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專(zhuān) 業(yè) 機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化
學(xué)生姓名 徐 正 松
班 級(jí) BD機(jī)制041班
學(xué) 號(hào) 0420110126
指導(dǎo)教師 吳 衛(wèi) 東
立體成型注塑模具局部收縮工藝分析
R.A.Harris
H.A.Newlyn
P.M.Dickens
R.J.M.Hague
徐正松 譯
摘要：利用立體光刻成型技術(shù)（SL）可以縮短模具的生產(chǎn)周期，使塑料制件能夠快速成型。 該工藝的優(yōu)點(diǎn)是在制造零件時(shí)與傳統(tǒng)的制造方法相比能夠節(jié)省時(shí)間和成本。
除此以外，立體光刻成型工藝的收縮變形率與常規(guī)的成型工藝相比有很大的改善，這些特點(diǎn)主要是是體現(xiàn)在利用立體光刻成型的注塑模具成型工藝與傳統(tǒng)的生產(chǎn)工藝相比有很大的不同之處。
利用立體光刻成型工藝模具的生產(chǎn)與鋁模的生產(chǎn)在收縮率上存在不同，實(shí)驗(yàn)中，利用兩種不同的聚合物和模具結(jié)構(gòu)，采用相同的處理方式，使模具的傳熱性作為是實(shí)驗(yàn)的唯一變量來(lái)加以衡量。
該實(shí)驗(yàn)表明在兩種不同的模具材料在不同溫度分布下的收縮率變化情況。收縮率的變化情況必須得到補(bǔ)償以確定模具零部件的總體收縮變形情況。補(bǔ)償?shù)姆椒ㄊ峭ㄟ^(guò)數(shù)學(xué)方法和利用模型有限元翻譯。兩種技術(shù)取都決于成型期間的受熱情況。這些受熱情況通過(guò)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集和有限元分析模擬成型。研究結(jié)果應(yīng)用提供了涉及到模具材料及聚合物使用所引起的收縮率變化的整體情況，這將使零部件幾何形狀的生產(chǎn)更加準(zhǔn)確。
關(guān)鍵詞：有限元分析；注塑成型；聚合物收縮；快速模具及立體成型。
1．引言
立體光刻成型技術(shù)（SL）已經(jīng)可以直接的生產(chǎn)用于注塑成型的模具腔（插入）。精確的立體光刻成型工藝需要注塑成型前注入環(huán)氧。該工藝為快速模具成型提供了途徑，依靠幾何復(fù)雜性和聚合物造型，可以生產(chǎn)高達(dá)約50個(gè)零件[ 1 ] 。利用立體光刻成型能夠使多種聚合物被成功地塑造成注塑模具。這些聚合物包括聚酯（PE），聚丙烯（PP），聚苯乙烯（PS），聚酰胺（PA），聚碳酸酯（PC），聚醚以太酮（PEEK），丙烯腈-苯乙烯-丙烯酸酯（ASA）的丙烯腈-丁二烯-苯乙烯（ABS）。
立體光刻成型生成的環(huán)氧模腔與金屬模具相比具有不同的熱性能。由于模具材料固有的傳熱性能，對(duì)于不同的材料的模具其加熱或冷卻的速度也有很大的不同之處。許多聚合物的收縮率不同是由于在造型期間的冷卻條件不同而引起的。該研究表明了受熱條件對(duì)模具局部材料收縮的影響情況。
2．目的
這項(xiàng)研究的目的是旨在評(píng)估用立體光刻成型模具制造與金屬快速模具制造在注塑成型時(shí)的收縮情況。
3．工藝分析
3．1實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)
實(shí)驗(yàn)的目的是確定兩聚合物（聚酰胺66 [尼龍66，結(jié)晶]和丙烯腈-丁二烯-苯乙烯[ ABS的，無(wú)定形]）在不同材料（光固化成形[SL]和鋁[AL]）的注塑成型在48小時(shí)的收縮特性。這將要直接比較成型腔和模壓零件的尺寸情況。
除了熱塑性高分子材料和工具材料的選擇，注射成型的收縮問(wèn)題還部分的決于幾個(gè)過(guò)程變量，注塑壓力，機(jī)器型號(hào)等。然而 ，在這兩個(gè)試驗(yàn)集（尼龍66 ＆ ABS）中的唯一變量分別是刀具材料的類(lèi)型（SL＆AL）和刀具幾何型腔（bar ＆ disc—這些被用于根據(jù)聚合物流向辨認(rèn)造型期間的收縮情況，在3.2中進(jìn)一步解釋 ）。就該注塑成型而言，唯一有影響的變量是在每次實(shí)驗(yàn)時(shí)SL和鋁模的熱性能。 這取決于注入聚合物進(jìn)行脫離模壓部分通過(guò)腔用料是的導(dǎo)熱系數(shù)。模具材料的導(dǎo)熱性有很多的不同之處 ：SL=0.2 W/m/K,AL=200 W/m/K。
3.2 模具設(shè)計(jì)
模具設(shè)計(jì)是根據(jù)布的EN ISO 294 - 1和4 [ 12,13 ]和ASTM D955 [ 14 ]建立的注射成型聚合物收縮標(biāo)準(zhǔn)而設(shè)計(jì)的。
樣本的兩種不同的結(jié)構(gòu)造型是為了提供與該目錄聚合物流同步的平行（縱向）和垂直（徑向）兩個(gè)方向的收縮測(cè)量。這些模具型腔的三維圖像可以看作如圖1所示 。
使用草案角度，以紓緩部分移離模具為1.5 °，該值此前被證明是一個(gè)為減少由立體光刻成型的模具零部件潛在的損害最佳值 [ 15 ] 。
澆道口的設(shè)計(jì)是為了使得所設(shè)計(jì)模具能夠避免可以破壞立體光刻成型模具的熱量和壓力，濃度（如范澆注）。使用該澆注系統(tǒng)是為了確保注塑過(guò)程中模具內(nèi)的各部分之間無(wú)大的壓力差異，也可防止模具注射壓力不均所造成的過(guò)早凍結(jié)中斷澆道的現(xiàn)象。
澆道口的深度是與橫截面寬度尺寸（disc＆bar）相同 。一般情況下澆道口寬度的大小正比于型腔尺寸的大小。
模具并不包括局部注射系統(tǒng)。剛性噴射器將提供與其他區(qū)域不同的注射速率使成型腔區(qū)域的熱傳遞速率高于其它區(qū)域。鋼的導(dǎo)熱性比SL高的多，但卻沒(méi)有AL的導(dǎo)熱性的導(dǎo)熱性好。這不能夠用實(shí)驗(yàn)來(lái)全面的估計(jì)SL或AL模具所提供的熱傳遞在局部收縮問(wèn)題上的影響。注塑制件形狀簡(jiǎn)單的的模具用手動(dòng)就可以輕易地被去除由于沒(méi)有噴射器系統(tǒng)所引起的問(wèn)題。
立體光刻模具是由具有三維系統(tǒng)的sla350機(jī)用vantico5190樹(shù)脂加工成型的。樹(shù)脂建設(shè)層厚度為0.05毫米，因?yàn)檫@是以被證明了可以延長(zhǎng)立體光刻模具的工作壽命 [ 16 ] 最佳值。
為了提高成型質(zhì)量，在入口處插入一些搖枕。這些搖枕便于對(duì)齊使機(jī)器壓板對(duì)齊，保證塑料經(jīng)錐形澆道進(jìn)入模具，同時(shí)也保護(hù)了刀具，防止過(guò)度的施加壓力。
3．3 模具溫度記錄
為了確立每套模具都存在的傳熱特性，需在整個(gè)成型周期內(nèi)插入K型熱電偶以便記錄溫度。熱電偶的上表面一般位于成型面下0.5毫米的表面。每對(duì)熱電偶在插入之前需對(duì)其各自的標(biāo)值進(jìn)行檢查。在插入到模具內(nèi)以后，通過(guò)0.5毫米型腔下表面熱電偶溫度的變化來(lái)反映型腔內(nèi)的溫度變化情況。熱電偶測(cè)量的溫度所與實(shí)際表面的溫
（圖1）
度的差別不能大于± 1 °。鈣數(shù)據(jù)采集程序記錄，并記錄溫度分布超過(guò)10 分鐘的時(shí)間內(nèi)，在成型中的一部份。利用數(shù)據(jù)采集程序?qū)α慵谠煨推陂g10 分鐘時(shí)間內(nèi)內(nèi)的溫度分布情況進(jìn)行記錄。
3．4注塑成型
為了消除額外的實(shí)驗(yàn)變量，重要的是要找到兩聚合物總體參數(shù)值，以及模具的形狀和模具的材料類(lèi)型。其它用于補(bǔ)償縱向和徑向部分的所有幾何參數(shù)均是通過(guò)實(shí)驗(yàn)獲得的。
在尼龍66中的A70NAT是由聚乙烯生成的。將超光滑的ABS 2373條應(yīng)用于徑向定量澆鑄系統(tǒng). 兩種聚合物都具有吸濕性，需要在干燥處理之前進(jìn)行加工。
該注塑機(jī)使用的是BF 600/125 CDC模型與UL4000人工控制單元。該注塑機(jī)是由一個(gè)60噸液壓夾緊裝置和一個(gè)帶有傳統(tǒng)錐形噴嘴的125 × 35毫米往復(fù)螺桿注射裝置所組成的。其工藝參數(shù)如下列所示：
●熔體溫度定在270 ° C時(shí)，在每5個(gè)桶溫度區(qū)。
●注射速度為100毫米/秒。
●噴射壓力為150巴。
●后續(xù)壓力為150巴，保持3秒鐘， 100毫米的余量。
●模具注射之前的環(huán)境溫度為23.5 ° C。
●局部冷卻時(shí)間不超過(guò)40秒，該時(shí)間是確立在不會(huì)引起工件局部滑移失真的條件上的。
●鎖模力為15噸。
3．5 收縮測(cè)量
BS EN ISO 291[17]被用來(lái)作為是零件的成型環(huán)境和48h后檢測(cè)的標(biāo)準(zhǔn)。注塑成型后的模腔及模具樣本的實(shí)測(cè)值與給定的理論值相差近0.01毫米。許多零件的成型數(shù)據(jù)都是由多次實(shí)驗(yàn)和測(cè)量而決定的。零部件和型腔的長(zhǎng)度尺寸大否需要測(cè)量。澆道口位于模具的中央，也可以放在成型件的一側(cè)。模具零件的徑向長(zhǎng)度測(cè)量值及幾何形狀如圖2所示。
測(cè)量出樣件型腔尺寸于實(shí)際成型腔的差值百分比，以便擴(kuò)大模具熱補(bǔ)償。
4．結(jié)果分析
4.1.模具溫度廓線
有關(guān)數(shù)據(jù)顯示，兩種類(lèi)型的聚合物（ ABS＆PA66 ）和兩種幾何型腔（bar＆disk）之間的溫度分布具有很大的相似性（不大于± 5 ％的差異）。立體光刻成型模具和鋁模具具有不同溫度輪廓線。不同材料的成型方式反映時(shí)間與溫度之間關(guān)系的輪廓曲線如圖3所示。概括說(shuō)明SL和鋁模具成型時(shí)溫度的不同點(diǎn)。鋁制模具由于其材料具有較高的導(dǎo)熱性，其溫度輪廓線變化較快。SL模具溫度變化較為緩慢，在沒(méi)有外在條件幫助（由壓縮空氣冷卻）的情況下，需要15分鐘才能冷卻至常溫。
（圖3）
4．2 初始收縮結(jié)果
初始的收縮值，是由如表1所示的零件/模具的測(cè)量結(jié)果計(jì)算得到的。不過(guò)，這些數(shù)字還需要進(jìn)一步考慮總體收縮問(wèn)題的發(fā)生. 這些將在下文闡述。
4．3熱膨脹補(bǔ)償計(jì)算
兩種模具材料的熱膨脹補(bǔ)償計(jì)算可以用同一種方法，盡管各方面的參數(shù)不同。模具及零部件的收縮在測(cè)量時(shí)必須要進(jìn)行誤差補(bǔ)償，以確定與其真實(shí)數(shù)值的差別。更正零件收縮的方法就是擴(kuò)大相對(duì)應(yīng)的模具數(shù)值。
擴(kuò)大了模具的數(shù)值將會(huì)導(dǎo)致型腔受到擴(kuò)張，而不是收縮。這說(shuō)明測(cè)量模具型腔的在標(biāo)準(zhǔn)溫度為50 ° C，需要保持10分鐘左右（參見(jiàn)圖2）。這些將在后面加以證明（第4.4.5節(jié)）。
用Sm對(duì)由模具熱膨脹而引起的局部收縮進(jìn)行修正，其方法是：DSm=am(Tm-Ta)[13]，其中：am為模具材料線性膨脹系數(shù) ，Tm為模具注射期間的最高溫度，Ta為注塑機(jī)上的溫度。
一般應(yīng)用為：
am
●SL=59×10-6 m/m/K
●AL=23.8×10-6 m/m/K [18]
Ta:
●SL=23.5°C
●AL=23.5°C
它們各自的意義在3.4節(jié)已經(jīng)加以說(shuō)明。
Tm:
這些數(shù)值的使用是由以往模具注塑溫度和注塑參數(shù)經(jīng)計(jì)算得來(lái)的的，在該溫度點(diǎn)時(shí)聚合物停止流動(dòng)。該壓力點(diǎn)的應(yīng)用將對(duì)收縮有影響。在模具進(jìn)一步受熱膨脹時(shí)將無(wú)法影響其數(shù)值如圖四所示。不同模具的最高溫度為：
●SL disc=57.46°C
●SL bar=44.37°C
●AL disc ＆ bar=30.39°C
立體成型模具的注塑周期要在交長(zhǎng)堵塞時(shí)間內(nèi)完成，使的溫度持續(xù)上升。由于不同的需要，disc＆bar兩種模具的最高注塑溫度也不同。
因此，各類(lèi)模具的熱膨脹系數(shù)計(jì)算結(jié)果如下：
SL disc mould=59×10-6 (57.46-23.5)
=2.00364 mm/m
=0.200364％
SL bar mould
=59×10-6 (44.47-23.5)
=1.23133 mm/m
=0.123133％
AL disc＆bar mould
=23.8×10-6 (30.39-23.5)
=0.16422 mm/m
=0.016422％
這些實(shí)測(cè)的收縮百分比可以計(jì)算出總收縮率，便于模具的熱膨脹補(bǔ)償。這些數(shù)值如表1所示。此外，計(jì)算也比較簡(jiǎn)單。假設(shè)模具的溫度是整體上升的話，那么通過(guò)數(shù)據(jù)采集工具就可以進(jìn)行很好的處理。而實(shí)際上模具地溫度是呈局部上升的。因此就需要進(jìn)一步的的弄清模具型腔發(fā)生膨脹是的溫度分布情況，以便進(jìn)行補(bǔ)償。
4．4熱膨脹補(bǔ)償-有限元分析
有限元分析（FEA）用于因型腔內(nèi)溫度不均勻而引起的模具熱膨脹分析。有限元分析軟件用在這方面的主要是算法。有限元分析有兩種方法。一是分析模具的瞬態(tài)熱，以確定溫度的分布情況。二是對(duì)溫度分布的結(jié)果進(jìn)行線性分析，以確定模腔熱膨脹系數(shù)。
4.4.1. 有限元分析.步驟 1 -建立模型
有限元分析首先需要?jiǎng)?chuàng)建有限元模型和有限元網(wǎng)格。為了減少分析方案的時(shí)間， 每個(gè)試樣均由模具制造快速。這些如圖5所示。
擠壓這種網(wǎng)格模型間距的間距每個(gè)節(jié)點(diǎn)為0.5毫米，在當(dāng)前區(qū)域成型腔下方（ ? 4毫米深），這能夠很好的分析型腔的熱膨脹問(wèn)題。這些節(jié)點(diǎn)相當(dāng)于熱電偶在試驗(yàn)
（圖4）
中的溫度變化情況（見(jiàn)3.3節(jié)）。其余模型的網(wǎng)格間距為10毫米左右以在更短的時(shí)間里進(jìn)行有限元分析。
4.4.2. 有限元分析. 步驟2 -配置材料
該材料被假設(shè)為理想均質(zhì)獨(dú)立同性恒溫材料。起具體數(shù)據(jù)如表2所示。
4.4.3. 有限元分析.步驟 3 -瞬態(tài)熱分析
瞬態(tài)熱分析指的是在同一溫度情況下的時(shí)間函數(shù)。通過(guò)實(shí)驗(yàn)對(duì)模具的有關(guān)條件進(jìn)行分析。
由注塑時(shí)產(chǎn)生的能量（熱量）被傳散到周?chē)哪＞卟牧?。這些熱量是有限的，聚合物的溫度在減少，其熱量被傳遞到溫度較低的模具中。
通過(guò)有限元瞬態(tài)熱分析，可以得出以下的結(jié)論：
●聚合物被注入模具時(shí)的起使溫度是270 ° C。
●塑料和模具之間無(wú)熱敏阻力。
●模具材料的起使溫度是23.5 ° C。
要對(duì)一些重要溫度數(shù)據(jù)（參見(jiàn)圖4 ）的實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行有限元分析，并采用正確的步驟進(jìn)行解決。
根據(jù)所調(diào)查的模型發(fā)生變化（膨脹）是溫度的分布情況，選定一個(gè)條件（溫度），在規(guī)定的時(shí)間就可作進(jìn)一步的線性彈性分析。
（圖5）
4.4.4. 有限元分析. 步驟4 -線性彈性分析
該模型在有限元模型設(shè)計(jì)（如圖所示，在圖5）的基礎(chǔ)上很好的解決了注射口對(duì)稱(chēng)性問(wèn)題。其沒(méi)有規(guī)定的限制，允許自由的選用。該方法應(yīng)用較多，因?yàn)橛兄谠鰪?qiáng)模具的注塑能力。不過(guò)，已經(jīng)表明，即使在最佳條件下，任意方向的熱膨脹最大值是0.25毫米。應(yīng)用該數(shù)值有助于優(yōu)化模具的整體結(jié)構(gòu)。其具體情況如圖6所示。
4.4.5. 有限元分析. 步驟5—結(jié)果
該模型經(jīng)線性彈性分析后，其模型的熱膨脹問(wèn)題主要是取決于型腔厚度的大小。具體的情形如圖7所示。
根據(jù)這些起平均運(yùn)動(dòng)速度（擴(kuò)大）就可以確定起數(shù)值了。每一種情況都可表明型腔外擴(kuò)情況。確定共模擴(kuò)張的測(cè)量數(shù)值是位移矢量一倍，因?yàn)檩S向擴(kuò)張的方向成型方向相反。引起這些擴(kuò)張結(jié)果的局部收縮值如表1所列 。
5. 討論
從結(jié)果（表1 ）可以看出，為了消除局部收縮，對(duì)所有的聚合物/工具組合進(jìn)行熱補(bǔ)償是很有必要的。同是也獲得了不同收縮值的模具擴(kuò)張補(bǔ)償值。有限元分析解決問(wèn)題比單純的計(jì)算法更為優(yōu)越。采用該方法可以準(zhǔn)確的分析模具熱膨脹和局部收縮問(wèn)題。應(yīng)該指出的是，有限元分析法是一種近似解法，并需依靠精確的模型，網(wǎng)格密度
（圖6）
大，且對(duì)材料性能、表面摩擦力和自體約束也有很高的要求。雖然大多數(shù)的有限元分
析較為確切，但生產(chǎn)實(shí)際中有些項(xiàng)目的分析結(jié)果仍還需作必要的修改。
熱膨脹補(bǔ)償包括以下關(guān)于收縮幾個(gè)主要問(wèn)題。主要包括：
5.1.收縮方向
液晶聚合物（PA66）在聚合物流動(dòng)方向（軸向）垂直聚合物流向（徑向）上具有較大的收縮性差異（達(dá) 7 ％以上）。部分非晶聚合物(ABS)也或多或少有些差異（達(dá)3％以上）。這些是所有注塑成型零部件的典型特征，晶體零件更容易由于聚合物[ 19 ]受到不同流動(dòng)方向（定向分歧）而造成更大的偏差。
5.2.模具材料尼龍66的收縮
模具材料-尼龍66 收縮結(jié)果表明，這種收縮發(fā)生在尼龍66部件，立體成型模具比鋁模具高出一倍。預(yù)計(jì)尼龍66收縮幅度為1-2.2 ％ [ 20 ] 。鋁模的零件收縮率僅略高于最低預(yù)期數(shù)值，而立體成型模的零件收縮率最高可超過(guò)預(yù)期的收縮幅度。各種零件的大小也可用ABS零件來(lái)衡量。尼龍66零件在0.35毫米? 0.18毫米范圍的測(cè)量不同于ABS零件。這是晶體高分子材料的典型特征，于無(wú)定形聚合物相比[ 21 ] 很難保持零件的尺寸公差。
5.3.模具材料ABS的收縮
研究結(jié)果表明， ABS零件的收縮不受模具材料的限制。ABS零件的收縮實(shí)驗(yàn)值為0.76％。ABS預(yù)期收縮幅度為0.5-0.6％[ 20 ] 。
6. 結(jié)論
研究表明，尼龍66 （一種結(jié)晶聚合物）在立體成型模具中注射成型收縮率是鋁模具的兩倍。在同一實(shí)驗(yàn)條件下的ABS（一種無(wú)定形聚合物）沒(méi)有表現(xiàn)出這種差異。
模具熱膨脹補(bǔ)償補(bǔ)償重要性在收縮計(jì)算時(shí)已得到證明。這一點(diǎn)對(duì)確定塑料工具絕對(duì)收縮值及金屬工具的更多擴(kuò)展至關(guān)重要。在確定零件絕對(duì)收縮值時(shí)若忽略了模具生產(chǎn)塑件的熱熱膨脹將導(dǎo)致重大錯(cuò)誤。
不同液晶高分子零件具有不同缺點(diǎn)，需使用相應(yīng)的補(bǔ)償。實(shí)驗(yàn)表明，這種液晶高分子材料的收縮取決于工藝條件。收縮問(wèn)題只發(fā)生在工件被加工的情況下。因此，常規(guī)的收縮分析是不行的，使用立體成型的工具，還需要其他技術(shù)加以補(bǔ)償。
非晶體聚合物的收縮不會(huì)受模具材料類(lèi)型及冷卻條件的影響。因此，如有可能，因此建議使用SL模具加工時(shí)材料優(yōu)先使用無(wú)定形聚合物。
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外文資料名稱(chēng)：Part shrinkage anomilies from stereolithography injection mould tooling
(用外文寫(xiě))
外文資料出處：International Journal of Machine Tools&Manufacture 43(2003)879–887
附 件： 1.外文資料翻譯譯文
2.外文原文
指導(dǎo)教師評(píng)語(yǔ)：
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