第 5 部分 用於注塑分析的材料數據

內容

1.首先

2.材料數據（流變性能、熱性能、PVT性能、收縮性能、材料性能）

3.用於填料補強

4.總結

介紹

射出成形のシミュレーションにおいて、その解析精度は材料データの正確性に大きく左右されます。一般に解析ソフトのデータベースに登録されている材料特性データを基にして計算することになりますが、その材料データの信頼性には注意が必要です。 解析ソフトには材料データの測定レポートが付属しているので、初めての解析を行う前には測定レポートの信頼性が十分であるか検討する必要があります。 本記事では、射出成形シミュレーション（流動解析）に使用されている材料データの項目や内容について解説します。

材料數據

■ 流變性能

流變學是對物體變形和流動現象的研究。流變學涉及固體和液體之間的中間性質。
由於樹脂是由具有粘彈性的高分子材料組成，在低溫或高速條件下硬而脆，在高溫或低速條件下又粘又軟，容易產生永久變形。
粘度代表流體的粘性。粘度高則粘稠，不易流動；粘度低則光滑，易流動。流變學對於處理粘度是必要的。另外，剪切率（剪切率）是表示施加於物體的應變量的值。

・粘度數據

圖 1 顯示了剪切速率依賴性（流動曲線），縱軸為粘度，橫軸為剪切速率。在CAE分析中用於評價材料的粘度。樹脂具有熔體粘度的溫度依賴性和剪切速率依賴性。換句話說，由於粘度隨剪切速率和溫度而變化，因此流動的難易程度隨樹脂如何流動而變化，這是評價成型性所必需的。

・MFR（熔體質量流量）

熔體質量流動速率是評價熔融塑料流動性的數值。測量方法是將熔融塑料裝入筒體，在恆溫恆載條件下，用活塞將其推出模具（噴嘴），測量10分鐘排出的質量。數字越大，熔融時的流動性越高，表示容易流動（成型性好）。

​進行比較時必須小心，因為測量時的溫度和負載可能因材料數據中的樹脂類型而異。低剪切區的流動性與實際成型時的數據進行對比研究具有重要意義。

 

■ 熱性能（thermal properties）

不同類型的塑料具有不同的熱性能。此外，我們還必須考慮它隨溫度而變化。

·比熱

比熱是提高單位質量物質的單位溫度所需的熱量（能量）。是表示物體的“升溫難易度”和“降溫難易度”的指標，影響溫度變化的快慢。
測量方法為國際標準《ISO11357-4塑料-差示掃描量熱法（DSC）》。

・轉變溫度

樹脂的物理性能不隨溫度成正比變化，但具有在特定溫度範圍內材料性能急劇變化的特性。發生突然變化的溫度範圍稱為轉變溫度，特別是將熔融態轉變為固態（玻璃態）的溫度稱為玻璃化轉變溫度。 （第 2 部分塑料 CAE 的要點“1. 塑料的類型 [熱塑性塑料]”）​
測量方法為國際標準《ISO11357-3塑料-差示掃描量熱法（DSC）》。

・射出溫度

成型品可以從模具中取出的溫度。冷卻後，用頂針取出成型品，但如果溫度下降不充分，則有變形的危險。

·導熱係數

導熱係數是表示單位長度和單位溫度的熱傳遞速率的值。導熱係數越高，越容易導熱。一般來說，樹脂的熱導率較低，但在將樹脂熔融並註入模具的成型過程中，熱導率會影響成型性。塑料具有溫度依賴性，其中熱導率圍繞熔化溫度和結晶溫度變化，這是 CAE 分析中的一個重要因素。
測量方法為國際標準《ISO22007-2瞬態平面熱源（熱盤）法》。

■PVT 特性

注塑樹脂時，樹脂在高溫高壓下被注入冷模具中，並迅速冷卻至固態。此時，由於冷卻而發生體積減小（收縮）。這種在冷卻過程中的行為變化 [P（壓力）- V（體積）- T（溫度）] 關係稱為 PVT 特性。樹脂成型時的收縮不僅會影響尺寸精度，還會因收縮不均勻而導致縮痕、翹曲等成型不良。

PVT特性測量方法有活塞法和水銀法。在活塞法中，將熔融樹脂置於樣品管中並用活塞加壓，此時壓力和溫度變化相對於比容進行測量。在這種方法中，由於收縮可能會出現間隙，因此有時會使用密封液法（水銀法），將水銀封裝起來，對樣品施加靜水壓力。

■ 收縮性能

PVT 特性導致樹脂收縮，但收縮不均勻。收縮率的變化會導致成型缺陷，例如縮痕、翹曲和變形。成型收縮率因成型品的厚度、形狀等各種因素而異。
因此，收縮特性是通過將獲得的體積收縮率分類為面內收縮率和板厚收縮率、流動方向和流動垂直方向來提高樹脂收縮分析的準確性的數據。

■ 材料特性

物理特性是材料的物理特性。了解密度和比重等物理特性對於選擇塑料材料非常重要。
在 CAE 分析中，在檢查材料應力時特別需要楊氏模量和泊鬆比。

·楊氏模量

楊氏模量也稱為縱向模量（伸長模量）。它是在對物體進行拉伸試驗時，表示物體應力與應變關係的係數。

・泊鬆比

泊鬆比是當對物體施加力時在縱向和橫向上發生的應變之比。由於楊氏模量是縱向（拉伸方向）的模量，橫向可以從泊鬆比求得，可以得到物體的應力、應變等材料的物理性質。變化率因材料而異。在CAE分析中需要進行強度計算等。

・線膨脹係數

線膨脹係數是物體在溫度變化時單位長度的膨脹和收縮率。
物體在溫度變化時會膨脹或收縮。由於應力的程度因材料而異，因此通過接合不同材料製成的部件的膨脹和收縮量的差異會產生熱應力，從而導致變形和裂紋。在設計樹脂與金屬或不同類型樹脂粘合的零件時，必須考慮線性膨脹係數。

用於填料增強

填料也稱為填料，通過將其添加到樹脂中並混入，具有提高強度和耐熱性等效果。碳纖維和玻璃纖維等纖維基填料是典型的例子。添加纖維基填料可降低成型收縮率和線性膨脹係數。另一方面，纖維更可能沿流動方向取向，其性能發生變化，如各向異性增加。

·比率

物理性能也會根據樹脂中混合的填料量而變化。填料含量越高，功能性（導電性、導熱性等）越高，但成型性有下降的趨勢，加工也變得越困難。
重要的是要知道您使用的材料中有多少填料。

·縱橫比

必須考慮棒狀和片狀填料的縱橫比。
縱橫比是指長軸與短軸之比，填充物的縱橫比越高，具有性能越高的傾向。另一方面，也存在填料容易凝聚的缺點。

概括

使用新樹脂時，重要的是在分析之前檢查材料數據。正確了解材料數據庫並能夠正確閱讀性能表是選擇合適材料的捷徑。
在 CAE 分析中也是如此，可用的信息越合適，分析就越準確。確認材料數據庫中的數據是否正確，對於提高分析的準確性也很重要。充分利用材料數據庫，並將其應用到產品設計中。

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