【射出成型】透過虛擬成型實現更透明的 LSR 製程

液體矽膠橡膠(LSR)製品越來越受歡迎，因為它們的生理特性和熱穩定性良好。需求特別在醫療、嬰兒護理和設計市場日益增長。然而，在液體注射成型(LIM)中生產LSR產品相當具有挑戰性。

面對這些挑戰並找到最佳工藝窗口,成型商常尋求模擬的協助。雖然使用經典模擬可回答有關零件和流道設計優化的一些問題，但只有採用Sigmasoft虛擬成型才能可靠預測可實現的零件質量和工藝穩定性。經典模擬只考慮零件,有時也考慮流道,並假設模具溫度均勻且邊界條件理想(圖1左)。這種方法適合初步估算,但很少能提供可靠的深入結果。虛擬成型方法不僅考慮所有幾何形狀及其材料特性(圖1右),還考慮所有工藝參數。因此，它考慮模具組件和材料之間的所有相互作用。通過計算不僅多個循環,還計算模具的加熱,可以在計算機上重現真實的工藝。有了這一點，成型商就可以在不浪費機器上的資源和進行昂貴的試驗失敗的情況下，評估和優化零件、模具和工藝。

圖 1：經典（左）和虛擬成型方法（右）下的模擬設定。

事先評估

當考慮整個工藝和模具時，就更容易詳細分析工藝並發現其他未被注意的優化潛力。這一方法呈現的評估可能性和優化潛力，將通過"Ursula" - 一種瓶子的攜帶網罩(封面圖片)這個設計元件的示例來展示。該攜帶網罩的主要特點是體積72 cm³和其高度複雜的交錯幾何形狀，導致零件內部最大流動長度為619 mm(圖2)。此外，材料還必須通過長約375 mm的冷流道系統。為了確保工藝能力，穩定的流變特性和交聯動力學以及精密的加熱和冷流道設計至關重要。

圖 2：交錯的幾何形狀和 619 毫米的最大流動長度使承載網對生產提出了挑戰。

首先要確定用於生產的正確材料。有兩種不同的LSR材料可供選擇。在經典模擬方法下，以180°C的均勻模具溫度進行的初步快速評估顯示，兩種材料都可以同等地用於此任務(圖3頂部)。然而，使用虛擬成型方法進行的第二次計算表明情況並非如此。當考慮模具的加熱以及達到熱穩定狀態的25個循環時，其中一種材料由於過早交聯而無法完全填充模腔(圖3底部左)。相比之下，第二種材料仍然確保良好的填充行為和零件質量(圖3底部右)，因此被選用於生產。

圖 3：評估材料一（左）和材料二（右）在經典（上）和虛擬成型方法（下）下填充零件的可能性。

造成這些不同結果的原因是模具內部的溫度分佈。而經典方法假定溫度均勻，實際模具卻存在相當大的溫度變化。仔細觀察在熱穩定狀態下的活動模具半側，發現就在模腔內部，差異已超過30°C(圖4)。模腔頂部的熱區導致其中一種材料在流前達到超過20%的交聯度。達到10%的膠凝時，該材料就無法再流動。而對於第二種更穩定的材料，交聯度也在升高，但程度不足以影響填充行為。

圖 4：可移動的一半顯示熱穩定狀態下的溫差超過 30 °C。

模腔內的溫度分佈不僅影響填充，也影響攜帶網罩的交聯。進一步評估顯示，交聯反應首先在模腔頂部開始(圖5左)，然後從外向內移動(圖5中、右)。為了獲得更順暢的交聯行為和更均衡的填充，成型商可以嘗試改變功率設置或重新安排加熱筒體的配置。這些選項都可在計算機上安全地評估，然後再在實際模具上進行變更。

圖5：固化階段25.5秒、29.5秒和35.5秒（從左到右）的固化程度。

圖 6：10 cm3、40 cm3 和 60 cm3 的短射和模擬比較（從上到下）。

模擬驗證

在計算機上進行評估完成後，當開始生產"Ursula"時，計算結果與實際情況的一致性得以檢查。為此，應將啟動過程中進行的短注(部分填充)與模擬結果在相同料量內的情況進行比較。由於攜帶網罩的體積為72 cm³，計劃每10 cm³進行一次短注。這些短注與相應的結果進行了對比，當模腔內相同量的材料時。

圖6 顯示了10 cm³、40 cm³和60 cm³短注的比較。由於填充略有不對稱，可以很容易地將結果與短注進行比較，因為推進較快的區域可以毫無問題地識別出來。圖片顯示，模擬與實際情況密切相關。

這種驗證證明了虛擬成型方法的可靠性，並表明它是LSR成型商的一個有價值的工具，不僅可以確保他們的工藝提供良好的零件質量，而且還可以確保他們在最佳工藝窗口內有一個穩定的工藝。有了這一知識，他們不僅可以提高盈利能力和能源效率，還可以更有信心地進行虛擬測試新點子，因為結果會更快知道，測試風險也會更小。