Moldex3D模流分析之共射成型模组

共射成型模块 (Co-Injection)

共射成型简介

共射成型（或称三明治射出成型）是在射出成型制程中将数种熔胶（皮层材料与核芯层材料）以间隔依序方式射入模穴中。熔胶将会彼此接触，但不会流入其中。各种皮层／核芯层材料的组合，包括软质皮层／硬质核芯层材料、纯料皮层／回收料核芯层以及纯塑料皮层／强化核芯层材料，被广泛应用于日用品、汽机车及结构应用。使用共射成型的主要优点为节省成本、废物利用及产品效能提升。

共射成型制程开始将第一射的材料（皮层材料）以预定的短射体积射入模穴中，接序第二射（核芯层材料）直到模穴充填完全为止。表层材料的喷泉流行为将在模壁上产生固化层；同时，第二射藉由阻力较低的路径注入熔融区域，以取代第一射的材料。由于喷泉流行为，第一射材料的流动波前将一路向前形成额外的固化层。因此，理想的三明治射出成型件的核芯层材料会被皮层材料完全包覆。

Moldex3D共射成型模块功能导览

Moldex3D共射成型模块提供强力的建模解决方案，以预估模穴中材料的空间分布。这对于结构应用非常重要，因为产品刚度主要取决于皮层／核芯层材料的分布情形。由于触觉也会受到皮层材料厚度的影响，因此对于软质皮层／硬质核芯层材料的应用也很重要。共射成型的另一项重要层面，则在于吹穿现象发生前最大化核芯层材料的含量。共射成型模块能预测在多少核芯层材料充填比例时会发生吹穿现象，也能预测实际发生的位置。这些预测全都是根据加工条件的重要因素来计算，例如：射速与塑料性质如黏性等。

注意：Moldex3D共射成型模块只支持Solid网格模型。

1. 前处理 (Pre-processing)

在共射成型制程中，虽然皮层材料与核芯层材料都被射入相同的模穴中，但他们共享同一个进浇口、螺杆及流道系统。其前处理阶段的步骤与基本模块相似：

步骤1：新项目建立

步骤2：设定分析系统并建立网格

步骤3：设定材料及成型参数

步骤4：执行分析并观测分析结果

以下将列出特定步骤的操作说明。

1. 建立新项目 (Create a New Project)

第一步开启Moldex3D Studio，选择新增建立新项目，第二步按下确定。

在第三步，选择共射出成型分析。

2. 准备分析 (Prepare Analysis)

共射成型设定需指定皮层材料与核芯层材料，以及个别的加工条件。

(1)在材料标签，从材料精灵中选择皮层材料与核芯层材料。

(2)在加工精灵中的充填／保压设定页，输入皮层材料完全充填模穴所要的充填时间，不需考虑预定的短射充填情形。亦可设定最大流率、流率多段设定及射压多段设定。重复相同流程以设定核芯层材料的加工条件。

依照不同机台偏好使用体积比例或充填时间，输入核芯层材料注入时间。此芯层材料注入时间意为皮层／核芯层转换点。在此注入时间后，停止射入皮层材料，并将核芯层材料注入进浇点。建议使用40%核芯层材料注入时间作为起始值。

注意：体积比例是根据模穴与流道的总体积进行计算，模穴中的实际皮层体积百分比将不会与此体积比例相同。

完成这些设定后即可进行分析。返回Moldex3D Project，点击分析序列并选择瞬时分析－Ct F P Ct W ，以执行共射成型分析。

2. 后处理 (Post-processing)

除了一般结果之外，例如：流动型式与塑件翘曲，另有两项结果对于了解共射成型制程也很重要。

共射出模块分析和结果

完成分析后，Moldex3D Studio 提供强大的工具，更了解材料选取和皮层/核心层分布的成型条件。

Moldex3D 共射成型分析

基本功能与如下所列的传统射出成型类似。

•充填／保压：流动波前时间（皮层和核心层）、压力、温度分布、缝合线、包封等

•冷却：冷却温度、时间等

•翘曲：体积收缩、翘曲、残留应力等

可透过「显示设置工具栏」(Display Toolbar) 的功能，启用分析结果等值线。同时可透过「动画工具栏」(Animation Toolbar) 的功能，启用流动波前动画。此外，Moldex3D Studio 也可在结果窗口建立 XY 曲线的图表。

共射出模块条件还有明显不同的功能：

•皮层和核心层流动波前时间

Moldex3D Studio树状目录中选取流动波前时间

皮层充填流动波前时间（左）和核心层充填流动波前时间（右）

以上第一个图显示共射成型条件选取两种不同的流动波前时间。比较检视显示皮层充填流动波前时间（左）和核心层充填流动波前时间（右）。

•皮层比例和厚度

Moldex3D Studio树状目录中选取皮层比例

皮层比例（左）和皮层厚度（右）

上图显示与充填分析中皮层比例相关的等值线。可使用皮层分布结果预测零件的皮层厚度。

2. 后处理

1. 表层／芯层材料分布 (Skin & Core Distribution)

为评估皮层／核芯层材料分布，使用者可选择充填分析中的皮层比结果与表皮厚度结果。皮层比是用皮层厚度除以全体塑件厚度在厚度方向做计算，所以不需要使用切割功能来观看结果。根据下列皮层比结果图所示，红色表示100%皮层比，就是在那些区域中没有核芯层材料的存在，主要是在充填未端。使用者可决定是否提升核芯层材料的充填速率，以让核芯层材料朝着充填末端流动。

2. 吹穿瑕疵 (Breakthrough Defect)

核芯层材料的吹穿现象是常见的共射产品瑕疵，其产生的位置与时间可藉由模流分析协助来预测并减少发生率。核芯层材料的吹穿现象是由于喷泉流行为而产生，由于核芯层材料会沿着塑件中心流动，并在波前推挤皮层材料，如果皮层材料在达到充填结束前便已停滞，则核芯层材料将会穿透塑件表面。在分析执行时可观看下列讯息，同时也会被记录在项目／分析文件夹中的*.lgf档案内，可作为对使用者的警告以注意当前的塑件设计与加工条件。

从皮层比结果来看，吹穿的核芯层材料完全充填剩余的模穴，并显示0%皮层比。当吹穿现象发生时，使用者应减少核芯层材料注入时间的体积充填比。

使用流动波前时间（皮层）结果来观看更动态的核芯层材料吹穿显示，用户可清楚看见芯层材料露出的位置。

如果流动波前发展过程的显示被默认的颜色所干扰，用户可点击动画选项并勾选单色，以关掉流动波前的颜色显示。

3. 参考数据

1. 制程特色 (Process Characteristics)

共射成形在Moldex3D里使用实体网格，分析皮层与核心层接口前进行为，包含第一射(皮层料，短射)与第二射(核心料)穿透第一层料的方式。Moldex3D 共射成形可用来预测两射分布在模具里任一时刻之形貌，此讯息对于产品最终特性很重要。Moldex3D CoIM 共射模块能够优化包含射出时间、两射切换点、模温、射压与流率等成型条件。

共射模块包含两个前后射出步骤。皮层量先以一定短射比进入模穴，接着第二射再进入并完全填满。喷泉流行为使得核心料推挤前端厚度方向中心尚未固化的皮层料，最后形成核心料皆被皮层料包围的三明治结构。

若想利用共射的优点，了解其物理及模穴里的动态分布很重要。制成的挑战来自于控制两射在模穴中的分布，这在产品的结构应用上最明显，因为其刚性取决于两射在皮层与核心的分布差异，与其搭类型的多材质射出不同，共射的两材料接口为不定型分布，因而增加制程难度。

2. 数学模型及其假设 (Mathematical Models and Assumptions)

当两种塑料同时在模穴里移动，分别称之为EM#1及EM#2，其皆为可压缩的泛牛顿流体，波前表面张力忽略，因此三维瞬时非等温下的统驭方程式为：

•质量守恒：

•动量守恒：

•能量守恒：

其中ρ 是密度；u 是速度向量；t 是时间；τ 是应力张量；g 是重力向量；p 是压力；η 是黏度；C_P 是比热；T 是温度；k 是热传导系数。

本构方程式：由于塑料被视为是泛牛顿流体，应力张量可表示为：

τ = -η (∇u + ∇u^T)

 我们利用Cross 黏度模型加上Arrhenius温度相关性来描述熔胶黏度。

其中

其中η 为剪切稀薄指数，η₀ 是零剪切速率黏度，τ^* 决定由低剪切牛顿区至高剪切非牛顿指数关系区。

波前追踪：

体积分率 f_i 用来表示第一种熔胶(EM#1)／空气(i=1) 以及第二种熔胶(EM#2)／空气(i=2) 间的界面。当 f = 0为未填满，当 f = 1为完全填满，接口波前在流动末端 f 在0与1之间的元素上。波前发展依据以下质传方程式：

在熔胶充填阶段，速度与温度由熔胶入口处决定。于射出过程，流率由熔胶入口处决定。在模壁上，熔胶边界层不滑动，模温预设为定值。