MoldFlow软件在注塑模具设计中的应用
The application of MoldFlow in Injection Mold Design
文劲松 麻向军
(华南理工大学聚合物新型成型装备国家工程中心SCUT—MoldFlow高级技术应用培训中心)
一 前言
塑料产品从设计到成型生产是一个十分复杂的过程，它包括塑料制品设计、模具结构设计、模具加工制造和模塑生产等几个主要方面，它需要产品设计师、模具设计师、模具加工工艺师及熟练操作工人协同努力来完成，它是一个设计、修改、再设计的反复迭代、不断优化的过程。传统的手工设计、制造已越来越难以满足市场激烈竞争的需要。计算机技术的运用，正在各方面取代传统的手工设计方式，并取得了显著的经济效益。计算机技术在注塑模中的应用主要表现在以下几方面。
1、塑料制品及模具结构设计
商品化三维CAD造型软件如Pro/Engineer、UG、CATIA等为设计师提供了方便的设计平台，其强大的曲面造型和编辑修改功能以及逼真的显示效果使设计者可以运用自如地表现自己的设计意图，真正做到所想即所得，而且制品的质量、体积等各种物理参数一并计算保存，为后续的模具设计和分析打下良好的基础。同时，这些软件都有专门的注塑模具设计模块，提供方便的模具分型面定义工具，使得复杂的成型零件都能自动生成，而且标准模架库、典型结构及标准零件库品种齐全，调用简单，添加方便，这些功能大大缩短了模具设计时间。同时，还提供模具开合模运动仿真功能，这样就保证了模具结构设计的合理性。
2、注塑过程数值分析
运用CAE软件如MoldFlow模拟塑料熔体在模具模腔中的流动、保压、冷却过程，对制品可能发生的翘曲进行预测等，其结果对优化模具结构和注塑工艺参数有着重要的指导意义，可提高一次试模的成功率。在下面的章节中将详细讨论。
3、数控加工
利用数控编程软件可模拟刀具在三维曲面上的实时加工过程并显示有关曲面的形状数据，以保证加工过程的可靠性，同时还可自动生成数控线切割指令、曲面的三轴、五轴数控铣削刀具轨迹等。 二 MoldFlow软件的作用
MoldFlow软件是美国MOLDFLOW公司的产品，该公司自1976年发行了世界上第一套塑料注塑成型流动分析软件以来，一直主导塑料成型CAE软件市场。2000年4月，收购了另一个世界著名的塑料成型分析软件C－MOLD。
MoldFlow软件包括三部分：
MoldFlow Plastics Advisers（产品优化顾问，简称MPA）：塑料产品设计师在设计完产品后，运用MPA软件模拟分析，在很短的时间内，就可以得到优化的产品设计方案，并确认产品表面质量。
MoldFlow Plastics Insight（注塑成型模拟分析，简称MPI）：对塑料产品和模具进行深入分析的软件包，它可以在计算机上对整个注塑过程进行模拟分析，包括填充、保压、冷却、翘曲、纤维取向、结构应力和收缩，以及气体辅助成型分析等，使模具设计师在设计阶段就找出未来产品可能出现的缺陷，提高一次试模的成功率。2001年年底，MOLDFLOW公司发布了集MPI2.0与C－Mold 2000.7功能于一体的MPI3.0，现已升级到3.1版本，与MPI2.0相比，MPI3.1的模型准备与分析在统一的界面下进行，大大简化了操作步骤，而且分析结果更准确。该软件包在中国大陆广泛使用，以后的讲座，均以MPI3.1为准。
MoldFlow Plastics Xpert（注塑成型过程控制专家，简称MPX）：集软硬件为一体的注塑成型品质控制专家，可以直接与注塑机控制器相连，可进行工艺优化和质量监控，自动优化注塑周期、降低废品率及监控整个生产过程。
MoldFlow软件在注塑模设计中的作用主要体现在以下几方面。 1、优化塑料制品
运用MoldFlow软件，可以得到制品的实际最小壁厚，优化制品结构，降低材料成本，缩短生产周期，保证制品能全部充满。
2、优化模具结构
运用MoldFlow软件，可以得到最佳的浇口数量与位置，合理的流道系统与冷却系统，并对型腔尺寸、浇口尺寸、流道尺寸和冷却系统尺寸进行优化，在计算机上进行试模、修模，大大提高模具质量，减少修模次数。
3、优化注塑工艺参数
运用MoldFlow软件，可以确定最佳的注射压力、保压压力、锁模力、模具温度、熔体温度、注射时间、保压时间和冷却时间，以注塑出最佳的塑料制品。 三 MPI3.1软件的主要模块
1、模型输入与修复
MPI3.1有三种分析方法：基于中心面的分析、基于表面的分析与三维分析。中心面既可运用MPI软件的造型功能完成，也可从其它CAD模型中抽取，再编辑；表面分析模型与三维分析模型直接读取其它CAD模型，如快速成型格式（STL）、IGES、STEP、Pro/E模型、UG模型等。模型输入后，软件提供了多种修复工具，以生成既能得到准确结果，又能减少分析时间的网格。
2、塑料材料与注塑机数据库
材料数据库包含了超过4000种塑料材料的详细数据，注塑机数据库包含了290种商用注塑机的运行参数，而且这两个数据库对用户是完全开放的。
3、流动分析
分析塑料在模具中的流动，并且优化模腔的布局、材料的选择、填充和保压的工艺参数。
4、冷却分析
分析冷却系统对流动过程的影响，优化冷却管道的布局和工作条件，与流动分析相结合，可以得到完美的动态注塑过程。
5、翘曲分析
分析整个塑件的翘曲变形，包括线形、线形弯曲和非线形，同时指出产生翘曲的主要原因以及相应的改进措施。
6、纤维填充取向分析
塑件纤维取向对采用纤维化塑料的塑件性能（如拉伸强度）有重要影响。MPI软件使用一系列集成的分析工具来优化和预测整个注塑过程的纤维取向，使其分布合理，从而有效地提高该类塑件的性能。
7、优化注塑工艺参数
根据给定的模具、注塑机、塑件材料等参数以及流动分析结果自动产生控制注塑机的填充保压曲线，从而免除了在试模时对注塑机参数的反复调试。
8、结构应力分析
分析塑件在受外界载荷情况下的机械性能，在考虑注塑工艺的条件下，优化塑件的强度和刚度。 9、确定合理的塑料收缩率
MPI3.1通过流动分析结果确定合理的塑料收缩率，保证模腔的尺寸在允许的公差范围内，从而减少塑件废品率，提高产品质量。
10、气体辅助成型分析
模拟气体辅助注射成型过程，对整个成型过程进行优化。 11、特殊注塑成型过程分析
MPI3.1可以模拟共注射、反应注射、微芯片封装等特殊的注射成型过程，并对其进行优化。 四、小结
本文对MoldFlow软件在塑料注塑成型过程中的作用及其整体结构进行了简单的介绍，在以后的技术讲座中将对它的各个模块进行详细的介绍。
参 考 文 献
1、 余卫东，陈建，MoldFlow软件在注塑成型过程中的应用，《广东塑料》，No.7，2001 2、 MOLDFLOW公司网站www.moldflow.com
MoldFlow软件在纤维填充中的应用
Application of Fiber Oriention Flow Analysis with MoldFlow Software
麻向军 文劲松
（华南理工大学聚合物新型成型技术国家工程中心 华南理工大学—美国MoldFlow高级应用技术中心）
前言
短纤维增强树脂基复合材料由于具有高的强度、弹性模量、刚度以及抗蠕变性能好等优点，近年来得到了广泛的应用。由于这类制件一般较薄，同时由于短纤维的加入，使得其成型过程比常规的流动过程复杂得多。短纤维的三维趋向及其在成型过程中的变化进一步增加了其复杂性。此外，材料性质、纤维的形状系数和体积分数、成型条件特别是填充速度，都将影响纤维趋向。MPI/Fiber通过对短纤维增强树脂基复合材料的填充和保压过程进行模拟计算，能够可靠地预测纤维趋向程度，从而为预测制件的力学性能及随后的翘曲及应力分布提供可靠的依据。
一、MPI/Fiber简介
纤维增强复合材料制件的许多性能与纤维趋向有关。MPI/Fiber实际上是在常规流动分析即MPI/Flow的基础上，进一步预测制件中的纤维趋向。
由于工业中常用的复合材料所含填充材料的体积分数在10~50%之间，因此，在分析时必须同时考虑熔体动力学、熔体对纤维的作用和纤维间的相互作用对纤维趋向的影响。在MPI/Fiber中，熔体动力学利用常规的流动分析即MPI/Flow进行计算，熔体对纤维的作用采用Jeffery模型进行计算，纤维间的相互作用采用Tucker-Folger模型进行计算。在计算过程中，将纤维趋向与流动分析完全耦合，从而确保了纤维趋向计算的可靠性。
目前，MPI的填充材料数据库包含了大部分常用的填充材料如玻璃纤维、碳纤维、石棉纤维、硼纤维、钢纤维、合成材料纤维等，可用于绝大多数复合材料制件的分析。
纤维趋向是决定制件力学性能的主要因素，MPI/Fiber在纤维趋向预测的基础上可以进一步预测制件的力学性能。MPI/Fiber提供了五种力学性能模型供用户选择，包括Tandon- Weng模型、Halpin-Tsai模型、Krenchel模型、Cox模型、Ogorkiewicz-Weidmann-Counto模型。
此外，MPI/Fiber还提供了三种热膨胀系数计算模型供用户选择，包括Schepery模型、 Chamberlain模型和 Rosen- Hasin模型。
由于制件的力学性能和物理性能与基体和纤维的性能有关，因此，在进行分析之前，除了要定义MPI/Flow分析所需的基本数据外，还需要定义材料的力学和物理性能，包括基体和纤维的弹性模量、剪切模量、泊松比、热膨胀系数及纤维的长度、形状系数、重量或体积分数。
目前，MPI/Fiber可以对制件的中性面模型和Fusion模型进行分析。
二、MPI/Fiber的作用
MPI/Fiber通过对纤维增强树脂基复合材料填充和保压过程的分析，不仅为用户提供常规流动分析的结果如填充时间、压力、温度、熔接痕、气穴等，还可以提供与纤维增强有关的模拟结果，帮助用户进行工艺优化。本文主要介绍与纤维增强有关的模拟结果。
(1) 纤维平均趋向 纤维趋向是决定制件力学性能的主要因素，但是，影响纤维趋向的因素较多。MPI/Fiber可以预测纤维在整个成型过程中纤维的运动及纤维在制件厚度方向的平均趋向。通过优化填充形式和纤维趋向以减小收缩变形和制件的翘曲，并尽可能使纤维沿制件受力方向排列以提高制件的强度。
(2) 纤维趋向张量 注射成型结束时制件厚度方向不同位置的张量分布，是计算制件在成型过程中热-机械性能和制件残余压力的重要依据。
(3) 制件的力学性能 注射成型结束时制件厚度方向不同位置的力学性能如弹性模量、剪切模量、泊松比。由于考虑了制件的实际成型条件对力学性能的影响，大大提高了制件翘曲分析及应力分析的精度。
(4) 制件的热膨胀系数 注射成型结束时制件厚度方向不同位置的纵向（流动方向）和横向（垂直于流动方向）的热膨胀系数。