如何利用CAE检测产品外观问题

■ 型创科技 / 罗伟航 应用工程师

(转载自繁体版ACMT电子技术月刊No.084)

前言

本人从事模塑行业以来，利用CAE处理过的案例和接受的技术委托中，比较难判断的便是外观缺陷。对于常规的CAE结果只有缝合线和包封是与外观缺陷直接挂钩的。而其他的如流痕、印痕等都没有对应的结果，因此本文将以CAE分析和现场实验结果来给读者分享这类外观缺陷该如何判断。

为什麽成品会有外观缺陷？

在此之前，我们得先弄清楚，这些缺陷是如何发生的？与之相关的因素有哪些？在参与过的客户项目中，有时会遇到一些有趣的现象。假如你是产品设计人员，当你被告知你的产品有外观缺陷，你可能会怀疑是不是模具设计没做好或成型参数没调好导致的；假如你是模具设计人员，你可能会认为产品设计不合理，试模参数不对导致的；假如你是试模人员，你调半天没调好，你可能认为就是模具设计、产品设计的问题。每个岗位上的工程师都有自己的技术理论，最终的结果就是导向T1、T2、T3……。

其实从产品设计、模具设计、现场试模的角度来讲，影响产品外观的因素基本不会是单一的，我们可以参考表1的内容。

表1：影响产品外观的因素

从表1中我们可以看到，很多常见的外观问题，不一定是单一因素造成的。而我们的重点并不是把责任推给别人，而是要找到真正的问题并解决。成品的质量是与设计、材料、成型参数相互关联的。假如设计更合理，那麽试模时的成型窗口就更宽；假如现场有完善的、科学的试模标准与性能较好的设备，那麽即使设计结构比较复杂，成型窗口较窄，我们也能找到正确的成型参数。而CAE是作为科学化、数字化设计中很重要的一样工具。假如你是一位CAE工程师，你的困扰可能就是怎麽通过结果来判断外观的风险，避免重复地修模与试模。这便是本文要重点讨论的内容。

通过CAE结果判断缺陷

通过流动结果判断缺陷

计算机试模的好处就在于无论打多大的产品，都可以轻松模拟塑胶流动的过程。而单看流动结果我们便可以判断很多问题如：缝合线、流动迟滞、包封困气、流动不平衡等。如图1所示，通过流动结果可直接判断该处由于两侧肉厚更大，造成熔胶流动竞争，最终形成的缝合线。从图1右图的实际样品中可看到，缝合线位置相同。

图1：由结构引起缝合线的流动结果及实际样品图

如图2所示，该产品为3点进浇，由流动结果我们可以判断，由于进浇数量的设计，最终会导致有多处熔胶汇合处，客户后续也需要增加后期喷涂的成本。

图2：由进浇数量引起缝合线的流动结果及实际样品图

通过流动结果，还可以直接判断该产品的肉厚分布是否合理，如图3所示，由于圆形区域的肉厚薄，当熔胶经过此处时，流动阻力就会变大，因此更趋向于从圆形两侧流动，从而形成回包的现象。此类流动行为容易导致产品产生外观色差。

图3：由肉厚不均引起的流动迟滞、包封

通过剪切结果判断缺陷

剪切结果可能是CAE使用者经常会忽略的结果。相信做过CAE的读者，都看过材料的黏度曲线（图4）。这是一支普通热塑性材料的黏度曲线图。熔融塑胶基本上都属于非牛顿型流体，也就是说液体的黏度会随剪切速率的变化而变化。

图4：热塑性材料的黏度曲线

剪切力、剪切速率可以用图５解释，图5可以看成是两块平行的板子，而中间填充着熔融塑胶，此时向上方的木板施加一个向右的力时，速度和力会以「接力赛」的方式，一层往一层传递，每次传递都会产生速度差。加上熔胶在模穴内存在不同的散热效果，分为了表皮层、剪切层和流动中心层，因此会存在熔胶中间速度快，两侧速度慢的「喷泉流动」(Fountain Flow)现象。

图5：剪切力的传递&喷泉流动图

了解这些原理后，我们就能知道：基于熔胶的「喷泉流动」行为，当剪切越剧烈时，熔胶的速度差异越大。而不同层流的速度、温度存在的差异就会被放大，最终变成外观上的缺陷。而变模温技术(RHCM)，也称急冷急热技术，之所以能改善大多数外观缺陷如缝合线、流痕、光泽度、色差等，主要是在高温状态下，改变了熔胶原本的「喷泉流动」行为，使熔胶能更平顺的在模穴内流动，熔胶熔接的温度更均匀。所以在认识熔胶流动的方式后，下面我们再来看看实例。

如应力痕的发生原因，主要是因为剪切层温度上升，可能使原已凝固的表皮层再度软化及熔解，甚至撑破配向的表皮层而形成有色差的应力痕。在CAE内，虽然无法呈现表皮层软化熔解的现象，但可表现为剪切应力结果高、流动波前温度高等结果。通过这些结果来判断产品外观是否有应力痕的风险。

图6：剪切应力结果及实际样件

除了应力痕、还有流痕、色差、喷射痕这些在CAE上无直接结果能判断是否存在的，我们都可以通过剪切率、速度矢量、波前温度结果，判断是否有剧烈的速度差异、温度差异，从而判断是否设计有问题、是否工艺有问题。如图7，像这种外观有一圈像流痕的痕迹的问题，通过CAE看速度矢量结果，可以看到绿色区域的一圈是速度高的地方，蓝色区域是速度低的地方，此处速度的剧烈变化就有产生外观缺陷的风险。

图7：实际样件及速度矢量结果

再如外观面的白痕、色差问题，如图8，该产品在浇口处上方的外观面总会产生一团白痕，现场通过实验，验证该缺陷与模温、射速有关系。只调整模温的情况下，有机会改善缺陷，但仍存在轻微白痕（图8左下），只在浇口处降速，降低剪切速率的情况下，缺陷可完美消除（图8右下）。

图8：模温及射速多段设定实验结果

通过CAE中的剪切率结果（图9），模拟一段射速和浇口降速的设定，结果和实际结果相似。即外观面的速度变化越剧烈，越有产生这种外观的色差的风险。

图9：一段射速及浇口降速的模流分析结果

CAE结果的外观判定标准？

很多客户都会提出一个问题，这些CAE结果是否有固定的判定标准？比如剪切率数值在多少以内才不会有外观问题，波前温度在多少以内才不会有问题。像网上有流传不同塑胶的最大剪切率数值，是不是只要CAE结果低于那个值，就不会有外观问题呢？答案很显然是否定的，以上所讲的剪切率、速度矢量、波前温度这些CAE结果，都是通过间接方式，综合来判断，而不像缝合线结果可直接判断。以应力痕为例：成型品的厚薄、射出速度的快慢，以及模温、料温的高低都会影响剪切层。假如你的剪切率高，但是模温、料温同时也控制在较高且均匀的情况下，或者产品厚薄差异不大，设计过渡合理的情况下，实际打出来的样件可能也不会有外观问题。

所以CAE使用者除了运用软件，还应具备一定的产品设计、模具设计以及成型工艺能力。这样才有利于每位CAE工程师建立属自己的结果判定标准，比如3C产品和家电产品的标准肯定也不一样。CAE软件作为工具，在不同的使用者下发挥出来的价值也不同。希望这篇文章能给予工程师们一些啓发，如有不正之处，欢迎交流讨论。

参考资料

[1]. 图8、图9参考文章《塑胶产品外观白痕解决方向》—罗伟航，https://dafpl.xetlk.com/s/2DQ44D