透明塑料板件注射-壓縮成型模擬研究

李毅超, 張宜生, 李德群

(華中科技大學材料成形與模具技術國家重點實驗室,武漢 430074)

大型透明板件在航空、汽車等工業(yè)制造領域的應用越來越廣泛[1,2]。這類制件由于其特殊應用領域的要求必須具備質量輕,強度高,光學性能良好等優(yōu)點。通過對相似大型平板件進行的模擬與光學畸變測量結果分析來看,制件在邊角部分的殘余應力與收縮不均是影響其制造質量的最主要原因[3,4]。而注射過程中熔體較長的纖維流線與不均等的溫度變化會產(chǎn)生較大的殘余流動應力與殘余熱應力[5],在熔體快速冷卻過程中被“凍結”在熔體內成為殘余應力與收縮的主要來源。而注射-壓縮成型方法(Injection-Compression Molding)可以較好的解決這一問題。由于在注射末尾階段添加壓縮過程,有利于控制熔體表面壓力分布均等,從而從根本上消除制件殘余應力與收縮不均的問題。

近幾年,國內外對此項技術進行了大量研究。Fan等[6]使用非等溫可壓縮流動模型,通過有限元和有限差分相結合的方法對注射-壓縮成型進行了模擬。計算結果與實驗結果在模溫,熔化溫度和保壓方面得到較好的一致性。Bickerton等[7]對注射-壓縮過程中的壓縮速度與壓緊力進行了研究。結果表明,通過增大壓緊力或對模具施加內應力,合理調整壓縮速度與初始型腔厚度可以顯著降低注射時間。Chang等[8]通過在定模模底添加纖維加固層的方法對樹脂的注射-壓縮工藝進行了試驗分析。結果顯示,較小的模具張開距離和較高的壓縮速度能夠降低注射時間,提高制件質量。Chen等[9]研究了透明件在注射-壓縮工藝條件下成型后的雙折射現(xiàn)象,并與傳統(tǒng)的注射成型結果進行了比較。結果表明,注射-壓縮工藝比傳統(tǒng)方法能顯著地減少制件的雙折射現(xiàn)象,且相對延長保壓時間,提高保壓壓力能降低制件雙折射的產(chǎn)生。

本研究通過采用水平集、動量方程與能量方程進行多物理場全耦合計算的方式,對非對稱幾何透明塑料板件的注射-壓縮成型過程進行了模擬分析,重點研究了成型過程中纖維流線與溫度對制件收縮率的影響,并與傳統(tǒng)的注射結果進行了比較。其目的是為深入研究應用模擬技術,改善注射-壓縮工藝,探索控制成品質量的途徑,以指導工程應用。

1 數(shù)學建模與算法

1.1 幾何模型與基本假設

計算幾何模型如圖 1所示,模型呈等厚度 L型非對稱結構。設計該模型的目的是為了便于檢驗注射或注射-壓縮過程中,材料沿著等截面、規(guī)則轉角及均勻收縮變截面流動過程中材料的流動狀態(tài),進而分析其對成形質量,特別是厚度方向收縮的影響。注射材料為聚碳酸酯(PC)。

模擬過程中進行如下假設：1)在注射過程中不考慮熔體Z方向流動且型腔壓力不隨Z方向變化; 2)模擬過程中腔內氣體密度與粘度設定為常數(shù);3)模擬過程中不考慮壁面與外界傳熱并且設定入口與壁面溫度為常數(shù)。

圖1 透明平板件模型Fig.1 Transparent panelmodel

1.2 控制方程

模擬過程中采用水平集方法(Level-Set Method)追蹤流體流動前沿。Φ是一個在 0～1平滑變化的連續(xù)函數(shù),表示界面位置。Φ=0表示空氣,Φ =1表示熔體,Φ=0.5表示熔體與空氣界面,即流動前沿。Φ由方程(1)進行求解。

參數(shù) ε用來描述邊界的厚度。γ用來控制 Φ的穩(wěn)定性。模擬過程中將水平集方法耦合進N-S方程對流體的運動求解,同時由能量方程對溫度的變化進行求解,其公式如(2)～(4)所示。

式中u,v為熔體在x,y方向速度分量;ρ為密度;p為壓力;η為粘度;σ為表面張量系數(shù);K為界面曲率;Cp為熱容參數(shù);k為傳導參數(shù);h為模具熱傳系數(shù);Tw為模具溫度;γ﹒為流體剪切速率。由于使用了水平集方法,控制方程的密度 ρ,粘度η,熱容參數(shù)Cp與傳導參數(shù)k按公式(5)進行計算,其中下標 1表示空氣參數(shù),下標 2表示熔體參數(shù)。

模擬過程中所用材料選自PC系列,牌號為Calibre5100。熔體為粘度變化的非牛頓流體,采用(6)所示Cross-WFL粘度模型進行計算。

式中 n為非牛頓指數(shù),η0為零剪切粘度,ˉγ為流體剪切速率,τ＊為材料參數(shù),數(shù)值如表 1所示。

表1 PC材料工藝參數(shù)Table 1 Parameters of PC

1.3 全耦合非線性數(shù)值算法

由N-S方程對流動過程計算得到熔體速度值。將其帶入水平集方程求解得到熔體界面位置值,同時將速度值帶入溫度場方程求解得到熔體溫度值,如此循環(huán)直到結束。同時材料粘度隨剪切速率呈非線性變化。流動過程中,熔體與壁面接觸發(fā)生對流換熱過程,溫度隨時間也呈現(xiàn)非線性變化。針對全耦合非線性過程,采用多物理場耦合求解平臺軟件COMSOL 3.5進行求解。

1.4 邊界條件設定

如圖 2所示,對于流體方程,在注射過程中,入口處(Γinlet)定義為恒定熔體流進的層流流入邊界條件;在壓縮過程中,入口定義成封閉的壁面條件。壁面處(Γwall)流體經(jīng)過的壁面為無滑動邊界條件,而空氣占據(jù)的壁面定義為滑動邊界條件。在注射過程中,出口處(Γoutlet)定義為零壓力出口;在壓縮過程中,出口定為壁面條件。對于溫度方程,在注射過程中,入口處(Γinlet)定義為溫度邊界條件 T= 300℃;在壓縮過程中,入口定義為封閉熱絕緣層。壁面和出口全部定義為熱絕緣層。

圖2 模型邊界條件及變量參數(shù)Fig.2 Boundary conditions and parameters

2 結果與討論

2.1 注壓工藝與注射工藝收縮率比較

注射-壓縮工藝較傳統(tǒng)注射工藝能夠顯著降低制件收縮率。計算過程中設定的注射時間為 1.5s,壓縮時間為 1s。注射階段制品厚度方向模具高度為0.02m。注射結束,壓縮階段模具在板料厚度方向的壓縮行程的速度為 0.01m/s。圖 3中可以看出,在注射成型結束后制件收縮率呈現(xiàn)不均勻分布,最大收縮率為 4.9%;而從圖4中的等值線分布可以看出,在注射-壓縮成型工藝下制件收縮較為均勻,最大收縮率下降到3.4%。從而可看出注射壓縮成型與注射成型相比,最大收縮率下降了 1.5%左右,并且分布更為均勻。

圖3 常規(guī)注射填充時制品收縮率等值線圖Fig.3 Contour graph of shrinkage on injectionmolding

2.2 纖維流線對收縮率的影響

圖4 注射填充量達到90%時壓縮1s制件收縮率等值線圖Fig.4 Contour graph of shrinkage on the case of 90% injection volume and 1s compression

型腔內各結點的纖維流動長度會對制件成型過程中殘余應力的產(chǎn)生起到影響,纖維流線的長短決定著由其產(chǎn)生的殘余流動應力的大小[10]。從圖 5可以看出,型腔內各區(qū)域的結點在注射過程中被顯著拉長,并且長度不一,分布不均勻。而從圖 6可看出,在注射-壓縮工藝下,結點的位移量相對較短,并呈現(xiàn)區(qū)域性的長度一致。圖7可以看到,型腔不規(guī)則的幾何結構會對流體的運動產(chǎn)生影響,在轉角與變截面處由于熔體的堆積導致壓縮過程中區(qū)域 3, 4,5產(chǎn)生較大結點位移。結點運動的長短可以顯示出熔體纖維流線的變化情況。注射工藝中產(chǎn)生的較長而不均等的纖維流線會產(chǎn)生流動剪切應力,在冷卻過程中被“凍結”在熔體內部形成殘余流動應力,最終引起制成件殘余應力、收縮率等缺陷的產(chǎn)生。而注射-壓縮成型工藝產(chǎn)生的纖維流線相對較短且均勻,這樣可以減小殘余應力的產(chǎn)生,并使其收縮率分布均勻,最終達到提高制件質量的目的。

圖5 常規(guī)注射填充結束時結點運動軌跡圖Fig.5 Track graph ofnodesmoving on injectionmolding

2.3 型腔溫度對收縮率的影響

型腔內的溫度變化也會對制件的收縮率產(chǎn)生影響,成型結束時溫度越低,分布越均勻,產(chǎn)生的殘余熱應力就越小,制件收縮率也隨之下降。從圖 8可以看出,注射成型結束時熔體的最高溫度接近350℃且分布不均。從圖 9可看出,熔體的最高溫度為 305℃,較注射成型下降了45℃,而且溫度分布逐漸均勻。相應的制件收縮率也從圖3中的4.9%下降到圖4中的 3.4%。在圖 8中,由于熔體快速填充型腔并與較冷的壁面產(chǎn)生不均勻接觸,使得一方面,型腔內保持了較高的溫度;另一方面,熔體在壁面處產(chǎn)生不均勻的溫度變化,這將導致熔體粘度的不均等變化,從而阻礙熔體在型腔中的運動,影響其纖維流動,增大了制成件的收縮率。在注射-壓縮工藝下,由于壓縮的擠壓作用,熔體會與壁面、模具表面產(chǎn)生充分接觸,從而腔內溫度大幅度下降,并且均勻分布。這樣可以保持熔體在型腔內的均勻流動,使其纖維流線均勻化,從而減小制成件的殘余熱應力與收縮率。

3 結論

(1)注射-壓縮成型工藝較傳統(tǒng)注射成型工藝相比能夠顯著降低制件收縮率(4.9%降低到3.4%),并使其分布更均勻。

(2)成型過程中,熔體的纖維流線長度與溫度是影響制件收縮率的兩個重要因素。較短的纖維流線長度與較低且均勻的型腔溫度能夠減小制件殘余應力與收縮率的產(chǎn)生,達到提高制成件質量的目的。

(3)對于不規(guī)則幾何形狀制件的成型,由于熔體在轉角與變截面處流動受阻產(chǎn)生堆積現(xiàn)象,壓縮過程會引起熔體不同區(qū)域纖維流線的不均勻拉伸,影響制成件質量。所以注射-壓縮工藝更適用于制造對稱形狀的制件。

[1]史國力,李復生,田紅兵.聚碳酸酯在汽車和航空透明材料領域應用的研究進展 [J].材料導報,2006,20(5)：404-407.

[2]王磊,史偉琪.直接成形的無骨架飛機透明件 [J].航空制造工程,1997,(10)：13-15.

[3]陳宇宏,袁淵,張宜生,等.基于光學畸變要求的注射成型透明平板應力翹曲分析 [J].航空材料學報,2008,28 (6)：82-87.

[4]李毅超,朱彬,張宜生.透明塑料平板厚向收縮及光學畸變研究[J].塑料,2009,38(5)：108-110.

[5]黃峽宏,余敏強,周持興.聚合物注塑殘余應力研究進展[J].力學進展,2000,30(2)：272-281.

[6]FAN B F,KAZMER D O.Simulation of Injection Compression Molding for Op tical Media[J].Polymer Engineering and Science,2003,43(3)：596-606.

[7]BICKERTON S,ABDULLAH M Z.Modeling and evaluation of the filling stage of in jection/comp ression moulding [J].Composites Science and Technology,2003,63：1359 -1375.

[8]CHANG Chih-yuan.Simu lation ofmold filling in simultaneous resin injection/compression molding[J].Journal of Reinforced Plastic and Composites,2006,25：1255-1268.

[9]CHEN Shia-chung,Chen Yung-cheng,Peng Hsin-shu,et al.Simulation of injection compression molding process, Part3：Effect of process conditions on part birefringence [J].Advances in Polymer Technology,2002,21(3)：177 -187.

[10]ISAYEV A I.Injection and comp ression molding fundamentals[M].USA：Library of Congress,1987：264-265.