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Moldflow精确分析的材料技术解决方案 |
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作者：Moldflow中国区技术经理 姜勇道 |
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材料属性和Moldflow分析结果有密切的关联性，材料测试数据的准确性直接影响後者的准确性。从表1可以看出，材料属性对Moldflow分析结果有直接的影响，特别是收缩对材料各属性依赖最大，热传导系数对Moldflow分析结果影响最大。
Moldflow分析必须的 重点材料属性
Moldflow材料数据库的材料属性类目达到70种以上，除了Moldflow分析必须的数据以外，还有很多描述性的参考数据。下面重点介绍几个关键的材料属性。
粘度（Viscosity）
聚合物为非牛顿假塑性流体，具有剪切变稀的特性，其粘度不仅受温度的影响，还受剪切速率的影响。Moldflow默认的粘度模型为Cross-WLF模型。这一模型能在较宽剪切速率范围内反应塑料熔体流动规律，适应温度范围广，能更准确地描述伴有冷却效应的熔体流动。特别是当温度接近於玻璃化转移温度时，能很好拟合粘度的迅速增加。表1 材料属性与Moldflow分析结果(实际成型效果)的关联性
(注：0-关联小，1-略有关联，2-有关联，3-密切关联) 式（1）为Cross-WLF粘度模型的运算式：
这也是经典的7参数模型（n, D1, D2, D3, A1, A2）其中n是非牛顿指数，1-n表示剪切变稀曲线的斜率；是剪切变稀行为开始的剪应力；D2对应低压下的玻璃化转移温度；D3是压力影响系数，表徵粘度对压力的依赖性，在高速高压成型分析中，比如超薄成型，必须考虑粘度的压力依赖性。 表2 几种常见材料的D3值
 Cross-WLF模型考虑的是剪切粘度，不考虑拉压粘度。在浇口直径变化较剧烈的情况下往往会有较明显的拉压粘度效应，造成更大的压力损失，此时需要考虑Juncture loss的Bagley修正系数C1和C2（采用3D求解器考虑Extension viscosity模型系数A和B）。如Moldflow未提供修正系数，可在Moldflow帮助档中查找经验数据进行修正。如果分析时不考虑拉压粘度影响，分析的注射压力则偏低，锁模力可能会偏大。
Moldflow采用注塑机成型法测试粘度数据，不同於传统的毛细管流变仪，测试时熔料驻留时间短、剪切速率宽、压力范围广，测试获得的粘度数据更准确可靠。
热属性
材料传热性能对成型的影响明显，包括外观质量、收缩变形、成型周期等，有利有弊。如图1，不同传热系数的材料翘曲分析结果有较大差异。材料的传热性能由热扩散系数表征，如式2。
图1 不同导热系数翘曲分析对比
α= k / (ρ x Cp ) （2）
其中K为热传导系数，ρ为密度，Cp为比热。
MPI6.1之前的版本在做冷却分析时考虑的是K和Cp平均值，分析的结果有轻微差异，如图2所示。 
图2 单点和多点冷却分析对比
转移化温度（无定形材料是玻璃化转移温度，结晶性材料是结晶开始温度）也是Moldflow分析考虑的重点属性，直接关系到凝固层的生成还有浇口凝固时间。
HTC值（接触面传导系数）也是传热要考虑的一项重要属性。MPI 6.0之前默认的HTC是一恒定的值25,000。试验表明，实际的HTC值在填充、保压、冷却过程是变化的，并且远低於25,000，否则对於薄壁件分析时会出现高估短射的情况。MPI 6.0後的版本可以按填充、保压、冷却分段设定HTC，预设值在5000以下，同时冷却分析也考虑变化的HTC值。
由於Moldflow的两种求解器Midplane和Fusion假设产品的边不参与传热计算，如果制品的宽厚比小於4：1，则边的传热面积不可忽略，否则分析的温度会偏高。这也是厚壁件必须采用3D分析的原因。
PVT
PVT是指材料的比容（密度的倒数）随温度和压力的变化关系，与填充、保压、冷却、残余应力以及收缩都有很大的关系，流动保压分析过程的随压力压缩效应以及随温度胀缩效应均与PVT有关，冷却分析则与密度有关，并且决定了体积收缩量。
聚合物的压缩热特性(图3所示，恒定体积情况下增加压力温度会升高)由PVT来描述，MPI6.1开始考虑压缩热效应，计算的熔体温度会略高，从而最终压力也会略低4％。温度升高会伴随体积的膨胀（如图3），线性热膨胀系数CTE可以由PVT来估算：CTE＝1/3*b2s/b1s。
图3 比容、压力、温度之间的相互关系
图4 MPI 6.1的压缩热效应
Moldflow材料Datafitting技术
Moldflow的材料测试力求遵循通用ASTM标准，但又结合Moldflow分析的实际对数据进行标准化。只有符合Moldflow规范的数据才可用。Moldflow材料Datafitting技术可以将测试出的离散数据点进行拟合和理论修正，以弥补测试条件的限制，修正测试误差带来的材料属性不一致问题，并生成Moldflow可以直接使用的档格式，即udb档。 
图5 Moldflow Datafitting软件
有效运用Moldflow材料数据解决方案
Moldflow材料数据库已有8000余种数据，有些数据是材料供应商测试的，有些是由Moldflow试验室测试的，还有些是由两者联合测试的。下面介绍如何选用Moldflow材料数据的方法和流程。
1.直接在Moldflow数据库中搜索。一般知名公司的通用牌号会发布在Moldflow数据库中。
2.联系材料供应商。材料的数据是否发布在Moldflow数据库中，主要取决於材料供应商。如果Moldflow数据库中没有搜索的牌号，可询问材料供应商是否自行保留了用於Moldflow分析的材料档，如果您是他的材料用户，一般都会提供。
3.材料供应商提供原始数据。如果材料供应商没有需要牌号的Moldflow分析材料档，可要求其按照Moldflow材料数据标准格式提供原始数据，将原始数据提交给Moldflow中国的办事机构进行Datafitting为您生成Moldflow分析格式档。
4.联系Moldflow测试试验室。Moldflow在澳洲和美国有两个顶级材料测试实验室。如果材料供应商无法提供原始材料数据，可联系Moldflow测试实验室进行精确测试。
5.最後不得已的方法是选择各方面物性相近的替代材料，但必须在实际成型中验证是可用的。
准确的Moldflow分析结果有赖於准确的材料数据，只要准确把握Moldflow运用材料属性的规律，就能确认Moldflow相关分析结果的有效性。(end)
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(1/13/2009) |
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