夹芯注塑成型过程的计算机可视化模拟分析——材料粘度与工艺参数对芯层熔体穿透深度的影响

资源类型:pdf 资源大小:308.00KB 文档分类:工业技术 上传者:杜娟

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【作者】 钱欣  周珏  许海棠 

【关键词】夹芯注塑成型 计算机模拟分析 芯层熔体穿透深度 

【出版日期】2005-04-30

【摘要】采用Moldflow公司MPI软件中的Co injection分析模块,对夹芯注塑成型过程进行动态模拟分析;以揭示材料粘度以及工艺参数对夹芯注塑成型过程中芯层熔体穿透深度的影响规律。结果发现,芯层熔体穿透深度值随芯/壳层熔体粘度比R值的减小而增大,这主要与芯层和壳层熔体的相对流动能力有关;此外,在工艺参数中,改变熔体注射速度对芯层熔体穿透深度的影响较为突出,而模温和熔体温度对芯层熔体穿透深度的影响相对较弱。

【刊名】塑料工业

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夹芯注塑成型又称为三明治注塑成型。它是按顺序将不同的聚合物熔体注入模腔 ,聚合物熔体在模腔内以两相分层流动充模成型 ,并最终固化成夹芯复合注塑件。先注入的熔体为壳层 ,而后注入的熔体为芯层。  由于夹芯注塑成型过程属三维瞬态非等温多相分层流动 ,其成型机理极为复杂。之前的一些研究者[1~ 4 ] 曾建立一些物理模型并利用数值模拟技术对夹芯注塑成型过程进行研究 ,认为物料性能、工艺参数和制品尺寸是影响其成型过程的主要因素。但这些普通的数值模拟分析无法提供全面、快捷的工程分析结果和动态可视化效果。  本文采用Moldflow公司开发的MoldflowPlasticsInsight (MPI)软件 ,并利用该软件中的Co injection注塑可视化分析模块的注塑成型CAE软件 ,模拟了芯层物料前缘的动态充模过程和芯层物料的分布情况。  文中的芯层熔体相对穿透深度是指注射完成后 ,芯层熔体的最前沿与浇口位置之间的距离。1 模拟实验条件1 1 原料  POE 1:EngageD895 7,DuPontDowElastomeOE 2 :EngageD8190 ,DuPontDowElastomer;POE 3:EngageD895 8,DuPontDowElastomer;POE 4 :En gag8837,DuPontDowElastomer;PP 1:ApprylHX30 4 0 ,Atofina;PP 2 :DaplenBHC 5 12c ,Borealis ;PP 3:10 4 0 ,Yon Chai;PP 4 :PX0 0 30 ,BorealisOPPSA。1 2 制品尺寸及浇口位置  本文选用 4 0 0mm× 10 0mm× 4mm的矩形制品 ,浇口位置位于 10 0mm× 4mm平面的几何中心。1 3 标准实验条件表 1 标准实验条件Tab 1Standardtestconditions工艺参数设定壳层材料芯层材料模温 /℃ 40 /熔融温度 /℃ 1 80 2 30充模流速控制 /cm3·s- 1 1 60 1 60材料切换点 /% 60 98  在研究工艺参数对芯层熔体穿透深度的影响时 ,以POE 1为壳层材料 ,PP 1为芯层材料。标准实验条件见表 1。2 计算机模拟结果分析2 1 物料粘度对芯层穿透深度的影响图 1 壳层物料粘度对芯层穿透深度的影响Fig 1Influenceofskinmeltviscosityonpenetrationlengthofcoremelt1-POE 3 ;2 -POE 4;3 -POE 1;4-POE 2表 2 壳层物料种类对芯 /壳层粘度比的影响Tab 2InfluenceofdifferentskinmeltsonviscosityratioRofcore/skinmelts壳层物料种类平均剪切速率/s- 1 芯层粘度/Pa·s壳层粘度/Pa·s芯 /壳层粘度比RPOE 3 546 66 63 4970 36 0 90 2POE 4 588 70 67 42 75 0 1 0 898POE 1 551 90 69 982 69 30 0 2 56POE 2 536 60 71 1 2 4 33 60 0 1 64  对照图 1和表 2发现 ,在芯层物料固定的条件下 ,随着芯 /壳层粘度比R的减小 ,芯层熔体前沿在壳层中的相对穿透深度逐渐增大。图 2和表 3的结果亦显示 ,在壳层物料固定的条件下 ,随着芯 /壳层粘度比R的减小 ,芯层熔体相对穿透深度逐渐增大。这是因为在芯层物料固定或壳层物料固定的条件下 ,芯 /壳层粘度比R的减小 ,意味着芯层熔体的相对流动能力增强。一般而来说 ,随着芯层熔体相对流动能力的增强 ,芯层熔体对壳层的刮带作用减弱 ,致使壳层物料在模壁处的堆积量相应增加而位于芯层熔体前沿的堆积量相应减少 ,从而使芯层熔体的穿透深度增大。图 2 芯层物料粘度对芯层穿透深度的影响Fig 2Influenceofcoremeltviscosityonpenetrationlengthofcoremelt1-PP 4;2 -PP 3 ;3 -PP 2表 3 芯层物料种类对芯 /壳层粘度比的影响1)Tab 3InfluenceofdifferentcoremeltsonviscosityratioRofcore/skinmelts芯层物料种类平均剪切速率 /s- 1芯层粘度/Pa·s壳层粘度/Pa·s芯 /壳层粘度比RPP 2 543 482 94 4 2 72 1 1 0 8PP 3 542 0 0 1 90 0 2 72 6 0 70PP 4 380 80 2 7 6 343 1 0 0 82 2 工艺参数的影响2 2 1 注射速度对芯层穿透深度的影响图 3 壳层流速变化对芯层穿透深度的影响Fig 3Influenceofskinmeltvelocityonpenetrationlengthofcoremelt1-4 0cm3 /s ;2 -80cm3 /s ;3 -160cm3 /s ;4-3 2 0cm3 /s  图 3模拟结果反映了芯层熔体相对深度与壳层物料流速之间的关系。由图 3可知 ,在熔体温度、模温、芯层物料流速等工艺条件恒定的情况下 ,随着壳层熔体注射速度的增加 ,芯层熔体前沿的穿透深度值略有减小。  一则 ,随着壳层物料注射速率的提高 ,通过浇口时的剪切速度增大 ,POE熔体的粘度随剪切速度的增大而减小 (如图 4所示 ) ,壳层POE熔体的相对流动性的增强 ,使其更容易被芯层刮带向前流动 ,导致相对穿透深度相应减小 ;二则 ,在充模过程中 ,随着壳层熔体注射速率的提高 ,壳层熔体的停留时间缩短 ,而由冷却所致的粘度增幅却相对较小 ,芯壳层熔体粘度比R仍有一定程度的增大 ,故芯层熔体的相对穿透深度减小。孙懋等人[1] 曾选用PS为壳层 ,PP为芯层 ,对夹芯注塑进行数值模拟 ,发现随着壳层速率的增大 ,芯层熔体穿透深度值减小。DAitMessaoud等人[2 ] 以纯PP作为壳层 ,玻纤增强的PP作为芯层 ,得出了与孙懋等人相类似的结论。这些结果都与本文的模拟结果一致。图 4 PP 1与POE 1的流变性能Fig 4RheologicalpropertiesofPP 1andPOE 1  此外 ,当芯层熔体注入型腔后 ,壳层物料的流动是完全由芯层推动的。故在芯层熔体流率恒定的情况下 ,壳层流速的改变对芯层熔体的流动及其穿透深度并无显著影响。  图 5给出了芯层物料注射速度变化对其熔体穿透深度的影响。由图 5可知 ,在熔体温度、模温、壳层物料流速恒定的条件下 ,随着芯层熔体注射速度的增加 ,其相对穿透深度明显减小。产生这一结果的原因有以下两点 :首先 ,随着芯层注射速度的增大 ,PP和POE熔体通过浇口时的剪切速度增大 ,两者的粘度均有所减小 (如图 4 ) ,但在本模拟讨论的剪切速率范围内 ,PP对剪切速度的敏感性大于POE ,故芯 /壳层物料的粘度比R逐渐增大 (见表 4 ) ,芯层熔体的相对流动性减小 ,芯层熔体对壳层熔体的刮带作用增强 ,相对穿透深度值减小 ;其次 ,在充模过程中 ,随着芯层熔体注射速度的提高 ,壳层熔体的流动速度也相应增大 ,壳层熔体的停留时间缩短、冷却过程减慢 ,而由冷却所致的粘度增幅却相对较小 ,芯壳层熔体粘度比R仍有一定程度的增大 ,故芯层熔体的相对穿透深度值减小。图 5 芯层流速变化对芯层穿透深度的影响Fig 5Influenceofcoremeltvelocityonpenetrationlengthofcoremelt1-4 0cm3 /s ;2 -80cm3 /s ;3 -160cm3 /s  图 6给出了同时改变芯壳层注射速度对芯层熔体穿透深度的影响。由图 6可知 ,在熔体温度、模温恒定的条件下 ,随着芯壳层熔体注射速度的增加 ,芯层熔体相对穿透深度逐渐减小。表 4 芯层熔体流速改变对芯 /壳层粘度比的影响Tab 4InfluenceofcoremeltvelocityonviscosityratioRofcore/skinmelts芯层流速 /cm3·s- 1 平均剪切速率/s- 1 芯层粘度/Pa·s壳层粘度/Pa·s芯 /壳层粘度比R40 1 2 0 1 91 53 7 735 2 0 2 180 52 3 8472 1 2 88 90 2 51 60 1 1 0 7 9846 2 2 70 3 0 2 6  对比图 4和图 5发现 ,同时改变芯 /壳层熔体流动速率较单独改变芯层或壳层流速对穿透深度的影响更为明显。一方面 ,壳层注射速率较低时 ,芯壳层熔体的粘度比R较大 ;另一方面 ,芯层注射速率较低时 ,芯 /壳层熔体粘度比R较小 (见表 5 ) ,芯层熔体的流动能力相对较强 ,芯层熔体对壳层熔体的刮带作用较弱。这两方面因素的共同作用 ,使同时改变芯 /壳层熔体流速对芯层熔体相对穿透深度的影响较为显著。图 6 芯壳层流速同时变化对芯层穿透深度的影响Fig 6Influenceofvelocityofbothtwomeltsonpenetrationlengthofcoremelt1-4 0cm3 /s ;2 -80cm3 /s ;3 -160cm3 /s ;4-3 2 0cm3 /s表 5 熔体流速同时改变对芯 /壳层粘度比的影响Tab 5InfluenceofmeltsvelocityonviscosityratioRofcore/skinmelts物料流速/cm3·s- 1平均剪切速率/s- 1 芯层粘度/Pa·s壳层粘度/Pa·s芯 /壳层粘度比R40 1 2 0 1 91 53 7 735 2 0 2 180 2 4 5 491 0 9462 1 0 2 41 60 548 76 70 2 1 2 70 0 2 632 0 1 0 99 2 946 44 1 60 0 2 72 2 2 熔融温度对芯层穿透深度的影响  图 7模拟结果反映了芯层熔体相对深度与壳层熔体温度之间的关系。从图 7可以发现 ,在芯层熔体温度、模温、芯 /壳层物料流速恒定的条件下 ,随着壳层熔体温度的升高 ,芯层熔体相对穿透深度略有减小。这是因为POE为温敏性物料 ,其粘度随温度的变化较大 ,故芯 /壳层熔体粘度比值R变化也有比较明显 (见表 6 )。从表 6可以看出 ,随着壳层熔体温度的升高 ,芯 /壳层粘度比值R逐渐增大 ,芯层的相对流动性变差 ,对壳层熔体的刮带作用增强 ,致使其相对穿透深度减小。图 7 壳层温度变化对芯层穿透深度的影响Fig 7Influenceofskinmelttemperatureonpenetrationlengthofcoremelt1-160℃ ;2 -2 0 0℃ ;3 -2 40℃表 6 壳层熔体温度改变对芯 /壳层粘度比的影响Tab 6InfluenceofskinmelttemperatureonviscosityratioRofcore/skinmelts壳层熔体温度 /℃平均剪切速率 /s- 1 芯层粘度/Pa·s 壳层粘度/Pa·s 芯 /壳层粘度比R1 60 534 1 71 31 32 1 0 0 2 22 0 0 548 870 2 1 2 36 1 0 302 4 0 549 1 70 1 5 1 87 0 0 37  图 8模拟结果反映了芯层熔体穿透深度与芯层熔体温度之间的关系。从图 8中可以发现 ,在壳层熔体温度、模温、芯 /壳层物料流速恒定条件下 ,随着芯层熔体温度的升高 ,芯层熔体的穿透深度值略有增大。这是因为芯层PP的粘度随温度的升高明显降低 ,芯 /壳层熔体粘度比值R明显的减少 (见表 7) ,即芯层熔体的相对流动能力有一定程度的提高 ,芯层熔体对壳层熔体的刮带作用减小 ;所以 ,芯层熔体相对穿透深度增大。图 8 芯层温度变化对芯层穿透深度的影响Fig 8Infl

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