注塑工艺之模具温度优化
引言
在注塑成型过程中，模具温度是我们比较关注的一个注塑参数。现场试模时，工艺工程师都必须要求模具温度达到一定要求的时候才开始试模。在模具设计时，工程师也要求尽可能的设计好冷却系统加强对模具温度的控制、改善产品质量及注塑成型周期，可见模具温度的重要性。本期将重点讨论具温度对成型影响及如何有效的控制优化模具温度。
模具温度形成原理
1. 注塑模的热量传输。在注塑成型过程中，塑料在成型机料筒里通过加热形成熔体后注入模腔内部，在后续存在四种基本的热传输方式：强制对流、自然对流、传导和热辐射。注塑模热量的输入和输出下图 所示。由塑料带入注塑模的热量，其中80%~95%通过模具金属传导至冷却水管壁，然后遣散到冷却水管中去。传导至注塑机模板的热量和从模具表面对流出去的热量仅占总量的5%~15%，部分热量通过热辐射到周围空间。在采用热流道的情况下，也会向模具输入热量。在有些情况下，冷却液的温度大大高于环境温度，此时冷却液不是从模具吸收热量，而是向模具输入热量。
2. 控制模具温度的预备条件。模具温度控制系统由模具、模温机、导热流体三部分组成。为了确保热量能加给模具或移走，系统各部分必须满足以下条件：首先是在模具内部，冷却通道的表面积必须足够大，流道直径要匹配泵的能力。型腔中的温度分布对零件变形和内在压力有很大的影响。合理设置冷却通道可以降低内在压力，从而提高了注塑件的质量。它还可以缩短循环时间，降低产品成本。其次是模温机必须能够使导热流体的温度恒定在1℃－3℃的范围内，具体根据注塑件质量要求来定。第三是导热流体必须具有良好的热传导能力，最重要的是，它要能在短时间内导入或导出大量的热量。
模具温度对成型的影响
1. 模温对产品外观的影响。
较高的温度可以改善树脂的流动性，从而使制件表面平滑、有光泽，有效消除产品表面熔接痕、银纹、表面浮纤等注射成型缺陷。特别是提高玻纤增强型树脂制件的表面美感。
模具温度低 模具温度高
而对于蚀纹面，如果模温较低的话，融体较难充填到纹理的根部，使得制品表面显得发亮，“转印”不到模具表面的真实纹理，提高模具温度和料温后可以使制品表面得到理想的蚀纹效果
2.模温对制品内应力的影响。
成型内应力的形成基本上是由于冷却时不同的热收缩率造成，当制品成型后，它的冷却是由表面逐渐向内部延伸，表面首先收缩硬化，然后渐至内部，在这过程中由于收缩快慢之差而产生内应力。当塑件内的残余内应力高于树脂的弹性极限，或在一定的化学环境的侵蚀下时，塑件表面就会产生裂纹。
3.模温对产品变形的影响
如果模具的冷却系统设计不合理或模具温度控制不当，塑件冷却不足，都会引起塑件翘曲变形。对于模具温度的控制，应根据制品的结构特征来确定阳模与阴模、模芯与模壁、模壁与嵌件间的温差，从而利用控制模塑各部位冷却收缩速度的不同，塑件脱模后更趋于向温度较高的一侧牵引方向弯曲的特点，来抵消取向收缩差，避免塑件按取向规律翘曲变形。对于形体结构完全对称的塑件，模温应相应保持一致，使塑件各部位的冷却均衡。
4.模温对成型周期的影响。
出去对成本的考虑，企业都希望模温越低越好，这将降低塑胶冷却的时间，从而降低整个成型周期。但在具体的项目中，高模温对产品质量，如缝合线，流痕等外观有改善作用，所以既要考虑外观又要考虑成型周期的改善，两者要兼顾起来。如果产品是结构件，不考虑外观，相应的就可以选择较低的模具温度降低成型周期。而如果产品是外饰件或者家电类产品，就可能要选择较高的模具温度来先满足外观要求。
应用Moldflow优化设计改善模具温度。
模具温度的优化最终的目标：获得均匀的冷却效率。理想情况下，产品需要在同样的时间冷却，从而保证同样的收缩降低收缩差异，其次获得相同的目标模温保证产品外观质量均匀。实际情况下保证绝对的模温均匀是很困难的，但是获得相对均匀的模具温度是可行的。
优化冷却水路改善浮纤。
下图由于产品内部模温差太大导致产品表面浮纤，原方案内外温差相差90deg.c. 经过增加冷却铍铜镶件及改善冷却水路设计，模温内部分布较均匀解决了浮纤问题。
优化冷却水路改善成型周期。
优化冷却之后成型周期改善，新方案只需要90秒全部冷却。
优化冷却水路改善变形。
通过精确把握不同冷却水路带来的冷却效率区别改善变形。如下是一个汽车产品的冷却分流盖。
运用高光成型技术（RHCM）改善产品外观及成型周期。
高光成型技术也称为高速高温成型，在成型过程中的充填阶段采用快速升高模温，因模具的温度高，可以保持充分的树脂流动性，从而实现树脂的快速注塑和填充；可以抑制树脂在模具型腔表面产生凝固层，实现高光洁度的外观，克服如扭曲变形、表面凹陷、溶接痕、流痕、波纹、银条纹等不良成型缺陷。在冷却阶段，可使模具温度快速降低，缩短了厚壁成形的注塑周期60‐70%。如下为应用Moldflow优化模具温度得到传统注塑与高光成型注塑结果对比。
传统注塑 高光成型（RHCM）
通过Moldflow最新技术模拟异形水路精确改善模具温度。
Moldflow最新版本提供了针对复杂水路的的冷却仿真分析，也即随形冷却，可根据产品的形状特征优化冷却系统设计，获得更均匀的模具温度分布。如下为传统冷却水路及随形冷却获得的冷却效果对比。
传统冷却效果
随形冷却效果
模具温度优化总结
模具温度是决定产品质量及生成成本非常重要的因素之一，优化模具温度不仅要了解热量的来源及热传输过程，也要了解模具温度如何影响产品的质量和成型周期，通过Moldflow分析优化在两者之间找到最佳的平衡点，从而获得最佳的成型窗口。