基于CAE的大型LCD注塑面板變模溫設計與分析_圖文

1、基于 CAE 的大型 LCD 注塑面板變模溫設計與分析 Design and A naly sis of V ariot herm Injection M olding ofLarge LCD Panel Based on CA E王桂龍 , 趙國群 , 李輝平 , 管延錦 (山東大學 材料液態(tài)結構及其遺傳性教育部重點實驗室 , 濟南 250061 WANG Gui long, ZH AO Guo qun, LI H ui ping, GUAN Yan jin (Key Laboratory of Liquid Str ucture and H er edity of M aterials,

2、M inistry of Education, Shandong University, Jinan 250061, China摘要 :研究了一種利用蒸汽加熱和冷卻水冷卻的 變模溫 注塑工藝 , 制 定了其 工藝流 程。以 L CD 面板為 例 , 通 過構建 變 模溫 注塑工藝分析模型 , 利用 AN SYS 對其加熱、 冷卻過程進行了數(shù)值模擬 , 研究了加熱、 冷卻過 程中型腔 表面和聚合 物 熔體 的熱響應規(guī)律 , 為優(yōu)化變模溫注塑工藝參數(shù)提供理論 依據。最 后 , 通過構建 L CD 面板變模溫注 塑實驗生 產線 , 并 將 分析結果應用于實驗生產 , 驗證了模擬分析的有 效性和準確性

3、。結果表 明 , 利 用本工作提 出的變 模溫注 塑工藝 , 可在 不 降低生產效率的同時 , 徹底消除塑件表面熔接痕 和提高塑件表面光澤度。關鍵詞 :變模溫注塑工藝 ; LCD 面板 ; 無熔痕 ; 熱響應模擬中圖分類號 :T Q320 文獻標識碼 :A 文章編號 :1001 4381(2009 09 0024 05Abstract:A variotherm injection molding technique w ith steam heating and coolant co oling was stud ied and its molding process w as also de

4、sig ned. T he thermal analysis mo del for a LCD panel m old w as constructed to analy ze the heating phase and coo ling phase of the variotherm injection molding pro cess. T he variotherm mo lding pro cess par am eters fo r the pro duction o f the LCD panel w as deter m ined based on the therm al re

5、spo nse simulation. Finally , a variotherm injection mo lding exper im ental pro duction line of the LCD panel w as desig ned and constructed to ver ify the num erical simulation re sults. The results show that surface mark of w eld line is eliminated, and the gloss o f the panel surface is also g r

6、eatly improv ed.Key words:variotherm injection m olding technique; LCD panel; no w eld line; ther mal response simu lation隨著模具產業(yè)的不斷發(fā)展和加工技術的進步 , 塑 料加工行業(yè)正朝著高性能、 高精度、 高效率、 低成本、 低 污染的方向發(fā)展。尤其是隨著家電、 通訊、 電腦等消費 類電子產品的迅猛發(fā)展 , 人們對于產品的外觀質量和 產品性能提出了更高的要求 , 傳統(tǒng)注塑成型技術已經 很難滿足這種發(fā)展的需求。因此 , 近年來許多學界研 究單位和業(yè)內公司均積極地投入到注塑新技

7、術的開發(fā) 之中 , 一系列新的注塑成型技術不斷涌現(xiàn)。由于具有 無表面熔接痕、 翹曲變形小、 殘余應力低、 表面光澤度 高等優(yōu)點 , 變模溫注塑成型技術已經漸趨廣泛并成為 研究熱點之一 1-4。 Chen 2和 Kim 3設計了一種利用 電感應加熱和冷卻水冷卻的快速熱循環(huán)注塑裝置 , 并 利用該裝置實現(xiàn)了實驗樣條的變模溫注塑生產 , 消除 了試樣表面的熔接痕 ; Yao 4和 Jansen 5等提出并設 計了一種具有加熱層和絕熱層的注塑模具 , 利用加熱 層良好的導熱性和絕熱層的熱絕緣作用 , 實現(xiàn)模具型 腔表面的快速升溫。 Yao 6利用熱解石墨不同方向熱 導率的巨大差異 , 構建了一種快速加

8、熱冷卻系統(tǒng) , 并將 它應用于塑料長條的變模溫注塑生產。 韓志翔 7、 張 沛頎 8分別提出了一種利用高溫氮氣迅速加熱型腔表 面的變模溫注塑系統(tǒng)和利用紅外線加熱的變模溫注塑 系統(tǒng)。邱彥程 9提出一種 三維實體暫態(tài) 計算整合技 術 , 透過仿真變模溫控制系統(tǒng) , 觀察不同時間下的模溫 變化 , 并預測塑料流動及其相關行為。本工作在研究 LCD 面板變模溫注塑成型工藝的 基礎上 , 提出一套適用于新工藝的模具設計方案。通 過構建熱分析模型 , 模擬其加熱冷卻過程的溫度響應 , 為工藝設計提供理論指導。同時還將構建一條 LCD 面板實驗生產線 , 以驗證模擬分析結果的有效性和設 計方案的可行性。24

9、 材料工程 /2009年 9期1 LCD 面板變模溫注塑工藝與模具設計1. 1 變模溫注塑工藝本工作提出的變模溫注塑工藝是一種向模具內部 管路中循環(huán)交替通入高溫蒸汽或低溫冷卻水 , 以加熱 或冷卻模具 , 從而實現(xiàn)模具溫度高效動態(tài)控制的一種 注射成型加工技術。與常規(guī)注塑技術相比 , 變模溫注 塑技術的最大特點就是其整個工藝過程根據模具溫度 的不同可分為高溫與低溫兩個階段。在高溫階段 , 完 成注射保壓操作 ; 而在低溫階段 , 則完成塑件的冷卻定 形。具體地講 , 在射膠之前 , 向模具內部管路中通入高 溫蒸汽以快速提升型腔表面溫度。當溫度升高至聚合 物玻璃化轉變溫度以上時 , 停止通入蒸汽

10、, 然后完成射 膠動作。在填充和保壓階段 , 利用管路中殘留的高溫 蒸汽維持模具表面的高溫狀態(tài) , 以保證熔體良好的充 填和轉印能力 , 從而獲得高品質的塑件。在保壓階段 的末期 , 向模具管路中通入低溫冷卻水 , 以將已賦形的 聚合物熔體迅速冷卻至頂出溫度以下 , 以便開模取件 , 從而完成一個注塑成型周期。1. 2 模具結構設計加熱冷卻系統(tǒng)將極大地影響生產效率和最終產品 的品質 , 所以加熱冷卻系統(tǒng)設計對于 LCD 面板注塑成 型有著重要意義。對于 LCD 面板的變模溫注塑成型 , 高溫蒸汽與冷卻水可利用型腔或型芯內的同一循環(huán)管 道加熱或冷卻模具 , 因而從表面上看 , 變模溫注塑模具 與

11、常規(guī)注塑模具的結構具有相似性。但由于加熱冷卻 管道的布局將直接影響到熱傳遞效率和型腔表面溫度 的均勻性 , 從而影響變模溫注塑工藝的成形效率和注 塑產品的質量。因此 , 與常規(guī)注塑相比 , 變模溫注塑模 具需要更加合理的管道布局 , 以確保獲得高品質的塑 件、 合理的成型周期和穩(wěn)定的工藝?？紤]到 LCD 面板僅對外表面有高表面質量的要 求 , 在模具設計時僅對與面板外表面接觸的定模側進 行 變模溫控制 , 而與面板內側接觸的動模側則采用常 規(guī)的溫度控 制方法。根據 這一特 點 , 本工 作設 計了 LCD 面板的注塑模具 , 如圖 1 所示。圖 1 LCD 面板模具Fig. 1 Injecti

12、on mold of the LCD panel2 加熱冷卻過程熱響應分析2. 1 分析條件的確立在 LCD 面板變模溫注塑生產中 , 型腔鑲塊的加熱 可以充分利用開模取件以及合模時間進行 , 即在加熱 過程中 , 由于定模側與動模側是分開的 , 所以在進行加 熱分析時將不考慮動模側和聚合物熔體的影響。而模 具的冷卻是在熔體射入模具型腔后進行的 , 所以在冷 卻分析時將考慮聚合物熔體和動模側的影響。另外 , 在整個注塑過程中 , 動模側型芯鑲塊的管道中始終通 入 70 的恒溫水 , 以保持動模側溫度的穩(wěn)定。在分析之前 , 將根據變模溫注塑工藝的特點做出 一些合理假設。首先 , 考慮變模溫注塑工

13、藝的溫度變 化范圍相對較小 , 故可假定材料的熱物理屬性不隨溫 度的變化而改變。其次 , 由于充模流動時間遠小于冷 卻時間 , 故不考慮樹脂熔體對流傳熱和黏性擴散的影 響 , 只考慮塑料熔體的熱傳導作用。另外 , 假定各層材 料之間充分接觸 , 忽略接觸界面的熱阻。表 1給出了 分析過程中所涉及材料的物性參數(shù)及初始溫度。表 1 模具和 LC D 面板材料的物性參數(shù)及初始溫度T able 1 Phy sical pro per ties and initial temperatures of t he mo ld and L CD panelName M aterial Density/(kg

14、m 3T herm al condu ctivity /(W m -1 -1H eat capacity/(J kg -1 -1In itial temp eratu re/根據實際生產情況 , 本工作確定了分析的邊界條 30 , 氣間的換熱系數(shù)為 20W/(m 2 ; 高溫蒸汽與冷卻 18 ;25基于 CA E 的大 型 LCD 注塑面板變模溫設計與分析件 , 根據 Sheicher 與 Rouse 建議的經驗公式計算得冷 卻水、 70 恒溫水與模具內部管道間的對流換熱系數(shù) 分別為 5738. 5, 3863. 6W/(m 2 , 高溫飽和水蒸 氣與模具的熱交換過程屬于凝結換熱過程 , 計算

15、得出 的對流換熱系數(shù)為 7032. 5W/(m 2 10。 2. 2 模擬分析與討論LCD 面板具有等截面 ! 回 字型的結構特點 , 故可 將該分析簡化為二維平面問題 , 圖 2給出了簡化的分 析模型。為了解變模溫注塑的熱循環(huán)效率和優(yōu)化模具 結構 , 本工作分別對 LCD 塑件變模溫注 塑成型的加 熱、 冷卻過程進行了熱響應模擬分析。圖 2 熱響應分析簡化模型 Fig. 2 Sim plified model of the m old forthermal respons e simulation圖 3給出了加熱過程 型芯鑲塊表面 上的 A , B, C, D 等四點的溫度變化歷程。從圖 3

16、可以看出 , B, C 兩點的升溫速率較快 , 經 20s 加熱后 , 溫度可升高至 130 以上。 A , D 兩點的升溫速率相對較慢 , 同樣經 過 20s 加熱后 , 溫度升高至 100 左右。這主要是因 為 A, D 兩點位于 LCD 面板的邊角處 , 距離加熱管道 較遠且分布不均勻 , 從而 導致熱傳遞速率相 對較低。 另外 , 從各點溫度變化趨勢還可以看出 , 隨著時間的延 長 , 加熱速率逐漸減小 , 最后趨于平衡溫度。在前 40s 的加熱時間里 , 各點的升溫速率較快 , 40s 時各點溫度 均已升高至 120 以上 , 40s 后各點的升溫速率已變得 非常緩慢 , 故可認 為

17、蒸汽的 有效 加熱時 間約為 40s 。 本工作中 ABS 塑料的玻璃化轉變溫度為 97 , 對應 的加熱時間約為 18s, 圖 4給出了此時型腔表面的溫 度分布曲線。從圖 4可以看出 , 主型腔表面溫度分布 比較均勻。型腔兩側邊角處溫度略低 , 需要加強冷卻 以進一步提高表面溫度的均勻性 , 從而提高塑件的表 面質量。在冷卻階段 , 模具處于合模狀態(tài)且熔體已完全充 滿型腔 , 所以分析時必須考慮樹脂熔體和動模側的影 響。圖 5給出了 A, B, C, D 等四點在冷卻過程中的 ,A, D 兩點的冷卻速率相對較快 , 但隨著時間的延長 , 這四個位置點的冷卻速率迅速下降。這主要是由于隨 著時間

18、的延長和塑件、 模具溫 度的降低 , 使得溫差減 小 , 從而減緩了熱量的傳遞。通過比較可以發(fā)現(xiàn) , 在前 20s 的冷卻時間里 , B , C 兩點的冷卻速率相對較慢 , 這主要是由于 B, C 兩點均位于 LCD 面板的中間區(qū) 域 , 且距離冷卻管道較遠 , 從而使得熱傳遞效率不高。 , 26材料工程 /2009年 9期圖 6給出了經 35s 冷卻后熔體中心的溫度分布情 況。從圖 6可以看出 , 此時聚合物熔體已全部冷卻至 頂出溫度 85 以下 , 這說明對于 LCD 面板的變模溫 注塑成型 , 其需要的冷卻時間約為 35s 。圖 6 經 35s 冷卻后熔體中心溫度分布 Fig. 6 Te

19、mperature distribution of the moldcross s ection after 35s cooling3 實驗驗證為了驗證分析結果 , 本工作構建了一條由蒸汽輸 送系統(tǒng)、 冷卻水輸送系統(tǒng)、 動態(tài)模溫控制系統(tǒng)、 注塑模具及注塑機等組成的變模溫注塑生產線 , 如圖 7 所示。圖 7 變模溫注塑實驗生產線Fig. 7 Test p rodu ction line of varioth erm injection molding3. 1 原料與設備LCD 面 板 材 料 為 三 星 公 司 的 高 光 ABS (BF 0677F , 密度為 1. 14g /cm 3, 分

20、子量為 600020000, 熔融指數(shù)為 7g/(10m in , 熔點約為 96 , 熱變形溫度 為 88 , 成型溫度 180240 。在注塑實驗前 , 塑料 材料均經充分的干燥處理 (于 85 下干燥 8h 。LCD 面板的外型尺寸長 #寬 #高為 1133mm #736m m #18mm , 平均壁厚約為 2. 5m m 。 LCD 面板模 具的型腔表面具有較高的光潔度 , 其表面粗糙度 R a <0. 025 m 。模具分型面的周圍設計加工了大量的排氣 槽 , 以加強排氣 , 避免因型腔中氣體積聚而造成塑件表 面產生缺陷。測溫熱電偶安裝在模具的型腔板內 , 測 溫點接近于型腔表

21、面的位置 , 以實現(xiàn)型腔表面溫度的 精確測量與控制。注塑機為 M A 16000/13700u, 其理論注射容量為 8349cm 3, 注射 壓力 為 164M Pa, 鎖 模力 為 16000kN 。 另外 , 塑件表面光澤度的測量采用 JFL BZ60型小孔 光澤儀。 3. 2 實驗過程注塑實驗前 , 將模具預熱至 80 , 待模具溫度穩(wěn) 定后 , 再利用蒸汽加熱進行變模溫注塑生產。在實驗 的開始階段 , 根據模擬分析的結果 , 將加熱時間、 高溫 保持時間、 冷卻時間等變模溫注塑工藝參數(shù)的初始值 分別設為 18, 24, 35s, 以進行 工藝調 試。實驗 過程中 , 利用一個 K 型熱

22、電偶測量模具的溫度變化 , 測量 數(shù)據可通過觸摸屏實時顯示 , 并記錄下來。熱電偶的 測量位置如圖 8 所示。圖 8 熱電偶在型腔中的安裝位置Fig. 8 Installation location of the thermal couple in the cavity3. 3 實驗結果圖 9給出了變模溫注塑生產過程中 , 模具、 進出模 介質的溫度變化曲線 , 從圖 9可以看出 LCD 面板的注塑成型周期約為 82s, 與同型號 LCD 面板的常規(guī)注塑 成型周期相近。進入穩(wěn)定連續(xù)生產以后 , 模具型腔由 65 升高至 125 , 需要的平均加熱時間為 13. 4s, 這 與模擬結果的 12.

23、 6s 基本一致 ; 而在冷卻階段 , 實際注 塑生產所需要的冷卻時間約為 24s, 而模擬結果中的 冷卻時間為 35s, 實驗值與模擬值存 在較大偏差。這 主要是由于模擬結果對應的時間值 , 為位于型腔中心 的塑料熔體由熔融狀態(tài)全部冷卻至頂出溫度以下時對 , 27基于 CA E 的大 型 LCD 注塑面板變模溫設計與分析達到頂出溫度時 , 即可開模取件 , 這導致數(shù)值模擬的冷 卻時間值偏大。圖 9 變模溫注塑生產過程中 , 模具、 進出模介質的溫度變化曲線Fig. 9 Temperatures of the mold an d the in /ou t mediumduring variot

24、h erm injection molding圖 10給出了利用變模溫注塑工藝生產的 LCD 面板。從圖 10可以看出 , 塑件表面無熔接痕、 凹陷、 銀紋 等缺陷 , 且塑件的表面光澤度也有了較大的提高 , 塑件 表面的平均光澤度值可達 92% 。圖 10 變模溫注塑成型 LCD 面板 Fig. 10 LCD panel manufactured w ithvarioth erm injection molding4 結論(1 通過 LCD 面板變 模溫注塑的熱 響應模擬發(fā) 現(xiàn) :LCD 面板變模溫注塑成型所需的加熱、 冷卻時間分別為 18s 和 35s; 蒸汽、 冷卻水的有效作用時間均為

25、40s 左 右 , 平 均 加 熱、 冷 卻 速 率 分 別 為 3. 5 /s 和 4 /s 。(2 實驗生產結果表明 :模擬分析結果可以用來有 效地指導變模溫注塑工藝參數(shù)的設定 ; 與常規(guī)注塑相 比 , 變模溫注塑可以在不延長注塑成型周期的基礎上 , 獲得高光無熔痕的高品質塑件。參考文獻1 T H EILADE U A, H ANSE N H N. Su rface microstructur e replication in in jection moldin gJ. International Journal of Advanced M anufacturing T ech nolog

26、y, 2006, 33(1-2 :157-166.2 CH EN S C, JONG W R, CHANG J A. Dynam ic m old su rfacetemperature control u sing induction heating and its effects on the s urface ap pearan ce of w eld lin eJ . J ou rnal of Applied Polymer S cien ce, 2006, 101(2 :1174-1180.3 KIM B, YAO D G. M eth od for rapid mold h eat

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