用塑料建筑模板替代木材或钢材模板，是钢筋混凝土浇灌工程的发展趋势。但是，由于建筑模板的用量很大，因此在选择塑料材料时，就要充分考虑成本和回收等问题。一般，使用强度、刚性均较好的工程塑料会导致成本的提高，而使用热固性塑料则难以解决使用后废弃模板的回收利用问题。相比之下，玻纤增强热塑性塑料则是一种较好的替代材料，它同时满足了低成本和可回收这两方面的要求。
前些年，国外曾经出现过采用GMT片材热压成型建筑模板的案例，它是借鉴了汽车行业中生产座椅板和脚踏板的制造技术。在该应用中，使用了以聚丙烯（PP）为基材的连续玻璃纤维毡增强热塑性塑料，并在流水线中生产出玻纤增强PP片材。首先，用双螺杆挤出机挤塑成型片材的中央层，然后在此基础上铺上两层PP薄膜，中间夹铺两层玻纤毡，接着在加热温度下滚压成片材。GMT片材到达制品生产企业后，对其进行裁剪并重新加热软化，最终在模腔内压制成型。在国内，也已出现过批量生产的玻纤增强PP建筑模板，但是，如何处理大量报废后的塑料模板却是一件令人头痛的事情。这是因为，挤出级的PP基材是一种高黏度的塑料，而连续玻璃纤维毡中的玻纤长径比过长，从而导致报废模板被粉碎后，不适合被重新利用于注射成型。
为此，新的趋势是采用短玻纤增强PP材料来替代连续玻璃纤维毡增强PP材料，并采用注射成型的方式生产建筑模板。然而，这种工艺方法遇到的难题是如何解决好熔体的充模以及模板的翘曲变形。在此，模具的设计显得非常重要，其中最为关键的是热流道的合理布局及其结构设计。本文所介绍的是上海克朗宁技术设备有限公司在为某客户设计并制造建筑模板用的注射模具方面积累的经验，其中重点介绍的是利用Moldflow软件进行模拟分析，最终确定合理的流道布局的分析设计过程。
根据客户的要求，用于浇灌混凝土的建筑模板有几十种规格大小，上海克朗宁技术设备有限公司为其提供了其中10种规格生产用的10副注射模具，现以其中的两副注射模为例进行介绍。
如图1和图2所示，两种建筑模板的重量分别为1 510g和3 656g，它们的尺寸规格分别为：300mm×600mm和300mm×1 500mm。同时，两板的面板壁厚均为4mm，侧板厚均为4.2mm，纵隔板厚均为3.2mm，横隔板厚均为2.5mm，边角筋均为2.5～3mm。客户要求采用以粒料供应的国产短玻纤增强注射材料，其中短玻纤含量为30%，熔体的流动速率MFR为3.2g/10min。
图1 300mm×600mm玻纤增强PP模板(反面)
图2 300mm×1500mm玻纤增强PP模板(正面)
通常，对于大面积、大注射量的注塑件，高黏度的塑料熔体的流程是有限的。同时，在注射充模的过程中，短玻纤还有明显的取向问题，这会导致产品在冷却固化后出现严重的翘曲变形。因此，有必要利用Moldflow分析软件，对材料的流动充模过程和产品的翘曲变形进行模拟和预测，以对模腔结构和热流道的分布进行最佳设计。
在利用Moldflow软件进行分析时，由于该材料的供应商不能提供流变曲线等性能数据，因此只能依据他们提供的材料性能（见表），在Moldflow软件的材料数据库中，参考性能相近的国外材料牌号。在对塑料熔体充模和模板的翘曲分析中，调用了Hos facom G3 No1的性能数据。
为了确保熔体的顺利流动和充模，首先需要确定热流道的喷嘴数目。Moldflow分析表明，如果采用中等黏度的熔料，对于300mm×600mm的模板而言，需要使用双喷嘴。如图3所示，熔体取向分析表明，两股料流的前锋在模板中央的短纤维排列方向一致，从而形成了如图4所示的熔合缝。由于模板采用了纵横正方形的隔板结构，使得塑料熔体在隔板间隙中被引流。在模板中央，塑料分子链和玻璃纤维被横向取向，而在熔合缝区的材料强度只是非缝区的0.6～0.7。因此，当模板发生翘曲变形时，中央的弯曲挠度最大，从而导致了由长边的两侧壁而引起的模板中央开裂。
图3 对于300mm×600mm的玻纤增强PP模板，采用双喷嘴时，熔体在合缝区的取向
图4 对于300mm×600mm的玻纤增强PP模板，采用双喷嘴时的熔合缝位置
在Moldflow分析软件的引导下，还掌握了短玻纤高黏度熔体的流程比，以及熔合缝的位置和走向。为此，对于300mm×600mm的模板成型而言，将原来的两喷嘴改为采用3个喷嘴，其中增加的中央喷嘴所发挥的作用是：缩短了每个喷嘴的注射流程，改变了熔合缝的分布。这样，不仅使熔合缝的位置发生了偏移，而且熔合缝还变短了。由此，使得模板的翘曲变形明显减小（如图5所示），并避免了模板的开裂。
图5 对于300mm×600mm的玻纤增强PP模板，采用3喷嘴时的熔合缝位置
在此经验基础上，对于300mm×1 500mm模板的成型，使用了9个热流道喷嘴。需要强调的是，该模板成型的关键是要保证模板四角和侧壁的熔体流程。如图6所示，熔体从喷嘴位置被逐次推进，全部充满型腔需要2.69s。当充模时间为2.466s时，料流从板平面和侧壁充填到四角。模板注射成型后，被放在机床的工作台上，实际测量的平面弯曲变形量达23.2mm。对此，利用Moldflow分析软件进行了流动-翘曲分析。翘曲模拟的最大变形挠度为21.667mm，相对于实测的误差在8%以内。之后又做了流动-冷却-收缩-翘曲分析，以改善模拟注射的工艺条件。如图7所示，平面弯曲变形量即y方向为13.373mm，理想条件下的翘曲变形更小。
图6 300mm×1 500mm玻纤增强PP模板的热流道系统设计
300mm×1 500mm玻纤增强PP模板的翘曲变形量
经过上述的Moldflow弯曲变形分析，最终成功地设计出了5副模板注射模具的热流道系统。在此过程中，还根据翘曲变形曲线将平面分型面改制成曲面分型。对于矩形平面长宽比等于1/3的模板（如600mm×1 800mm的模板），其注塑模采用的是有两个方向弯曲的双曲面分型。相应的，热流道喷嘴的长度则按曲面的高度进行调整。在此基础上，采用反向注射弯曲模板的方法，成型了平面模板，基本满足了客户对模板的质量要求。
通过对整个项目进行全面的分析总结可以发现，此类模板结构设计的不合理是造成模板弯曲翘曲的主要原因。例如，在模板的中性平面上，上下材料的分布很不对称。同时，模板的壁厚相对于熔体的长流程的比例也显得不够合理。实际上，大尺寸的模板壁厚应比小模板厚些为益。在加强筋的布排方面，还需要考虑引流问题，以改善熔合缝的走向、长度和位置。
总之，对于像图1和图2所示的这种结构的注塑模板，它们脱模后的翘曲变形量均很大。此次经验和教训表明，今后在设计建筑模板结构时，首先需要利用Moldflow软件分析翘曲变形，不断对结构设计进行改进，以使翘曲变形最小化，在此基础上才能设计、制造注射模具。而上文所述的反向注射成型的建筑模板，精度不高。在长期使用中，这种将翘曲回复成平面的模板，尺寸稳定性也较差。
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