1.2.1       确定评价指标

本文的研究目标是注塑工艺参数对厚壁光导件收缩缺陷的影响。不仅要将表面缩痕控制在一定范围，而且要禁止出现内部缩孔。因此除了将Moldflow中缩痕指数作为评价指标外，还将平均收缩率，产品在保压结束时的质量也作为评价指标。

1.2.2       正交实验因素和水平的确定及仿真分析

塑件注塑过程中，填充模式和保压工艺均会影响制件的收缩缺陷。因此要研究的工艺参数包括注射时间、模具温度、熔体温度、保压压力、保压时间等5个主要的因素，各因素分别取5个水平值，即5因素5水平实验，如表1所示。根据表1的因素水平，需采用L₂₅(5⁶)正交表，共25组实验方案，如表2所示。在Moldflow软件中进行仿真分析，对每次实验方案的缩痕指数、平均收缩率、产品保压结束时的质量进行记录。

表1 影响因素水平表

表2 正交实验方案

2.1    各个工艺参数对收缩缺陷影响的程度

利用极差分析法，可以在影响厚壁制品收缩缺陷的因素中，找出对收缩缺陷影响程度最大的因素，从而可以在实际试模中，更快的找到合适的成型窗口。计算出各个工艺参数对应于三个评价指标的极差，结果如表3所示：

表3 模拟结果极差分析

从上述表3可以很清晰的看出，各工艺参数对厚壁注塑件收缩缺陷的影响程度依次为：模具温度>保压时间>保压压力>注射时间>熔料温度。

2.2       单个工艺参数对收缩缺陷影响的规律

研究了各工艺参数的影响程度，还需进一步分析单个工艺参数的不同水平取值，对收缩缺陷的影响规律。

2.2.1       模具温度对收缩缺陷的影响

上述研究表明，模具温度对厚壁光导件收缩缺陷的影响程度最大，改变模具温度可使产品的收缩缺陷变化非常明显。图2为模具温度对厚壁光导件收缩缺陷的影响规律。从图中可以看出，当模具温度升高，缩痕的深度增加非常明显，而产品的平均收缩率和总体质量变化不太明显，即产品的表面缩痕对模具温度非常敏感，但模具温度对产品整体的收缩影响比较小。因此当产品出现表面缺陷，而没有内部缩孔时，应首先降低模具温度。但模具温度不能过低，否则会导致爬纹等缺陷。

图2 模具温度对厚壁光导件收缩缺陷的影响趋势

2.2.2       保压时间对收缩缺陷的影响

图3为保压时间对厚壁光导件收缩缺陷的影响趋势。从图中可以看出，随着保压时间的增加，产品的表面缩痕呈线性下降；产品的平均收缩率也有较大下降；产品的总体质量相应的出现增加。因此，单从改善收缩缺陷来看，保压时间越长越好，直至浇口冻结为止。

图3 保压时间对厚壁光导件收缩缺陷的影响趋势

2.2.3      保压压力对收缩缺陷的影响

图4为保压压力对厚壁光导件收缩缺陷的影响趋势。从图中可以发现，虽然随着保压压力的增加，制品的表面缩痕和内部缩孔都可以得到改善，但保压压力的变化对厚壁光导件收缩缺陷的影响都比较微弱。而且，保压压力过大，容易在产品内部形成大的残余应力，导致变形也会增大。因此保压压力也不是越大越好。结合保压时间，优化出合理的保压工艺曲线非常有必要。

图4 保压压力对厚壁光导件收缩缺陷的影响趋势

2.2.4       注射时间对收缩缺陷的影响

图5为注射时间对厚壁光导件收缩缺陷的影响趋势。从图中可以看出，注射时间对厚壁制品的收缩缺陷影响较小，延长注射时间可以在一定程度上削弱厚壁制品的收缩缺陷。但如果注射时间过长，料温就会骤降，从而导致一些其他的填充缺陷。

图5 注射时间对厚壁光导件收缩缺陷的影响趋势

2.2.5       熔料温度对缩痕的影响

图6为熔料温度对厚壁光导件收缩缺陷的影响趋势。从图中可以看出，当熔料温度升高时，产品表面的缩痕会稍微加深。但从制品的总体收缩和质量来看，温度最低的时候，产品的收缩率和质量指标不是最好的。因此，综合表面缩痕和内部缩孔来看，熔料温度存在一个最佳的取值范围。

图6 熔料温度对厚壁光导件收缩缺陷的影响趋势

文章转载自IFAL公众号