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摘 要：借助Moldex 3D软件，本研究针对压缩成型长玻纤增强（LFT-D）电池箱进行模拟。对电池箱体的翘曲、玻纤取向和走胶困气等进行了预测;并对比壁厚、预填料布置和工艺等对于变形的影响。本文对LFT-D电池箱的模压成型进行模拟，对于LFT-D电池箱开发具有重要指导意义，希望通过本文提出的意见能够为新能源行业作出贡献。
关键词：Moldex 3D;LFT-D长玻纤压缩;电池箱轻量化;翘曲变形;玻纤取向;预填料
目前，电池包上盖材料多采用金属和SMC方案，SMC作为一种热固性材料，具有密度低（约1.8 g/cm3）及高阻燃等特点，但是该类材料同时也存在硬而脆的特点，导致产品必须通过一定的结构和厚度来保证强度。即便如此，在实际生产、装配过程中也偶尔会出现开裂的情况。同时，SMC材料在生产效率和环保上也存在明显劣势。图1为市面上的一款SMC产品。
在现有设计下，模组级的集成效率（电芯占模组的重量百分比）只能达到80%左右，而到了整包级别集成效率只能达到70%左右[1]。以商用车为例，目前铁锂电芯能量密度最高仅为150 Wh/kg，而国家要求能量密度达到115 Wh/kg以上才能享受较高的补贴，简单换算可知，即整包集成效率要达到80%以上才能享受国家新能源汽车较高补贴。显而易见，提高整包级别集成效率至关重要。
电池包外壳是电池包整体最重要的外部结构，其对材料的技术要求非常严苛，除了要求强度高、电绝缘性好等常规性能外，还要求具备极佳阻燃性能、优异的可制造性和良好的环保性能等。
LFT-D工藝较传统SMC相比，其技术性能具有如下优点。
（1）无毒、无味，可改善工作环境。（2）质轻，密度只有1～1.2 g/cm3。（密度与基材种类和玻纤含量相关）。（3）边角料及废品可循环使用，最大限度减少浪费。（4）强度比SMC高，抗冲击韧性尤为突出。（5）耐腐蚀、电性能更优良。（6）产品压制速度比SMC快数倍，生产效率大幅提高。
但是由于LFT-D成型不同于传统的注塑成型，目前，在CAE模拟和实际生产经验方面都没有注塑成型成熟，导致开发周期长且成本高。CAE技术是根据流变学、传热学、结构力学等基本理论，建立塑料在流动过程中的填充、冷却、变形的数学模型，利用数值计算，得到熔体的流动、应力情况。本项目利用Moldex 3D软件模拟分析电池箱的压缩成型过程，并对比结构，工艺和预填料对于翘曲的影响，为模压的生产制造提供指导方案。
1 制件概况
产品为电池箱上盖，尺寸为1 330 mm×880 mm×150 mm，平均厚度为2 mm。产品成型边缘需要转孔，用于电池箱的密封，由于打螺丝受力，为了保证强度增加厚度到4 mm。为了便于计算简化了模型，模型表面没有加强结构，产品没有对穿孔（实际生产中多采用后处理的方式进行机加工）。采用Moldex 3D软件对该产品成型过程进行模拟分析，尝试寻找一些外观缺陷和翘曲的原因，并与实际情况进行对比。
2 成型工艺参数设定
塑件材料为KingFa长玻纤增强阻燃聚丙烯材料。压缩成型工艺：模具温度50 ℃;熔体温度240 ℃，压缩间隙设为180 mm，采用两段的压缩工艺。其中，熔体压缩速度为50 mm/s。最大压缩力为3 000 tf（选用3 000 t的压缩机台）。
结合现实情况，预填料采用了3种放置方式。第一种采用常规的放置方法，第二种放置了两块胶，第三种方法是增加了产品的壁厚，壁厚由2.0 mm增加到2.5 mm。
3 模压分析主要结果解读
3.1 不同工艺对于产品填充结果的影响
根据3种工艺方案进行CAE模拟分析后，其填充末端的结果如图2所示。
第二方案中，最后填充的位置出现熔体滞留的现象，这种滞留现象在实际生产过程中可能会产生图下方的冷料缺陷，这种缺陷将影响外观和产品强度。由于该位置会打螺丝，所以在生产中应该避免。另外电池箱产品由于边缘较厚可能出现跑道效应，产生困气现象，这些问题都应该在CAE阶段避免。解决这类问题的方法就是改变预填料的方式。
3.2 结合线和困气
根据moldex 3D的分析结果，能够直接输出结合线和困气的位置。这些困气和结合线在实际产品上的表现是对外观和强度造成影响。
以上变形结果是放大3倍时的效果图，主要是为了便于观察。moldex 3D能够直接模拟出变形的大小和趋势。从分析结果来看，方案一的翘曲变形最小，最大变形量为8.6 mm。3种方案的变形都是4个角翘，除了方案2外，其余都是中间下凹的变形结果。由之前所述，这可能和玻纤取向和体积收缩相关。
如果不考虑玻纤取向的变形，3种方案的变形结果相似，正是四角上翘，中间下凹的结果，而且变形的结果较大达到了12.8 mm。
4 结语
（1）通过CAE成型软件的模拟，能够对模压成型的一些缺陷进行预测。从而达到节约试模成本，缩短开发周期的目的。
（2）模压产品的变形与预料布置有关，主要受玻纤取向和产品收缩不均的影响。
[参考文献]
[1]王 芳，夏 军.电动汽车动力电池系统—设计与制造技术[M].北京：科学出版社，2016.
[2]NIGEL C，PAULA D.Advanced industrial and engineering polymer research[J].Industrial & Engineering Chemistry Research，2018（1）：99-110.
Application of Moldex 3D in molded power battery box
Hu Gui， Guan Annan， Ding Chao， Ye Nanbiao
（Product R&D Center of Goldilocks Technology Co.， Ltd.， Guangzhou 510000， China）
Abstract：With the aid of Moldex 3D software， the compression molding long glass fiber reinforced（LFT-D）battery box was simulated. The warping deformation， glass fiber orientation and trapping gas of the battery box are predicted in this research. The effects of wall thickness， pre-packing arrangement and process on deformation are compared. In this paper， the modeling of LFT-D battery box is simulated， which is of great significance for the development of LFT-D battery box. It is hoped that this paper can contribute to the new energy industry through the advice put forward in this paper.
Key words：Moldex 3D; LFT-D long glass fiber compression; battery box lightweight; warping deformation; glass fiber orientation; prefiller
关键词：Moldex 3D;LFT-D长玻纤压缩;电池箱轻量化;翘曲变形;玻纤取向;预填料
目前，电池包上盖材料多采用金属和SMC方案，SMC作为一种热固性材料，具有密度低（约1.8 g/cm3）及高阻燃等特点，但是该类材料同时也存在硬而脆的特点，导致产品必须通过一定的结构和厚度来保证强度。即便如此，在实际生产、装配过程中也偶尔会出现开裂的情况。同时，SMC材料在生产效率和环保上也存在明显劣势。图1为市面上的一款SMC产品。
在现有设计下，模组级的集成效率（电芯占模组的重量百分比）只能达到80%左右，而到了整包级别集成效率只能达到70%左右[1]。以商用车为例，目前铁锂电芯能量密度最高仅为150 Wh/kg，而国家要求能量密度达到115 Wh/kg以上才能享受较高的补贴，简单换算可知，即整包集成效率要达到80%以上才能享受国家新能源汽车较高补贴。显而易见，提高整包级别集成效率至关重要。
电池包外壳是电池包整体最重要的外部结构，其对材料的技术要求非常严苛，除了要求强度高、电绝缘性好等常规性能外，还要求具备极佳阻燃性能、优异的可制造性和良好的环保性能等。
LFT-D工藝较传统SMC相比，其技术性能具有如下优点。
（1）无毒、无味，可改善工作环境。（2）质轻，密度只有1～1.2 g/cm3。（密度与基材种类和玻纤含量相关）。（3）边角料及废品可循环使用，最大限度减少浪费。（4）强度比SMC高，抗冲击韧性尤为突出。（5）耐腐蚀、电性能更优良。（6）产品压制速度比SMC快数倍，生产效率大幅提高。
但是由于LFT-D成型不同于传统的注塑成型，目前，在CAE模拟和实际生产经验方面都没有注塑成型成熟，导致开发周期长且成本高。CAE技术是根据流变学、传热学、结构力学等基本理论，建立塑料在流动过程中的填充、冷却、变形的数学模型，利用数值计算，得到熔体的流动、应力情况。本项目利用Moldex 3D软件模拟分析电池箱的压缩成型过程，并对比结构，工艺和预填料对于翘曲的影响，为模压的生产制造提供指导方案。
1 制件概况
产品为电池箱上盖，尺寸为1 330 mm×880 mm×150 mm，平均厚度为2 mm。产品成型边缘需要转孔，用于电池箱的密封，由于打螺丝受力，为了保证强度增加厚度到4 mm。为了便于计算简化了模型，模型表面没有加强结构，产品没有对穿孔（实际生产中多采用后处理的方式进行机加工）。采用Moldex 3D软件对该产品成型过程进行模拟分析，尝试寻找一些外观缺陷和翘曲的原因，并与实际情况进行对比。
2 成型工艺参数设定
塑件材料为KingFa长玻纤增强阻燃聚丙烯材料。压缩成型工艺：模具温度50 ℃;熔体温度240 ℃，压缩间隙设为180 mm，采用两段的压缩工艺。其中，熔体压缩速度为50 mm/s。最大压缩力为3 000 tf（选用3 000 t的压缩机台）。
结合现实情况，预填料采用了3种放置方式。第一种采用常规的放置方法，第二种放置了两块胶，第三种方法是增加了产品的壁厚，壁厚由2.0 mm增加到2.5 mm。
3 模压分析主要结果解读
3.1 不同工艺对于产品填充结果的影响
根据3种工艺方案进行CAE模拟分析后，其填充末端的结果如图2所示。
第二方案中，最后填充的位置出现熔体滞留的现象，这种滞留现象在实际生产过程中可能会产生图下方的冷料缺陷，这种缺陷将影响外观和产品强度。由于该位置会打螺丝，所以在生产中应该避免。另外电池箱产品由于边缘较厚可能出现跑道效应，产生困气现象，这些问题都应该在CAE阶段避免。解决这类问题的方法就是改变预填料的方式。
3.2 结合线和困气
根据moldex 3D的分析结果，能够直接输出结合线和困气的位置。这些困气和结合线在实际产品上的表现是对外观和强度造成影响。
以上变形结果是放大3倍时的效果图，主要是为了便于观察。moldex 3D能够直接模拟出变形的大小和趋势。从分析结果来看，方案一的翘曲变形最小，最大变形量为8.6 mm。3种方案的变形都是4个角翘，除了方案2外，其余都是中间下凹的变形结果。由之前所述，这可能和玻纤取向和体积收缩相关。
如果不考虑玻纤取向的变形，3种方案的变形结果相似，正是四角上翘，中间下凹的结果，而且变形的结果较大达到了12.8 mm。
4 结语
（1）通过CAE成型软件的模拟，能够对模压成型的一些缺陷进行预测。从而达到节约试模成本，缩短开发周期的目的。
（2）模压产品的变形与预料布置有关，主要受玻纤取向和产品收缩不均的影响。
[参考文献]
[1]王 芳，夏 军.电动汽车动力电池系统—设计与制造技术[M].北京：科学出版社，2016.
[2]NIGEL C，PAULA D.Advanced industrial and engineering polymer research[J].Industrial & Engineering Chemistry Research，2018（1）：99-110.
Application of Moldex 3D in molded power battery box
Hu Gui， Guan Annan， Ding Chao， Ye Nanbiao
（Product R&D Center of Goldilocks Technology Co.， Ltd.， Guangzhou 510000， China）
Abstract：With the aid of Moldex 3D software， the compression molding long glass fiber reinforced（LFT-D）battery box was simulated. The warping deformation， glass fiber orientation and trapping gas of the battery box are predicted in this research. The effects of wall thickness， pre-packing arrangement and process on deformation are compared. In this paper， the modeling of LFT-D battery box is simulated， which is of great significance for the development of LFT-D battery box. It is hoped that this paper can contribute to the new energy industry through the advice put forward in this paper.
Key words：Moldex 3D; LFT-D long glass fiber compression; battery box lightweight; warping deformation; glass fiber orientation; prefiller