基于Moldflow的车灯面罩串色缺陷优化及机理探究

Optimization and Mechanism Exploration of Cross Color Defect of Automotive Lamp Cover Based on Moldflow

摘要

多色塑件在注塑过程中经常发生串色问题，对外观质量影响较大。采用Moldflow软件的路径线模拟塑料熔体在三色车灯面罩模具型腔内流动形态，结合喷泉流动及假塑性流体特性阐明串色产生的机理。提出通过设置凸台结构来实现色差隔离或调整局部壁厚来改变熔体流动轨迹的方法，有效避免串色缺陷的发生。经试模，优化后车灯面罩质量合格。

Abstract

During the injection molding of multi-color plastic parts, color mixing frequently occurred, significantly affecting the surface quality. The flow morphology of the polymer melt within the three-color automotive lamp cover mold cavity was simulated using the flow path analysis function of Moldflow software. Combined with the characteristics of fountain flow and pseudoplastic fluid behavior, the mechanism of color mixing was elucidated. Methods to effectively prevent color mixing defects were proposed, including the addition of boss structures to isolate different colors or the adjustment of local wall thickness to alter the melt flow path. After mold trials, the quality of the optimized automotive lamp cover was qualified.

Graphical abstract

关键词

Moldflow / 串色 / 路径线 / 喷泉流动 / 壁厚

Key words

Moldflow / Cross color / Fathlines / Fountain flow / Wall thickness

车灯面罩是车灯的重要组成部分，对汽车照明性能及外观美观度均有重要影响，车灯面罩已由单色逐步发展为双色及多色^[1-2]。串色作为多色面罩成型中的常见外观缺陷，是由两种或多种不同颜色或材质的塑料在成型过程中相互掺杂导致面罩外观出现色彩混乱，严重影响产品成型质量与合格率。Moldflow广泛应用于塑件生产前的成型模拟预测^[3-5]，对提高成型效率与质量具有重要指导作用^[6-8]。林颖等^[9]利用Moldflow构建系列简化模型，研究孔型结构对熔接线质量的影响，发现塑料熔体在尖锐结构处汇合时形成的熔接线V型角更大，V型缺口更小，熔接线长度更短，成型质量更佳。樊玲等^[10]模拟不同工艺参数下刹车仪表灯罩的体积收缩情况，得到最佳工艺参数，使实际体积收缩率降低68.84%。胡鲲鸣等^[11]模拟微电子元件注塑流程，对比不同内芯结构对注塑的影响，通过分析成型效率与质量，确定两触点嵌芯结构为最优方案。谭安平等^[12]运用Moldflow对汽车仪表板模具的浇注及冷却系统进行验证与优化，将六点进浇改为八点进浇，获得合格产品。周纪委等^[13]模拟车身后护板注塑工艺，采用正交试验及灰色关联分析结合熵权法优化工艺参数，结果表明，微孔发泡注塑成型可实现减重并降低翘曲变形量。程佳玮等^[14]运用Moldflow与Taguchi试验方法，研究气体压力、熔体温度、气体保压时间、模具温度及预注射量5个因素对气体穿透长度和横截面最小壁厚的影响，通过多目标综合平衡得到最优工艺参数，并经实际气体辅助注射成型(GAIM)验证获得合格产品。周大路等^[15]采用时序控制系统控制针阀式喷嘴阀门动作实现顺序供料，改变熔体前锋交合状态，结果表明，时序进胶技术可有效解决传统工艺中扰乱玻纤分子取向的问题，有效控制制品翘曲。PURBANINGRUM^[16]以喷油器为对象，采用Moldflow优化翘曲率，确合适浇口位置。RANA等^[17]应用Moldflow对比传统水路与随形水路，结果表明，随形水路冷却周期缩短68.87%，产品质量更优。然而，目前针对塑件串色问题成因及改善方法的研究较少，这一难题仍困扰业界。

本文基于某车灯面罩串色件展开研究，借助Moldflow模拟塑料熔体流动状态，通过仿真与实物对比，证明有限元模型预测串色缺陷的有效性，结合流变学理论阐明串色的产生机理，通过优化结构提出解决串色缺陷的有效方法，改善产品外观质量，以供多色塑件的注塑成型参考。

1 车灯面罩产品分析

本产品为某轿车三色车灯面罩，要求外观光滑无痕，透明度好，耐高温^[18]。面罩总尺寸为323 mm×147 mm×111 mm，最大壁厚为5 mm，最小壁厚2 mm，由红、黑、透明3种颜色塑料注塑成型而成(3种塑料为同一型号材料)。图1为车灯面罩3D模型。根据车灯面罩结构性能等要求，采用聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA，亚克力)材料，牌号为CM205。表1为PMMA塑料特性，图2为PMMA的压力-体积-温度(PVT)特性曲线。

2 初始方案及结果分析

2.1 面罩有限元模型

将车灯面罩三维模型以STL格式导入Moldflow软件，设置网格边长为2 mm，网格类型采用3D，通过软件自动划分得到网格数量为2 217 026个，网格厚度均匀，满足成型分析要求。将透明塑件设置为嵌件，黑色和红色塑件成型分析类型设定为“重叠注塑”，其中黑色塑件网格设为第一色，红色塑件网格设为第二色。图3为车灯面罩3D网格模型。

2.2 浇注系统及冷却系统创建

由于面罩产品已在UG软件中做初步模具设计，可以直接提取浇注系统及冷却系统中心管线，将其以igs格式导入Moldflow，并根据实际尺寸指定线条属性^[19]。浇注系统采用针阀式热流道进胶，可以保证产品表面质量及提高成型效率。为了提高产品冷却效率及确保冷却均匀，采用随形水路，设计5条水路，冷却水管直径为11.5 mm，产品背面内腔设置4条隔水板，确保内表面充分冷却。图4为浇注系统和冷却系统。根据车灯面罩结构特点及成本效益，模具型腔布局形式宜选择一模两腔。

2.3 模流分析结果

表2为初始工艺参数。通过计算可以得到初始方案仿真结果。图5为注塑过程路径线云图。其中，蓝色曲线为第二色红色塑件注塑过程路径线，红色线条为黑色塑件和红色塑件分界线，分界线左侧为黑色塑件和红色塑件结合部分，分界线右侧为单独红色塑件部分。从图5可以看出，在绿色扇形区域若干路径线从分界线左侧延伸至右侧，表明注塑过程中部分双色结合区域的红色熔体从分界线左侧流至右侧。这与面罩串色实物区域一致(如图6所示)，同时证明通过Moldflow路径线来预测串色缺陷的有效性。

图7为红色塑件流动前沿温度。从图7可以看出，在串色位置区域熔体前沿温度为256.1 ℃，远大于PMMA塑料熔点150 ℃。第一色黑色塑件成型开模后温度在60 ℃左右，热量将从高温红色熔体传递至低温第一色固态黑色塑件，促使黑色塑件表层重新熔化。

3 串色产生机理及结构优化

3.1 喷泉流动

塑料熔体在模腔内的流动可看作黏性不可压缩流体流动，流速剖面呈抛物线形状，熔体中心处速度最快，往两侧递减，当熔体到达最前端时，由于表面张力的作用，熔体减速并向两侧模壁流动形成喷泉形状的流动前沿，自由表面形状近似半圆形^[20-22]。图8为熔体充填过程。

3.2 实际熔体流动分析

车灯面罩在成型过程中先注塑成型黑色塑件，第一色黑色塑件经过保压冷却后开模换腔，进行第二色红色塑件注塑。当注射红色塑件时，根据喷泉流动原理，流动前沿中间的液体往型腔壁扩散，当中间高温熔体接触到第一色塑件时，会使第一色表层胶料重新液化，重新凝结成双色相交的冷凝层。在熔体流动过程中，由于熔体中心处速度差比靠近模壁两侧熔体小，故熔体中心处剪切速率低^[23]，图9为熔体流速与剪切速率分布。由于PMMA塑料熔体是假塑性流体^[24]，其剪切应力与速度梯度符合指数定律^[25]。图10为PMMA熔体流动曲线。根据剪切速率分布规律，在冷凝层附近剪切速率最大，即产生的剪切应力最大，当第二色后续红色熔体继续向前流动时，会带动双色相交区域熔体移动，从而产生串色现象。

3.3 优化方案

根据串色产生原因，可以通过阻挡剪切层流动及改变料流方向两种方案来优化模具。图11为凸台结构，表3是两种方案对比。

根据方案对比可知，通过调整壁厚来改善缺陷符合实际效益。图12为红色塑件壁厚。其中，红色为原始塑件表面，蓝色为优化后数模。从图12可以看出，相较初始模型该区域壁厚减少0.5 mm。

将调整后的面罩模型重新导入Moldflow进行仿真分析。图13为优化后路径线云图。从图13可以看出，在绿色扇形区域路径线均往偏离分界线方向延伸，没有穿过分界线，表明注塑过程中双色结合区域的红色熔体并未从分界线左侧流到右侧，从而避免液化的双色相交冷凝层进入单色红色塑件区域造成串色外观缺陷。

4 实际验证

采用优化壁厚的方案来解决串色问题，需要对模具动模侧进行CNC加工。图14为模具修模。其中，红色为CNC加工区域，黄色为分型面。

根据Moldflow软件的数值模拟结果设置注塑工艺参数，进行试模生产。图15为车灯面罩合格实物。从图15可以看出，产品外观光滑无痕，无串色缺陷，符合要求。

5 结论

通过喷泉流动及假塑性流体特性阐明串色产生的机理，即多色车灯面罩在注塑成型过程中，在双色结合区域容易因第二色高温熔体流入导致第一色塑件重新液化，从而产生双色相交的冷凝层，当熔体继续向前流动时，会带动双色相交区域熔体移动，从而产生串色现象。基于Moldflow软件进行重叠注塑分析，红色塑件熔体路径线与实际缺陷形态及位置一致，表明路径线可用于串色缺陷预测。通过减少局部壁厚，改变红色熔体流动路径，避免串色缺陷的产生。对模具动模侧进行CNC加工，经修模后注塑成型，未发现串色成型缺陷，车灯面罩达到预期的质量要求，验证优化方案的可行性。

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基金资助

浙江省教育厅一般项目(Y202455846)

台州职业技术学院2025年度重点科研项目(2025ZD08)

台州市重点技术创新团队项目(02071028)