注射成型

注射成型是一种把高分子材料制成复杂形状的成型工艺，整个过程包括材料的加热，射出材料到模具，材料在模具中的冷却及制件的顶出。在此过程中有上百个参数变量，这些参数变量可以大致分为两组：机器参数变量和高分子材料参数变量。机器参数变量是可以在机器上设置和调整的，材料参数变量直接由材料的特性决定。如，料桶温度是机器变量，但材料实际的熔融温度是材料变量。MPI主要是依据材料特性工作的，集中关注高分子材料在注射时的流动行为、冷却及最终的形状，或制件从模具中顶出后的变形翘曲情况。

注射成型机

注射成型机由很多部分组成，主要组成如下：

·料斗：
颗粒状材料从此装入成型机。

·料筒，螺杆：
料筒及螺杆从料斗获取材料，然后加热塑化，此处涉及到一个材料变量“熔融料温”。

·液压单元
液压单元提供一个压力把塑料挤入模具，压力的提供者油压或其它液压是机器的参数，由此产生的塑料压力是材料参数“材料压力”。液压压力与材料压力的比值叫做增强比，一般为10:1，可以更高。

注射成型过程

注射成型工艺整个周期主要由4个部分组成，如下：

·充填时间：
充填时间开始于模具合模，螺杆向前推进，将材料挤入模具，这个过程一般非常快。材料一接触冷的模壁，马上就粘在上面并凝固，流动通道在凝固层之间，注射的速度对凝固层的厚度有很大影响。大多数情况下，如何充填是影响制件品质的主要因素。充填分析是成型周期中最短的一部分。

·保压时间：
模腔充满时，压力仍持续作用于材料上，以便更多的材料可以进入模腔，主要是为了补偿材料冷却过程中的收缩体积变小。

·冷却时间：
此时没有压力作用于材料，制件继续冷却凝固，直到冷却到可以顶出为止。当制件冷却时，螺杆已经开始后退加料，为下一个循环做准备了。

·开模时间：
模具打开，顶出制件，然后再合模准备下一个循环。

注射成型周期

在一个典型的注射成型周期中，冷却时间是最长的部分，接下来是保压时间，开模时间，最后是注射时间。冷却时间超过整个循环周期的50%，注射时间仅占约3%到5%。相关参数涉及到制件、材料及成型机。

注射模具

注射模具主要由两部分组成，定模及动模。可能有其它名称，如定模也叫A模或母模；动模也叫B模或公模。

流动行为

成型阶段
成型阶段是人塑料分子角度来看整个注射成型周期，以下是简要说明。

充填阶段

材料进入模具，在速度的控制下充填模具，模具刚好充满时充填阶段结束。充填时，材料进入模腔，凝固并粘在模壁上，材料以喷泉形式向前充填，由于剪切作用产生热量。

增压阶段

模腔充填满时，螺杆在压力作用下仍向前推动，由于材料的收缩，螺杆还可以继续向前移动一段时间，到充填末最大压力出现时，增压阶段结束。材料的流动与充填阶段很相似，但凝固层迅速加厚，流动速度迅速降低。

补偿阶段

此阶段机器螺杆由压力控制继续向前移动，额外的料被挤入模腔，以补偿塑料在熔融料温状态与室温固态之间的体积差。在补偿阶段，由于温度不稳定，所以流动也不稳定，这将会导致制件局部配向性较强，可能引起翘曲。

喷泉式流动

喷泉式流动表示了塑料在模具充填时的流动形态，在断面中间层的塑料流动速度最高。当中间的分子流到最前面，然后随前沿流向模壁，冷却凝固并粘在模壁上。先充填进制件的分子大都分布在制件表面，而后充填入的分子大都在制件中心

MPI 假设整个充填过程中塑料都以喷泉形式流动，但实际上在设计较差的浇口附近，很短时间内塑料不是以喷泉形式流动。这种情况用Midplane和Fusion是分析不出来的。

截面流动与分子配向

充填过程中，制件截面上的分子取向、剪切应力及剪切率分布都有很大的差异。剪切率定义为一个分子以多快的速度滑行过另外一个，或在整个距离上的速度差，标准单位是1/秒。剪切应力是作用在某区域上的力，单位是 MPa 或 psi。当以喷泉形态充填制件时，截面中间的分子移动较快且相对速度比较均匀，因此，此处剪切率低，分子间的剪切拉伸应力也较小；靠近凝固层的分子，速度低，但速度梯度很大，剪切率很高，这导致分子间的剪切应力很大，这里的分子将会沿着流动方向排布。

截面上的热传

由于在凝固层内侧剪切率很高，所以此处由于剪切产生很多热量，流动中间层从注射机料筒中不断带入新的高温料。模具温度相对塑料温度很低，当塑料进入模腔后，接触模壁，冷却凝固。当流动率固定时，凝固层厚度很快达到稳定状态。在充填阶段，大部分的热传位于凝固层内侧的高剪切区域。恰当的说，充填阶段传入模具中的热量正好等于剪切产生的热量。截面上有着非常平均的温度分布对保压非常有利，所以充填过程中温度均匀是使用MPI的首要原则。

注射速率与凝固层厚度

充填时，注射速率对凝固层厚度有很大的影响。充填过程中，剪切热的多少依赖于充填速率。充填速率越高或充填时间越短，剪切热就越多，凝固层厚度就越薄；相反，充填速率越低，凝固层越厚。当凝固层很厚时，实际的塑料流动通道不能得到很高的压力；相反凝固层薄时，压力传递就较好。

以下图7描述的是充填时间在0.2秒与20.0秒之间的情况。制件壁厚3.0mm，流动长度约900mm，材料是ABS，X轴是充填时间。当充填很快时，充填所需压力由剪切或注射速率控制，随着时间延长，压力降低。在5秒左右，压力又开始上升，因为材料温度太低，粘度非常高。温度则总是下降的。所有的热塑性塑料都有这个“U”形，也许“U”形的峰值位置会有所变化，但时间－压力的曲线始终是“U”形。上限时的温度约等于材料进入制件时的料温，下限大概下降了20ºC 。

压力-体积-温度 (PVT)

PVT 数据用于材料的收缩模型，这些数据对保压和充填非常重要。下图所示为一结晶型材料的PVT曲线。非结晶型材料有着相似的曲线，但没有象结晶型材料中的那个突降。不管结晶型还是非结晶型，它们都有着相同的趋势，材料温度越低，压力越大，体积就越小，密度就越大。即使在充填阶段，塑料在流动过程中也是被压缩的。

收缩

热塑性材料的收缩是非常复杂的，对于没有填充物的材料来说，通常是沿着流动方向的收缩大于垂直流动方向的收缩（如图9）。当有玻纤填充时，收缩趋势正好相反。材料种类及成型条件对收缩影响都很大。翘曲分析使用充填及保压分析结果的数据来计算额外的收缩量。

Moldflow设计原则

Moldflow 设计原则是一套为优化制件充填的规则，它会影响制件和模具的设计。使用这些原则，可以提高制件品质，缩短成型周期。不然会导致一些设计问题。

单向的及受控制的流动形态

为了达到单向的取向，制件的充填流动必须是单向的。这就意味着流动方向必须是直的，不能反转。以下示例，制件是一个矩形，左图是从制件中间进浇，在流动过程中料会改变方向，不是单向的流动。相反，右图从一边进浇，显示的充填方向剪头与等值线是垂直的，流动是单向的。

流动平衡

模具中所有的流动路径应该是有相同的压力，同一时间充填完成。对于多模腔模具，所有模腔都是同时充填完。在制件内部也是这样，所有的充填末端都同时完成。

这里有两种类型的流道系统：自然平衡或几何平衡流道，人工平衡流道。如图11所示，自然平衡流道系统中从主流道到每个模腔的流动长度都是相同的。通常这种流道系统比人工平衡的流道系统有更广的成型窗口。

人工平衡的流道通过改变流道的大小来达到平衡，这对于流道平衡非常有用，且流道体积比自然平衡的要小。但是，由于改变了流道的大小，成型窗口就变得更小。图12是一个实际示例。

恒定的压力梯度

充填过程中，整个制件上的压力梯度应该是均匀的。图13显示的制件没有一个恒定的压力梯度，XY曲线是喷嘴处的压力曲线。在充填开始阶段，压力是梯度分布的，然而问题出在充填末端，制件以辐射状充填，当流动前沿碰到侧壁角落时，料流开始收缩，相应的压力梯度出现轻微的增大，最大的梯度出现在三个角落充填完而只剩下右上角时。流动率是恒定的，压力梯度反应了流动平衡的情况，或者说它指示了注射速度曲线应该如何设定。

最大剪切应力

制件上的最大剪切应力应该低于材料数据库中所显示的材料最大允许极限值。极限值约等于材料拉伸强度的1%，剪切应力也适用于特殊场合。如在恶烈环境下，高温，高负载，化学腐蚀，那数据库中指定的极限值就高了；相反，如果不在恶烈环境下使用，那该极限值就低了，也就是说应力超出也不会出问题。

均匀的冷却

制件冷却时，制件两个表面的温度应该均匀。如温度不均匀，较热一面的材料分子就有更长时间来冷却，收缩也就更大。这将导致尺寸变小，制件将会朝着热的一面弯曲变形。

熔接线及熔合线位置

当两股料流对接在一起，就会形成熔接线。当两股料流沿同一方向以一定角度汇合，就形成熔合线。熔接线通常比熔合线更脆弱，更明显，两者都尽量避免。

每增加一个浇口，制件上就会多出一些熔接线或熔合线，所以去除不必要的浇口是明智的。如果熔接线或熔合线不可避免，那也尽量把它们放在不明显的区域。这样既不影响强度，也不影响外观。从实际来看，熔接线或熔合线都会带来一些强度或外观上的问题。如果料流对接时的温度或保压压力可以高一点，熔接线或熔合线的强度会有所改善。

避免滞流效应

滞流就是流动前沿意外的减慢，当流动前沿减得很慢时，料流前锋会冷的很快，甚至凝固。滞流经常出现在制件壁厚有较大变化时。注射速度加快可以减轻滞流效应，这样使剪切热更高且滞流时间更短。另外一个方法，就是让浇口尽量远离较薄的区域。

避免潜流

潜流出现在料流改变方向时，如图18所示，流动不平衡导致出现潜流。充填等值线与流方向箭头应该垂直，但在右侧，它们变成平行的了，流动方向有了明显的转变。

潜流的问题在于它对配向的影响。充填开始时，充填时间等值线体现了流动方向，流动方向是垂直于等值线的，材料分子也是沿着流动方向排布的。但在充填末端，流动方向发生了改变，靠流动中间层的材料分子沿新的流动方向排布。通常材料沿分子排布的方向收缩会大些，这样在潜流的地方就会存在较大的内应力。

用导流和阻流来平衡流动

导流就是增大局部壁厚，反之，阻流就是减小局部壁厚。

很多情况下，单独靠改变浇口位置不能达到流动平衡。此时，稍微改变一下壁厚，增强或减慢某些方向的流动是很有效的。这样就可以使制件上的流动达到平衡，即使浇口到每个充填末端的流动长度是不一样的也一样会平衡。从节省材料角度考虑的话，一般是减小壁厚，也不总是这样，看制件结构情况而定。

流道热扩散

流道的尺寸大小必须能满足充填和保压的需要，但又不能延长周期。如图20所示，制件的凝固周期约3.4秒，流道的凝固时间必须大于制件的凝固时间。但注意图中所示流道的凝固时间大约是制件的10倍，流道尺寸过大，应该减小一点。流道上最大的凝固时间最好是制件上最大凝固时间的2到3倍，但经常很难。在图20的案例中，为了达到流道平衡，部分流道做得很小，最小流道的凝固时间约4.7秒，快接近制件的凝固时间了。按经验来说，如果这里没有尺寸或缩痕的问题，流道的冷却时间可以低到制件凝固时间的80%。如果尺寸很重要，流道凝固时间要大于制件的。

可接受的流道/模腔体积比

流道与全部模腔的体积比越小越好，尽量减小流道上浪费的料，减少废料的加工量。图21中，流道已经达到平衡，并且满足保压要求，已不能再小了，流道体积约是模腔体积的85%，这个值非常大。流道体积最好占制件体积的20%或更小。