基于CAE的變模溫注射成型數(shù)值仿真

0 引 言

隨著家電、通信、消費電子、汽車內飾和光電等產業(yè)的發(fā)展,消費者對塑料制品提出壁厚更薄、結構更復雜、表面更美觀以及強度更高等要求.傳統(tǒng)的注塑成型技術通常采用恒定模溫控制技術,但低模溫會導致聚合物熔體在充模流動過程中提前冷卻,從
而在型腔壁形成冷凝層,阻礙熔體的成型,降低熔體的充模能力,難以應用于成型透明度較高的光學產品、表面具有微結構的塑件以及強度較高的復合材料制品等.同時,聚合物熔體過早冷卻還將導致塑件表面產生熔接痕、流動痕和凹陷等表面缺陷,極大地降低產品的表面質量,需要用打磨和噴涂等后續(xù)工序加以掩蓋,不僅增加生產成本和能源消耗,還會污染環(huán)境,危害操作人員的健康.提高模具溫度后,雖然可以提高產品表面的外觀品質,但容易產生翹曲、下陷和尺寸精度不夠等現(xiàn)象,同時延長成型周期,增加生產成本.

在注塑成型過程中,對填充過程進行數(shù)值模擬可預測實際注塑過程中可能出現(xiàn)的缺陷、優(yōu)化模具結構設計、調整工藝參數(shù)和有針對性地制訂解決方案,達到減少材料浪費、降低生產成本、提高產品質量和市場競爭力等目的.

1 變模溫技術原理

變模溫技術又被稱為快速加熱冷卻技術,其基于動態(tài)的模溫控制方式,根據(jù)不同工藝階段的特點和要求隨時調整模具溫度,從而解決常規(guī)注塑工藝存在的熔接痕、噴射痕、流動痕、翹曲和浮纖等缺陷.在熔體充填型腔階段,在冷卻水路中通入高溫蒸汽
或高溫油提高模具溫度,從而提高熔體的流動性,大幅提高成型制品的品質,使熔體填充到普通注塑成型不易填充的區(qū)域;同時在冷卻階段,通過通入冷卻水迅速降低模具溫度,減少冷卻時間,縮短注塑成型周期,從而在不影響注塑生產效率的基礎上,徹底消除熔接痕、流動痕和凹陷等缺陷,有效提升塑件表面的光澤度,提升注塑件的品質,省去對環(huán)境污染嚴重的二次噴涂等后續(xù)工序.目前,變模溫技術主要用于薄壁注塑成型、高光注塑成型和微特征產品等.現(xiàn)有的變模溫技術主要有快速加熱冷卻(rapidheatcyclemolding)、脈沖式冷(pulsed?cooling)和水管溫度的冷熱切換等,但仍較多采用傳統(tǒng)的冷卻方式,即利用冷卻管道中的冷卻介質以熱傳導的方式將熱量帶走,其加熱技術主要有蒸汽式加熱、電熱式加熱[6]、火焰加熱[7]、氣體加熱[8]、感應加熱[9]和紅外線加熱[10]等.

2 研究方法

2.1 基礎建模

采用SolidWorks繪圖軟件,構建填充模型,見圖1.該模型中,經(jīng)澆口進入型腔的兩股流動的熔體相碰撞,使熔體分子鏈沿厚度方向而不是沿充模主流方向上取向,從而在圈出部分形成熔接痕.在Rhinoceros中對模型進行網(wǎng)格前處理,設定initialmeshsize為0.8,節(jié)點數(shù)為36291個,三角形網(wǎng)格單元數(shù)為12874個,四面體實體單元數(shù)為86227個(與SHELL網(wǎng)格相比,SOLID網(wǎng)格能更好地模擬熔體在型腔中的流動波前,故采用SOLID網(wǎng)格).冷卻水路布置以及參數(shù)設定見圖2和3,冷卻水路的直徑為8mm.

圖1 基礎建模 圖2 冷卻水路布置

圖3 冷卻水路參數(shù)設定

2.2 模型參數(shù)

模型塑件尺寸為30.00mm(長)×28.00mm(寬)×3.00mm(厚),模具尺寸為37.22mm×35.23mm×31.18mm,模穴體積為1.3047cm3,模座體積為36.124 9 cm3,冷卻水管體積為
3.45185cm3.所用材料為ABS_POLYLACPA756S
(CHI-MEI).

2.3 需解決的問題

采用傳統(tǒng)注塑方法單澆口進澆時,因產品壁厚較薄,易在熔體對接區(qū)域產生熔接痕,熔接痕的出現(xiàn)將降低該處的充模質量,進而影響該處的力學性能.為提高澆口處和熔接線處溫度,設定如圖2所示的冷卻管路布置,一方面可延緩澆口固化、增加保壓補
縮,另一方面可提高熔接線處熔體的溫度,提高該處的力學強度.

2.4 黏度

流體流動阻力隨黏度變化,黏度越高,流動阻力越大,流動越困難.對一般熱塑性塑料,黏度是塑料成分、溫度、壓力和剪切率的函數(shù).就溫度效應而言,熱塑性塑料的黏度一般隨溫度升高而降低;就剪切率的效應而言,剪切率越高,代表加工變形的速率越大.高分子鏈被排向,使大部分塑料具有黏度隨剪切率升高而下降的切變致稀性.

2.5 PVT關系

塑料的質量體積或密度是相對狀態(tài)、溫度和壓力等的函數(shù),一般而言,可利用狀態(tài)方程式或PVT方程式進行定量計算.模式參數(shù)由試驗取得,代入此類經(jīng)驗公式中即可求得塑料在某溫度和壓力下的質量體積或密度值.ABS_POLYLACPA756S材料的黏度和PVT關系分別見圖4和5.

圖4 材料的黏度 圖5 材料的PVT關系

2.6 比熱容和熱導率
將單位塑料溫度提高1℃所需的熱量是塑料溫度容易改變與否的度量,比熱容越高,塑料溫度越不易變化;熱導率是塑料熱傳導特性的度量,熱導率越高,熱傳導效果越佳.塑料在加工過程中溫度傾向均勻,不會因熱量局部堆積而產生熱點.熱導率以及比熱容關系到塑料熱傳導、冷卻性質,亦影響到冷卻時間的長短.材料的比熱容和熱導率見圖6和7.

圖6 材料的比熱容 圖7 材料的熱導率

3 分析參數(shù)及結果討論

3.1 分析參數(shù)

在Moldex3D分析軟件中設定的分析參數(shù)見表1,通入蒸汽溫度為200℃.

表1 分析參數(shù)

3.2 分析結果討論

模型中熔接痕位置見圖8.圖9中,由澆口壓力1和2比較可得,與普通冷卻方法相
比,當注射時間相同時,采用變模溫方法將降低澆口壓力,同時會減小熔接痕處的壓力;由澆口壓力2和3比較可得,縮短注射時間將提高澆口壓力,同時會提高熔接痕處的壓力;由曲線熔接痕處壓力1,2和3可得,當冷卻水溫度為40℃時,熔接痕處壓力最高.冷卻水溫度與熔接痕處溫度關系見圖10.其中,1為普通冷卻,2和3均為變模溫,其工藝參數(shù)見表1.在圖9中,由熔接痕處壓力1曲線得,提高冷卻水溫度可提高熔接痕處的溫度;由熔接痕處壓力1和2曲線比較可得,在注射階段通入蒸汽可提高模具局部溫度,即采用變模溫技術可提高熔接痕處溫度;通過查看熔接痕形成時的溫差,可判斷熔接痕的質量,熔接痕處的溫度越接近注射溫度,熔接痕質量越好;熔接痕處壓力越高,溫度越高,制品產生熔接痕處的力學性能越高.根據(jù)圖9和10,當注射時間為0.1s,通入蒸汽時間為0.3s,冷卻水溫度為40℃時,制品熔接痕處力學性能最好、熔接痕質量最高.

圖8 模型中熔接痕位置

圖9 冷卻水溫度與型腔壓力的關系

圖10 冷卻水溫度與熔接痕處溫度關系

4 結 論

(1)數(shù)值模擬可采用數(shù)學方程式描述系統(tǒng)中各變量之間的關系,同時在系統(tǒng)軟件的支撐下研究不同工況下的溫度場,具有準確可靠、靈活多變、速度快等特點;但應根據(jù)實際情況判斷模擬結果的可用性并綜合模擬結果,得出理論最佳注射工況以指導
實際生產.

(2)在分解溫度以下適當提高熔體與模具溫度,較高的模具溫度可使熔體在模具型腔中的流動性增加,但增加熔體溫度和模具溫度會使成型周期延長.

(3)適當提高注射壓力和保壓壓力,適當加快充模速度或減少注射時間,可提高熔接痕處的壓力.

(4)變模溫技術利用蒸汽加熱,使模具表面維持較高溫度,在不影響注塑生產效率的基礎上,消除熔接痕、流動痕和凹陷等缺陷,有效提升塑件表面的光澤度,提升制品品質.