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注塑模具的逆热模具设计
-----将局部冷却需求作为传热反问题的质量函数
摘要：注塑模具的热模设计和合适的冷却通道设计的确定变得越来越复杂。为了根据零件的局部冷却需求，寻找具有客观规律的合适冷却通道系统，在本文中提出了一种基于逆换热问题的热模设计新方法。基于一个关于生产效率和零件质量的质量函数，讨论了注塑过程建模的其他方面。这些扩展的目的是改进问题的逆优化。
关键词：注塑成型;热模设计;反传热问题
介绍
随着注塑成型可以生产出越来越复杂的零件，但同时对注塑模具的要求也相应提高。由于经济压力，例如全球竞争，争取高效率和短的生产周期是必不可少的。由于注射成型循环的主要特征是通过将熔体冷却到尺寸稳定的状态，所以它与冷却通道系统是连续的。为进一步提高注塑模具的效率(图1b)。通常，冷却通道是通过注塑模具内的孔来实现的，孔由配件连接到一个完整的通道系统。创新技术，如选择性激光熔炼(SLM)，现在可以从金属粉末层状结构的模具。用这种方法，冷却通道系统几乎可以生成任何想要的形状和过程。创建一个合适的冷却通道系统是一项具有挑战性的任务，同时也受到这些机遇和更复杂部件的阻碍。另外热模具设计阶段是阻碍由于特定的热塑性材料,常用的技术部分和倾向于收缩相对较大(依赖于温度和压力)结晶过程的结果(如图1中所示点之间3 - 5)。这种shrink-age导致内部压力,如果当地不同的收缩可能发生。此外，应力只能通过零件的变形来补偿。这种所谓的翘曲可能会阻碍零件的正确使用，因此必须避免[1,2]。
图1-1
研究内容
除了希望快速高效的注塑成型周期，上述挑战导致研究，以描述和简化热模具设计阶段。从分析方法到计算机辅助设计，再到对凝固过程进行全面的数学和计算描述，这些工作都需要付出努力。这些努力具有前瞻性，需要在计算出解决方案后进行深入的解释。目前还没有完全自动化的热模设计阶段。
目前，这一问题通过不同的研究活动逐步得到解决，为一个合适的冷却通道设计用户独立的优化策略(如[3-5])。
Mehnen等人利用进化算法对基于光交换表面[3]的模具系统进行建模。然后用射线追踪法计算热交换，这种方法比求解所有控制方程都要快。球体只在系统的第一步作为要分析的部件使用。相比之下,马格和Kü拿来研究集群算法结合分支界限法搜索算法寻找最理想的冷却通道位置[4]。相反,Faszlig;nacht等人的方法自动调温系统定位的人工神经网络,涵盖了众多的温度控制问题[5]。这也意味着解只能分别来自于模拟训练问题的空间，来自于两者之间可能的插值。所有这些方法的共同之处在于强调冷却通道系统的前瞻性，但只有在模拟之后才能进行评估[3-5]。
虽然也为那些计算机辅助优化一个精确的定义回火系统的设计是必要的事先和必要的质量的结果。如果不知道局部冷却需求对最小的弯曲和聚合物的控制，目标使用的优化是不可能的。Hassan等主要研究了零件质量的标准和实现动态型腔回火的可能性，以及冷却通道系统对塑料[6]收缩和冷却的影响。因此，自动生成冷却通道系统并不是他们工作的主要焦点。最后，Agazzi等人提出了一种很有前景的方法，该方法基于热传导反问题[7,8]。因此，在这种情况下，一个部件被定义为聚合物均匀的温度。在给定的冷却区域内，在零件温度均匀的基础上，利用共轭梯度算法对给定的目标函数进行优化，计算出零件周围的温度分布。的确，进行了反设计，但也沿着热均匀性的分析方法。
方法设计
鉴于上述技术的发展，Agazzi等人的工作似乎是进一步研究的一个很有前景的起点。
除了对零件翘曲有显著改进外，他们的方法还进行了一些简化。例如，在优化过程中没有对注塑周期的各个阶段进行建模和实现。这特别指的是注入和保持压力阶段。目标函数是指快速冷却和零件温度均匀，这两个目标是[8]。这种方法似乎是合理的，但考虑到注塑周期的阶段和与温度和压力有关的pvT -行为，可以考虑不同的目标函数设计。此外，导出的冷却通道需要进一步研究。
在本文提出的扩展方法框架内，建议使用一个模型，该模型还考虑了以下方面。首先，方法应该能够包括更多阶段的注塑过程。因此，它是基于传统的注塑仿真。结果表明，压力、温度和内部性能可以作为优化的边界条件在不同的工艺阶段导出。因此，扩展的方法是基于混合仿真方法。
将注塑模拟与优化逆向传热问题联系起来。此外，目标函数也应该仔细重新设计。一方面，设计应该处理最小的周期时间，以满足对高效流程的要求，如Agazzi等人使用的流程。另一方面，零件质量也应加以重视，这涉及到机械、视觉和几何方面的要求。然而机械性能和视觉性能可以通过适当的缓慢冷却速度来满足，特别是几何性能，解释了零件的尺寸精度，结果证明是热模具设计阶段的一个重要因素。通过使用合适的回火系统，局部均匀收缩的目标应该是尽量减少零件翘曲的趋势。分析的目的是使零件的局部热和冷却需求达到平衡，使模具回火系统的局部热和冷却供应达到平衡。
均匀收缩势的假设可以通过均匀的局部密度作为一个目标函数来建模，因此该问题仍然可以作为一个反向导热问题[9]来解决。
在公式1中给出了一个改进的示例扩展目标函数。这个目标函数Q(TC)解决了第一项的快速冷却问题，在第一项中有一个理想的喷射温度。
对于提出的方法，设计方法的精确建模将作为混合仿真方法进行，包含注塑仿真作为输入，用多物理仿真计算导热仿真。采用这种混合方法，所有塑料相关的性能和注塑周期的更多阶段可以建模，并使热优化在同一时间可用。
利用所提出的目标函数，分析了带肋板形试样的典型冷却通道系统[10,13,14]。试样的测量结果如图2a所示。同时，该试样还含有三根不同高度的肋骨注塑件的典型构件。试样的厚度为1.5 mm，这是注塑件的典型厚度。根据试件几何形状生成一个冷却区域，该区域与零件和零件内部的距离恒定，求解目标函数(图2b)。为了节省计算时间，采用二维计算方法对试件进行优化。
图2
通过求解密度和冷却时间的优化，如式(1)所述，也采用共轭梯度算法，可以得到所需模具温度80◦C[10]等温线的冷却通道。梯度算法遵循目标函数的最陡上升，并计算必要的温度。
沿模具外轮廓分布定义为冷却区域，使目标函数最小化。优化的输入数据afields如图3a所示。
图三
根据优化结果，如图3b所示，确定了冷却通道。虽然优化后的温度分布导致极低的温度- 100◦C，但这种分布可以用等温线来推导冷却通道的轮廓。这些导出的二维通道轮廓随后被建模为挤压三维几何形状。利用德国亚琛Sigma engineering GmbH公司的Sigmasoft注塑仿真软件，利用表1所示的边界条件，建立了一个完整的三维注塑仿真模型。实施的材料是广泛使用的聚酰胺6(未填充的b30 S)的朗盛AG，科隆，德国(见表2的性能)。图4给出了试样的两种不同设置并进行了比较。其中一个模型不考虑冷却通道作为中性参考，另一个模型采用优化得到的冷却通道。图4a显示了生成的温度。
图四
分布在模具内部。图4b显示了试样的最终翘曲。通过比较这两种情况，可以显著降低试件的翘曲，而第二种情况下试件翘曲相对较低。只是，在这两种情况下，肋骨的末端显示出与原始几何形状更大的偏差。这里需要注意的是，在优化的范围内，需要向系统中引入热量，如图3b所示。这个需求还没有被考虑到，因为标准流程只使用冷却。此外，由于仿真软件的原因，在计算结果中已经考虑了零件的自然热收缩。这种自然收缩还不是优化的一部分。
进随着方法学原理功能的展现，它将在多大程度上得到更准确的研究。
表1
表2
进一步完善该方法
随着方法学原理功能的展现，它将在多大程度上得到更准确的研究与Agazzi等人的工作相比，注塑过程的建模可以提高结果的质量。这将与以下三个额外方面一起提出。应该首先讨论多周期方法的实现。处理时间建模的影响将随之而来。最后对注入相的建模进行了研究。除非特别说明，除了模具的导热性(改为更合适的模具制造钢25.3 W/m K)外，所有其他材料性能和边界条件均保持相同[14]。
在多个周期内进行分析
通常采用注塑工艺生产大量具有相同几何形状的注塑件。这是通过定期重复的造型。假设在第一个循环开始时，模具内的温度分布是均匀的，在[1]循环几次后，温度分布会自动调整。局部的翘曲冷却要求应在稳定状态下确定，否则会受到模具中热量变化的影响。因此，用于生成加热/冷却系统的模型应该使用稳定循环的初值进行优化。由于这些温度高度依赖于待确定的冷却通道系统，因此在优化之前进行估计或确定是没有用的。因此，对该方法进行了扩展，确定了模具内部的初始温度场。到目前为止，该方法和Agazzi等人的方法一样使用多循环方法，但现在被比作单周期设置。对于质量函数，仍然只考虑最后一个循环，以节省计算时间。
首先，研究在优化时需要多少个循环才能实现一个稳定的循环。为了验证这一点，优化中确定的边界条件被用来执行附加循环的仿真。如果这些附加循环中的温度场不再变化，可以假设达到稳态。图5a为腔内25个循环的最低温度曲线。必须认识到，利用边界条件确定的最低温度是通过优化一个循环(Z01，黑线)确定的，在大约十个循环之后，首先采取一个近乎周期的过程。在优化边界条件时，该过程仍处于非稳态状态。在随后的循环中，温度的显著变化是由于
冷却需求不仅取决于零件的温度，还取决于模具的温度。图a)中的蓝色曲线表示零件的最低温度，该温度是通过15个循环(Z15，蓝线)优化得到的边界条件计算得到的。两种计算的质量函数值曲线如图5b所示。可以看出，在优化Z15过程中，边界条件确定的质量函数值长期处于较低水平。在计算中，利用优化Z01中确定的边界条件，质量函数值从第一个循环结束时的0.0083增加到第25个循环结束时的0.6477。根据用于推导质量函数的方法建模，这应该与零件翘曲的显著增加相对应
图5
由于在25个循环中查看15个循环时，质量函数的变化小于1%，因此可以将15个循环视为一个有用的优化范围。图6a为优化设置Z01和Z15时的温度分布。在参考温度的基础上，对局部冷却需求进行了估算。在这两种情况下，与计算的参考温度相比，温度分布在高和低之间。优化Z01时确定的参考温度与优化Z15时确定的参考温度相差较大。因为角的内侧的冷却需求比板状的部分要大，所以这里的参考温度非常低。图6b还显示了80◦C温度等温线的三个不同的循环数(1循环，15循环和50循环)。在50个循环时，Z15得到的等温线与优化得到的等温线没有显著差异。然而，与Z01等温线的差异是相当大的。这是很明显的，例如，在肋骨的较低的区域，出现了更多的等温线，线多循环优化Z15。
图6
在传统的注塑成型模拟中，对冷却通道系统进行了分析，研究了冷却通道系统之间的差异对质量函数值和零件翘曲量的影响。冷却通风系统的传热系数选择10,000 W/m2 K，流体温度T = 80◦C。如图7a所示，为第15循环冷却阶段结束时的温度分布。与之前的数值相比，仿真的其他参数保持不变。采用Z15回火系统后，型腔表面温度的波动明显减小，尤其是在型腔角处。
图7
计算得到的总变形如图7b所示，位于肋端三个测量点的值如表3所示。由此产生的翘曲，这是实现了回火系统Z15，是整体低于一个，这是由回火系统Z01确定。在测点上，由于使用了冷却通道系统Z15，与系统Z01相比，在MP1下的总变形为14.50%，在MP3下的总变形为36.55%。因此，通过使用多个周期对模型进行扩展，可以提高方法的精度。
表3
对处理时间的影响分析
最初，只对注塑过程的冷却阶段进行了建模。为了进一步提高模型的精度，对模具开闭和零件弹射的影响进行了分析。这些过程阶段通常比冷却阶段短得多。尽管如此，在这些阶段热量是被传递的，因此实现可以对优化产生影响。开闭过程的建模将每个周期的优化持续时间延长到这些过程的持续时间。在此期间(以下简称处理时间)，冷却通道流体(通常为水)将继续从模具中去除热量。
优化变量的定义无需进一步调整。该模型从冷却阶段的模拟开始。与之前的模拟结果相比，这一结果保持不变。对结晶器冷却后的热分布进行了连续模拟。随着模具的开启，模具与喷嘴一侧零件之间的接触被消除。由于这一原因，模具动侧与固侧接触压力减小，热接触电阻显著增大。虽然这种效果不容易估计，但模具两侧的恒换热系数没有改变，而是继续换热。模型的扩展包括计算循环时间的延长，忽略了在这段时间内腔表面的传热。这仍然是一个简化，因为它没有考虑，例如，在开放的模具表面对流，弹射力的部分，在弹射过程中，什么可以影响零件翘曲，或非对称热消除部分。由于所有这些因素都影响翘曲，但很难估计，因此选择先关注模具本身及其热平衡。
为了研究处理时间的建模，再次进行了两次仿真。两个模拟都考虑了15个周期。优化后的15循环冷却阶段结束时模具内的温度分布为
如图8a所示。在优化过程中，考虑处理时间的优化外轮廓参考温度更接近于温度，这是针对零件表面冷却阶段的结束。这种情况下，零件附近的温度也较低。在表4所示的质量函数值中，也可以看到该部件的轻微过冷。总的来说，随着处理时间的增加，仿真中的质量函数值会越来越高，因此会导致较大的翘曲。然而，描述密度变化的术语比另一种情况要低，因此翘曲可以预期更低。
表4
图8
图8b为温度场等温线。在80◦C等温线的计算，其中考虑到处理时间，相交的部分。因此，冷却通道系统，这是从这个温度场衍生出来的，是由65◦C等温线。为了可比性，该系统产生的模拟没有处理时间，也从65◦C等温线(图8b)
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资料编号：[1026]
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