二维模拟热成型分析简介

作者：BERND SCHWARZE    来源：德国Kunststoffe International杂志

欢迎访问e展厅 展厅 1 注塑机展厅 注塑机, 立式注塑机, 二手注塑机, 真空成型机, 发泡注塑机, ... 高品质的汽车内饰零部件的外表面通常有一层附在注射成型基材(载体)上的聚氨脂半硬质表层或者膜。这给设计者提供了其它加工方法所没有的设计自由度。无需设计出切口中可见的流纹，设计者就可设计出几乎能想到的复杂几何形状。零件外部的表层或者膜能覆盖发泡模塑时在零件表面形成的合模线的微小裂缝，所以零件表面不会留下流纹。 零件表面的表层或者膜可由多种方式来形成：喷涂、涂覆或者浇铸的表层是用所谓初级的成型方法来制得的，也就是将液体或熔融的材料一个整体模具中。模具表面是由镍制得的想要的粗糙(纹理)表面。同时，热成型薄膜在过去的十年中也越来越少地被采用，因为在一些位置对薄膜进行拉伸可能导致部分区域粗糙面的颗粒变小或者纹理产生变形。然而最近这个加工手段又开始引起人们的关注。得益于新一代TPO薄膜(TPO2)的出现，对薄膜的拉伸可以被减小并且热成型薄膜的质量得到提升。 模拟代替原型 在各个领域，工程师都面对缩短开发周期的压力，这也包括汽车内饰件的开发。由于模拟技术的大幅提高，产品开发时所需的物理原型的数量得以减少。例如，基于薄膜材料特征和所有边界条件，用于重复三维热成型加工的模拟软件最近已经上市了。然而，该软件需要专门接受过培训的技术人员来完成计算，依次需要一定的时间来准备和进行后续的计算。例如，整个零件的三维几何形状、薄膜的粘弹特性和所需的加工参数都必须已知。然而这样的数据在产品开发的早期通常是未知的，这个阶段产品的加工方法都是通过假设来得到的。 在零部件开发和测试零部件几何体在热成型工具中的安置方式时，简单的二维计算程序有助于开发者快速快速获得零件拉伸程度的大概值。 ■ 为了使计算尽可能简单，文中所描述的模型基于以下假设： ■ 所有几何方面的计算是用通过热成型工具一个或几个截面来进行的。 热成型过程中薄膜和热成型工具接触点相对于相对于热成型工具而言是不动的。 ■ 薄膜是固态的，也就是说是不可压缩的。 ■ 薄膜的移动用与三点(起点，中间点，末端)相关的样条来描述。 ■ 样条长度变化的话，薄膜厚度也作相应的改变。 ■ 如果样条接触热成型工具，则其在接触点裂开。在接触点，样条与热成型工具的表面是相切的。 ■ 样条的中间点向热成型工具的表面移动，直到其与热成型工具相接触。 开始计算时，薄膜必须被“吹胀”到不与热成型工具相接触的程度。图1所示为模拟的起点。中间点如箭头所指的方向向下移动，直到与热成型工具第一次接触。将样条分割成两半，对每一半进行重复操作（图2）。这种相互作用将不断继续，直到所有的样条都与热成型表面相接触。对于每一个样条，程序自动保存每一段的厚度值d，d通过伸长率来确定。 l前：热成型之前的片段长度 l后：热成型之后的片段长度 假设薄膜的密度不变，即薄膜为固体，整个膜的横截面积在整个相互作用过程中保持恒定。作为查实，在模拟的最后可通过下式证明： 在科技文献中，伸长率作为材料拉伸的度量： 在汽车工业实际应用中，伸长率常被用来评估材料的拉伸，伸长率定义为： 比如，如果一个片段长度从10毫米增加到11毫米，相应的伸长率为10％，同时厚度也从100％降为90.9％。 这样，伸长率也可以通过厚度变化由下式来计算： 在一个典型的CAD工作站上，模拟大约需要10到15min。这可以通过附加的应用程序在CAD系统内直接运行。图3给出了模拟结果。 如果将薄膜厚度对指数参数μ作图，可得到图4的结果。作为对比，我们也列出了热成型TPO2薄膜样品的实测结果。薄膜的初始厚度为1.2毫米，这是一个严格的几何模拟，既未考虑材料的特征参数，又未考虑过程参数，因此模拟结果与实际值有很好的吻合。 只需要动几次鼠标的评估 在比较薄的位置，如1，2，计算结果与实测值非常接近。因此这一结果对于热成型制品取向的可行性研究以及以优化制品性能的研究都非常适用。偏差一方面来源于没有考虑横断面方向相对于研究断面的拉伸。对于平面型仪器，这种类型的伸长一般不大；另一方面计算所采用的程序没有考虑任何一种柱塞辅助部分。该辅助部分是沿着在充气薄膜内移动并使薄膜在不同区域间移动的部件来布置的。只有这样，才能说热成型工具的成型加工成功了。 用很高的热成型工具来加工薄膜的话，薄膜必定在开始模拟之前就高度吹胀，这就导致薄膜较高的伸长度，即便在与热成型工具很快接触的区域。实际上，结果发生偏差的主要原因是薄膜在成型工具上升到热成型位置前，并不能吹胀到这样的程度。这就意味着热成型工具在上升的过程中与薄膜接触，并在进一步上升时对薄膜进行拉伸。因此，在热成型工具与薄膜最早接触的区域拉伸程度越小，而其他区域则受到逐渐增加的拉伸。程序也可以对这一过程进行模拟。图5是高度吹胀薄膜的模拟结果，图6是相同部位的略低吹胀程度薄膜的模拟结果，两图在红色标记处出现了很大的差别。 在实际加工中，通过使用柱塞助压来进一步减小可视区域的拉伸度是很常见的，前提是要接受不可视区域的更高拉伸度。新一代TPO薄膜可以在保持极高拉伸度的情况下而不撕裂。 这里介绍的简化二维模拟还不能替代热成型的三维模拟，只是作为一个辅助工具，能够显示预期拉伸过程中早期的发展趋势。通过几次点击鼠标，设计者就可以在10到15分钟内分析出CAD系统中薄膜的关键区域所在，并且证实可能的正确测量方法的有效性。通过这种方法，物理试验就可以集中于具体部位，并且操作更加快捷。(end)

文章内容仅供参考 (投稿) (7/22/2008)