通過虛擬成型評估橡膠成型缺陷的根本原因

彈性體的注射成型和轉送成型是一個復雜的操作。它看起來并不很復雜，但是當你看著細節，它真的是夠復雜。材料、工藝、模具設計、注塑機功能等的組合是產品品質的重要因素。然而，每個新的模具，就像做一道新的燉菜，它可能不會像你計劃的那樣，而是做成沒人想要的一大盆壞燉菜，致使客戶都餓了，你又得重頭開始，弄清楚究竟是什么未能按計劃所愿，并找出如何修復的辦法。問題是出自于胡蘿卜本身還是購買它們的商店？是由于溫度或時間嗎？讓我們面對現實吧，我們已經燉制了4000年，而橡膠零件制作也超過了100年。我們沒有4000年時間去為每種可能的模壓產品組合的配方進行開發。在本文中，我們探討以不同的方式來評估成型問題，以期解開一些高質量模制彈性體秘密配方背后的謎團。

虛擬成型是結合成型方面最相關的成型模擬技術，這種獨特的方法，可在仿真中進行交互關聯，就像他們在實際生產中一樣。溫度、時間和剪切率依賴于彈性體材料性能、模具熱物性參數、模嵌件和保溫性能、電加熱器、功率和熱電偶位置等等，包括完整的注塑成型過程。填充速度、壓力限制、熔體溫度、熱電偶設定點溫度、模具開模和關閉時間，二次硫化過程是用于仿真虛擬成型生產所有關鍵的信息。結合在一次模制中輸入的所有信息，對潛在的生產問題進行綜合評估。本文回答了下列問題：

﹡ 什么是虛擬成型？

﹡ 它是如何工作的？

﹡ 需要輸入什么信息？

﹡ 將會產生何種結果？

﹡ 可以評估哪些問題？

第一個重要的問題是：模擬結果來自部分設計評估（仿真）還是來自虛擬成型仿真？讀者請注意：代表性的部分設計評估通常只包含一些基本的材料性能、零件幾何結構和澆口位置?；谶@種方法，在生產環境中的結果其有效性是最受懷疑的。該結果并沒有足夠的信息去反映出在注塑機中會發生什么。另一方面，虛擬成型是一個完全耦合三維傳熱和流體流動程序，能夠模擬實際生產判斷，包括如何預熱模具和第5、第10或第100生產周期使用的進程。如上文所述，它需要流道幾何形狀、模具配件、BOM（物料清單）、電加熱器功率、熱電偶位置、PI（比例積分）控制器或開/關設置、保溫板的類型與厚度、壓板加熱器和成型過程。虛擬成型將自動計算通過模具所有組件的熱流，當腔模具打開時可同時計算出由于輻射而引起腔體的熱損失。它還將顯示50周期后為什么模具將需要關閉，這是由于加熱器加熱不足且保溫效果不佳而失去太多的熱量。

這并不意味著部分設計評價是不可能的，并不表示他們不具有價值。它只是意味著為了復制在生產實際所發生的現象，需要得到更多的信息。為了解填充模腔需要多少壓力是可控的、溫度和剪切速率依賴粘度信息、實際局部模溫信息、模具和部件以及流道的三維真實數據等都是必需的。這里的區別是專為這種方法開發了虛擬成型軟件，而傳統的流程模擬軟件并不算數。例如，如果模具有兩個不同的模具鑲件、一個由P20 鋼制成，另一個由MoldMax HH制成，他們將以不同的速率同時吸收和散發熱量，這在虛擬成型模擬期間可被計算，因其對硫化反應會有影響。不僅在一個成型周期，而且在多個成型周期，都可被計算以匹配現實世界的成型過程。這種區別是非常重要的。

虛擬成型分析既可使用現有CAD構建模具/部件/流道，如果它們不可用，也可軟件內創建。通常情況下，使用.step格式程序集文件，但其他文件類型如.STL或.SAT這些原生格式也是合適的。一旦導入CAD，整個程序集被自動轉換成數以百萬計的計算點，為多重物理量數據集合計算不斷變化的環境。這一過程通常被稱為“劃分網格”（圖1）。這些數以百萬計的計算點在幾秒鐘內填充整個模具的所有組件。每個計算點包含的元素，其中包含初始信息，例如比容積，材料類型和起始溫度（取決于其成為幾何域的部分）。

圖1、劃分網格前（左）與劃分網格后（右）模具的幾何形狀

在開始模擬之前，必須描述成型過程。它分為兩個不同的部分，包括預熱和生產。預熱階段始于在室溫下的模具，并激活基于熱電偶位置的電加熱器。每個加熱區都被獨立控制。一旦集成的 PI 控制器找到一個解決方案—每個加熱器將需要多少功率以保持設定的溫度，仿真就可以繼續下去，進入到生產階段。這一階段包括前面所述的加工過程信息，以及任何后成型硫化過程的信息 （如果適用）。同樣的成型過程可以重復幾遍，或生產周期可以被打斷，以更改過程，并計算進一步的生產周期。

這兩個步驟，確保準確地建立模具的溫度梯度。如果使模具達到所需的溫度或保持它在此溫度點遇到問題，加熱器將全負荷運行，且模具溫度會下降，就像它在實際生產中一樣。結果將會是在打開模具時，模具變冷，零件未硫化。它也可能規定熱電偶的最佳位置，并確定該處所需要的加熱器功率是更高或更低。也可以計算出不同厚度保溫板或絕熱毯。很明顯，模具溫度不僅是硫化的關鍵，也是加注充填的重要因素。因此，出現了問題： 應考慮是控制的模具溫度，或者它就是實際存在的，我們要找到解決辦法，使生產不受缺乏控制而全功盡棄。

模具是由溫度決定，一旦冷膠料流入模具，基于較高的模溫和剪切加熱的相互作用，橡膠溫度就會上升。剪切加熱是橡膠內部摩擦所致，這是當膠體流動時，會產生熱量，造成局部降低熔體粘度的現象。這種現象會影響填入流道和模腔所需的壓力，可能產生意外的填充模式。如果由于剪切加熱或模具溫度引起橡膠溫度上升過大，在模腔充填過程中就有可能開始硫化。這會造成機械強度的問題，因為交聯發展得太快，以致材料與其它熔體前沿部份無法充分鍵合。這通常稱為燒焦。

在膠料填充過程中如果橡膠硫化過度，粘度會提高，造成一些區域可能無法恰當填充。這也可能與在腔中殘留有空氣或與排氣不佳相關。殘留的空氣可能會產生泡沫、燒焦的痕跡、填充不充份或差勁的力學性能。排氣槽必須在正確位置并且大小適當。當空氣被截留在當中時，由于不斷加入更高壓力的橡膠，其空氣體積會縮減。隨著氣囊容積逐漸減小，其溫度就會持續升高。如果太多的空氣被截留，空氣壓力將變得如此之高，使得空氣溫度提升到橡膠的燒焦溫度以上，這樣，燒焦現象就會發生。

填充模式和熔體壓力對一個穩健的進程至關重要。我們必須有足夠的機械壓力填充模腔，但足夠的鎖模力可確保在同一時間閉合模具。如果不是，必須減少填充壓力，這樣模具就不會溢料。在某些情況下，在模腔內充填不平衡，這意味著某些區域填充會比其它區域早得多。當發生這種情況時，早期填充區域的局部壓力太高，導致模具溢料。當充填模腔時，這通常會需要機器降低注射速度，以避免產生這種過高的局部壓力。這可能使它難以填充模腔的其它區域。精確的模具溫度起到重要的作用，能夠正確推斷將會發生什么。填充剩下的部分并且沒有燒焦嗎？這就是為什么虛擬成型考慮完整的模制和多重的連續成型周期。模具溫度總是在變化，在第一個周期期間模具溫度完全不同于第100周期后的模具溫度。此外，如果估算在100周期時模具模腔表面溫度，并不會到處都一樣。在其它區域都是熱的同時，某些區域會很冷。所以在每個周期，熱會在模具、零件、加熱器和其它組件之間交換。所有這些熱流量計算都同時出現，模具內的這些熱點和冷點將導致橡膠部件硫化不均勻或不受控制。一些區域硫化速度將更快，而其它區域將硫化更慢，這都取決于部件的每個區域所接觸模具表面局部的溫度。最遲的硫化區域將增加周期時間，降低部件的質量或甚至要求二次成型硫化過程使硫化完全。正如人們所看到的，注塑成型彈性體實際上是一個非常復雜的過程。

在虛擬成型仿真過程中，諸如模具溫度與時間，或加熱器功率與時間等各種曲線圖均可獲得（圖2a 和2b）。這種信息為處理工程師提供對模具溫度控制有關的潛在問題的重要啟示。甚至在建模之前就獲知是否有足夠的加熱器，適當的熱電偶位置或者合適的模具絕熱位置。

圖2a、模具溫度與時間曲線

一旦模具溫度被提升，生產周期便開始。如果模具繼續在生產周期中失去熱量，即使所有加熱器都以其最大的功率工作，跡象表明模具需要更多的加熱器（或更高功率的加熱器）與更佳的保溫隔熱效果。我們可以從這些曲線圖清楚地看到，這將是一個生產問題。對于真正的模具，要解決這一問題是一個昂貴的經歷。新的加熱系統必須在現有的模具上進行設計。如此改造模具絕對不是最佳方式，因為已經有與現有設計有關的諸多限制。這可能結合模具周圍的隔熱保溫會更為有效，而事實上這也是可以完成的。

圖2b、加熱器功率與時間曲線

在注射成型彈性體中也可能存在各種與充填相關的問題。在每個成型產品圖右邊都包含彩色溫標尺（用戶數值范圍）。溫標尺溫度值總是從頂部（紅色）向底部（藍色）下降。在模制產品相關的顏色值對應于用戶的數值范圍。

圖3顯示了頂部表面帶兩個小口的厚壁筒形件的加注充填（左圖），以及含光學級LSR的薄壁件的加注充填（右圖）。這兩條溫標尺顯示的溫度表明厚、薄壁件之間的熱量交換的差異。厚壁部件沒有真正出現熱交換，因為與溫度梯度較強的薄壁部件相比，橡膠還沒有接觸到厚壁。

圖3、部件腔內注射

熔體“射入”模腔，由于熔體沒有與模具或嵌入物的表面緊密接觸，因此不會減慢射入速度。相當于進入模腔并穿越到部件的另一側。這種行為可以歸因于流動聚合物的高速度或其低粘度（或者是兩者的組合）。注射可能會產生滯留空氣，但最常見的問題是，它會導致小部件加工或材料變化時充填失控。

圖4、來自部件內空氣的玷污

滯留空氣也帶來了一定的挑戰。首先，它結束于最終部件，當然，這是一個問題。所面臨的挑戰是找出它來自哪里和如何擺脫它。圖4顯示了來自位于部件內的空氣玷污。用戶數值范圍顯示空氣的百分比濃度。紅色區域有更高的空氣濃度。

是因為肋筋之下熔體流動太快，使空氣滯留于肋筋周圍，并密封了空氣？或者是排氣不夠充分，使模腔內的空氣壓力太高？其實，原因并不是這兩者。這可從系列圖像（圖5）看出?？梢姡峁┣逦某尚蛦栴}的根本原因使得虛擬成型不單只是一種預測工具，而且還是一種教學工具。

圖5、熔體隨部件內滯留空氣的變化

最高濃度的空氣（如紅色所示）最初被滯留在部件注口側肋筋內側。現在，虛擬成型成為向他人展示他們需要看到的通信工具。這個彈性體部件在分型線周圍可以有適當的排氣。但圖像顯示，根據充填模式，有時，甚至當我們有適當的排氣，它也不可能足以讓所有的空氣一起跑出。

在此示例中，由于其充填模式使部件內部滯留空氣，造成空氣玷污橡膠。它甚至還未達到通氣位置的分型線。在這種情況下，為了模腔內擺脫所有的空氣，如果可能的話，部件設計或澆口位置應做出更改。另一種選擇可能是包括肋筋底部排氣的頂針。為建模及比較需要，虛擬成型允許這種變形。

圖6、八腔工具內注射充填失衡

在多腔熱流道系統中填充不平衡可能很難敲定（圖6）。用戶數值范圍代表速度，以確定某區域比其它區域移動得更快。在接近充填結束時，紅色的部分表明對于未填充模腔的最高速度。一旦過早地充分填充模腔，所有傳入的熔體會直接進入未填充模腔，導致更高的速度。這張圖是當模腔充填96%時的情形，我們觀察到中心四個型腔都完全填滿，而其余四個型腔仍未充填，即使流體長度對他們都是一樣。

模具在中心處更熱，因此鋼膨脹更多，流道變得更大（未必），或者模具溫度更高，它影響粘度（變熱）；實際上，粘度受橡膠經歷的局部剪切率所影響。當橡膠在一個特定位置（相比于特定位置的附件）流動更快時（圖7），會存在剪切速率的差異。越高的剪切速率、越大的摩擦熱，對粘度的影響更大。

圖7、熱流道系統內溫度和粘度的差異

問題是，在各處均勻的區域粘度不受影響，在高剪切速率下只影響到材料。在壓力作用下，低粘度物料流動更加容易，所以低粘度區域流動得更快，從而造成充填不平衡的問題。如果不平衡問題是足夠大，一些模腔將填充太早，在那些模腔將導致高壓并有可能溢料。此外，在充填即將結束之際，該進程會要求減緩注射速度，可能產生注射不足的模腔。如果它們可被量化理解，就可以修復這些問題。對這種問題我不會試圖反復試驗。許多年前我做了一次，在我的嘴里留下了“恐怖的味道”，是曾經最糟糕的“燉菜”。

圖8、部件內較高和較低的膠料焦燒

膠料焦燒結果表明在填充過程中有多少材料被硫化。在橡膠成型行業，為了在填充過程中開始實施高剪切，澆口的尺寸有時會減少。由于增加剪切，聚合物溫度將上升，這將最終在材料充填過程中啟動硫化。如圖8所示，采用虛擬成型可易于確定較高和較低的燒焦區域。

用戶數值范圍為膠料焦燒值設置為2%，這意味著數值1的結果表明可完全實現2%或更高的硫化度。黃色區域指示較高程度的膠料焦燒（或過早交聯）。如果模具溫度降低或材料剪切較小，膠料焦燒值可以較低。

圖9、示蹤粒子堆積在熔接線上

熔接線會產生于在部件內兩種熔體流動前沿的交匯處。當每個熔接線形成時，計算機生成的示蹤粒子會自動堆積（圖9）。當它們交匯時，用戶數值范圍顯示的溫度可用來傳達熔體前沿的溫度。這些示蹤粒子幫助肉眼觀察到在熔體前沿背后或在表面之下究竟發生了什么。它們用于注射充填階段、保壓階段與硫化階段期間，以評估成型的條件，比如混合聚合物，通過熔接線區域時聚合物流動停滯或重定向。

示蹤粒子不僅顯示熔接線的位置，而且還提供特定的信息，以確定它們是否將相對較強或較弱。重要參數如流動前沿處的溫度、硫化度、壓力、接觸角和速度，被認為是熔接線強度結果。此信息用于確定在注塑過程中，流體前沿將如何有效地融合在一起。

圖10、在脫模時部件內的硫化程度

圖10顯示當在成型周期結束并打開模具時部件內部的硫化程度。用戶數值范圍代表硫化程度（%）。相對于藍色區域（25%的硫化程度），橙色和紅色區域達到了較高的硫化程度（90~95%)。

部件被切片以使厚壁內部形象化。從外表面看，部件已完全硫化，但厚壁核心內部卻仍未硫化。為了完全硫化這些部件，它們可能需要在成型后放進烤箱。二次硫化也是完全結合到生產階段中，并且在虛擬成型中也需模擬出來。無論是否愿意更長的硫化周期、更高的模具溫度或硫化過程后脫模，我們可以在設計初期就做出決定。虛擬成型中“烤箱”也被計算其硫化持續時間和溫度。硫化狀態會被監測以便在建模前計算出生產速率和能源消耗。

部件的全面虛擬成型環境包括考慮在每個周期中鑲嵌注塑成型嵌入模腔的能力。這些部件的鑲嵌注塑成型經常用來提供更高的力學性能。金屬嵌件可以預熱，或在室溫下放進模具中。一旦放置入去，嵌件就與模具進行熱量交換，交換速度由它們不同的溫度、熱物理性能以及其表面接觸的量所確定。然而，熱交換并不均勻（圖 11）。用戶數值范圍顯示溫度，并用來傳達信息，由于在嵌件和模具/部件之間發生熱量交換，嵌件并不總是到處都呈現相同的溫度。

圖 11、金屬嵌件內非均勻溫度梯度

在接觸表面，基于熱傳導還存在熱轉移，且暴露的表面還會通過輻射與環境交換熱量。此種非均勻的溫度也會產生非均勻的膨脹，而它可以導致潛在停止或尺寸問題。鑲嵌注塑成型嵌件可能會變形，這取決于注射期間的壓力或在硫化和冷卻過程發生的橡膠不均勻收縮（圖 12）。用戶數值范圍顯示原來的嵌件形狀會有毫米級的位移。很顯然，原始形狀只供參考。

這也起因于嵌件設計不具有足夠的強度去承受橡膠部件的壓力。對于嵌件與模具之間的熱交換，接觸時間也起著重要的作用，尤其是在需要置入多個嵌件（一次一個）時。這將會產生明顯的變化，應該避免。
由于充填注射過程高壓力的不平衡，中心梢的偏差也很難量化顯示和確定。當熔體壓力在中心梢的一側大于另一側時，就有可能出現中心梢彎曲。如果真的出現彎曲，那是因為梢不具足夠的機械強度以抵抗凈壓力。

圖 12、金屬嵌件的變形

有種類繁多的模具材料依賴其熱物理和力學性能的材料溫度數據庫，使得這些計算變為可能。如果梢彎曲，充填模式將需要改變以減少壓力不平衡（圖13）。用戶數值范圍代表注射充填期間熔體壓力（左），導致中心梢發生毫米級的彎曲（右）。為清楚起見，圖中彎曲被放大了。

圖 13、部件在50%注射充填（左）；在注射充填期間中心梢彎曲（右）

模具、嵌件、保溫隔熱墊、加熱器和各種聚合物與彈性體的材料數據庫已經呈現在虛擬成型數據庫中。然而，很多，如果不是大多數，彈性體是定制材料，其屬性則可以通過材料測試實驗室測量出來。

溫度、壓力、剪切速率和與時間有關的屬性需要虛擬成型仿真，這些屬性包括熱導率、比熱容、流變學、壓力容積溫度（PVT）曲線和硫化動力學。

所有類型的彈性體都是可能的，包括天然橡膠（NR）、丁腈橡膠（NBR）、氫化丁腈橡膠（HNBR）、 氟橡膠（FKM）、三元乙丙橡膠（EPDM）、丁苯橡膠（SBR）或液體硅橡膠（LSR）。這必須有精確的材料數據以獲得準確的結果。

雖然測量這些材料的特性，對于特定的彈性體來說，獲得覆蓋整個過程范圍的數據也是重要的。如果材料將加工在120℉（49℃），那么流變學應該在100℉（38℃）、120℉（49℃） 和140℉（60℃）測量，以取得在初始溫度±10℃下顯示的材料行為。如果模制將在 350℉（177℃）下操作，則硫化度曲線應在 330℉（166℃）、350℉（177℃）和370℉（188℃）下測量。

提供各種模型，以適合在虛擬成型數據庫內的材料數據。流變學模型包括阿倫尼烏斯公式、卡羅WLF材料模型，卡羅安田WLF粘度模型和插補粘度。對于反應動力學，常見的模型是卡莫爾和登·伊薩耶夫（Kamal and Deng-Isayev）。同樣，各種模型也包括針對適合PVT，針對硫化收縮率的計算，以及反應性粘度數據。

總體而言，虛擬成型是完全不同的方法來了解注塑成型彈性體，因為整個模具、材料性能和加工過程完全相聯和估算多個連續成型周期來匹配真實的生產環境。自動劃分網格和加工過程的特定用戶界面支持這種全面的運算。

各種工具，如X射線、裁剪、數值范圍、縮放、旋轉等，可以用于顯現、評估和交流成型問題和根源，以獲得可量化的解決方案。例子清楚地標識多個潛在的彈性體成型問題和一些潛在的解決方案。虛擬成型是使得生產變得可見的一種獨特的方法。