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加工条件对注射成型收缩的影响 K. M. M. 文特大学 机械工程系 恩斯赫德，荷兰 对 7种常见的热塑性聚合物进行了加工条件对模具收缩的影响的系统研究。然后得之，压力是关键参数。熔体温度的影响并不是那么重要。注射的速度和模具的温度对于所有聚合物都没有显示出一般趋势。这 已经表明，至少对于无定形聚合物，简单的热弹性模型可以描述所有的实验结果。对于半结晶材料，该模型过度预测了收缩。 引言 本文的目的首先是介绍加工条件对成型产品尺寸影响的系统研究结果。 第二个目标是表明出所有的收缩数据通过一个简单方程完美的表述了收缩与局部压力的历史相关联。 该研究使用七种普通树脂，即 且系统地改变保持压力、注射速度、模具温度和熔体温度。 一般来说，我们可以看出注射成型中的三种收缩方式：模内收缩（在极端情况下可能出现的加工过程中的收缩），模制收缩（刚开模后的收缩率，有时称为“模具收缩率” ）和收缩后（作为物理老化、再结晶等存储期间的时间效应）。 在这里，我们将重点放在成型收缩，简而言之，关于收缩后效应，模内收缩在其他地方详细讨论（ 1）。 在过去的表格或图中（ 2）用于校正模具设计过程中的产品收缩。然而，随着对产品公差的要求越来越高，需要更多的准确信息。 最近的实验研究表明，注塑产品的成型收缩受加工参数以及模具几何影响（ 3所有研究得出结 论，压力是影响收缩的最重要参数。 较高的保压压力设置可以减少所有方向的部件收缩。 第二个最重要的参数是注射温度（ 3 通常可以看到增加注射温度以减少收缩（因为更好的压力传递）。 一些作者报道，随着模具温度的增加，收缩率增加（ 3,4,6,8），而另外一些则得出不同的结论（ 5,9）。 增加保持时间总是减少收缩，直到在浇口冻结时间（ 3， 4， 10， 11）发生平衡。 在大多数研究中，考虑了矩形板或拉伸筋。 例外是中心浇口圆盘模具（ 12,13），箱模具（ 14）和带有孔（ 15,16）的平板。 在少数情况下，几何被认 为是一个变量（ 17 几何可能会以两种方式影响收缩。 首先，几何形状可能会影响流动，从而导致收缩各向异性的取向效应（无论是孪晶相，结晶相还是填料颗粒）。 第二，几何约束（肋，凸起等）影响收缩边界条件。 这些影响在别的地方讨论（ 1,10,13,17,18,20 沿流路的收缩变化通常与局部腔压力直接相关（ 3,11,17,18,20）。对于半结晶 3,20）和 17,20），其长度和宽度收缩变化不同。在大多数情况下，宽度收缩率略大于长度收缩率，唯一的例外是托马斯对 20）的测量，其中靠近门长收缩率大于宽度收缩率，并且远离门极，反之亦然。 （ 17）报道，对于无定形聚碳酸酯，可以检测长度和宽度收缩率之间的差异。对于填充纤维的树脂，总是报告流动方向上的收缩与宽度方向（宽度）之间的大的差别（例如， 6,18,19,23）。典型的长度收缩值总是接近 而横向收缩率接近未填充树脂的收缩率。与平面内收缩相反，在文献中令人惊讶的是在厚度收缩测量之间没有一致。对于类似的成型条件，一些作者报告了与平面内收缩相同数量级的厚度收缩率（ 20），而另外一些则提到厚度收缩率比长度和宽度收缩率大（而且在 某些情况下相反） 109,24）。这些观察结果的可能解释是压缩聚合物的弹性膨胀是由于腔体压力（ 9,10,22），填料（ 10,11,22,24）中的模具的弹性变形，在高压力下闪烁（ 12），较厚的条（ 19）中形成的空隙或厚度方向（ 6）上的更大的热梯度。实际上，厚度收缩最可能由前三种效应的组合决定。 在大多数研究中，生产后 24和 48小时之间测量收缩（ 25）。然而，众所周知，由于物理老化或重结晶作用，收缩期间（缓慢地）收缩（ 5,8,26,27）。由于这些是自我延迟的过程，收缩必须与时间的对数成正比（ 26） 。 作为处理影响收缩的参数的第一个尝试，采用统计分析方法根据有限数量的实验的收缩数据构建经验拟合函数（ 3,5,8,20）。很明显，通过这种方法，预测仅限于具体的测试几何和测试窗口。此外，这种“模型”没有任何物理意义，难以用于解释。 尝试了解注射成型收缩的一个更好的方法是将模具视为封闭空间，设置材料平衡，并计算模具中积聚的质量。然后从 （ 7,12,24）得到体积收缩率。一般来说，这些模型使用 方程与计算的温度和压力历史相结合，以获得最终体积产品收缩率。该方法的缺点是在流动，横向和厚度方向的收缩之 间不能区分。然而，实际上，众所周知，厚度收缩率可以比面内收缩大 5 至 10 倍，并且由于填料或结晶效应，流动和横向收缩可能不同。商业代码如 们可能忽略压力引起的应力，因此也是下一节中概述的凝固压力项。这可能是预测和测量的收缩之间经常令人惊讶的大的差异的可能原因（例如， 12,14,15,17）。 最近提出了三种收缩模型。 22,28）提出了一个简单的热弹性模型，考虑了压力效应和泊松膨胀对厚度收缩的影响，但忽略了粘弹性效应。其平面内收缩的最终方程与 4）提出的半经验模型相似。收缩预测的完整粘弹性理论由 21,29）给出，然而本文讨论了热弹性模型。 理论 在热弹性模型中探索的想法是，在凝固过程中，不会发生松弛和蠕变，并且一旦温度降到凝固温度以下，应力开始积聚。在凝固期间被抑制收缩的产品将由于热和结晶收缩而产生拉伸应力。此外，应考虑压力影响。在压力下固化的层相对于大气条件被压缩。如果喷射后自由膨胀，则会在凝固过程中与压力成比例地膨胀（表示为 。由于所有层都在不同 的压力下固化，所以产品与间隙平均凝固压力成比例膨胀， 数学表达式省略 。这种效应可能平衡甚至超过热和结晶效应。分别表示为 局部平面内和厚度收缩，可以表示为（ 22,28） 和 这里 和 代表线性膨胀和压缩性，凝固温度 ， 忽略了数学表达式 和 =（ S - R / 3 的最大值结晶收缩。方程式清楚地显示了平均局部压力平衡对热和结晶收缩的膨胀效应。注意，等式 2中的第二项在每个层的凝固时刻（表示为 和喷射时刻 t之间进行评估。因此，厚度收缩方程式包含与刚刚排出前的压力成比例的项，并考虑到由于非压力造成的材料膨胀。式 2中的最后一项是模具变形项由刚度常数和闸门冻结压力组成 22。如果模量显示出比厚度更强的变化，那么方程变得稍微复杂一些（ 23）。 实验 实验在具有标称尺寸为 120 300 膜门式矩形腔的 175 吨 具配有三 个压力传感器，分别为 14 150286 9 个热电偶。使用数据采集系统记录所有压力，温度和螺杆速度数据。在两个半模之一上刻有覆盖整个产品的 10 厚度为约 5 m。用斯特拉斯曼移动显微镜仔细测量所有网格点之间的距离，并作为参考。然后获得实验收缩 单个长度测量之间的散射证明为大约 15 m。因此， 30至 50收缩误差，这被认为是我们目的可接受的。标准测量程序包括以传感器 品的中间）为中心的四个网格点的坐标和相隔 50 毫米的坐标。使用这些数据计算两个长度和两个宽度收缩值。对每个成型条件的 3 至 5个产品重复该过程。最后，所有的收缩率平均得到每个成型条件的单一长度和宽度收缩值。所有产品储存在 23， 50 空调房间中，并在生产后两天测量。对于一些 产品，以增加的时间间隔重复测量以评估时间的收缩变化。 所使用的材料是四种无定形树脂（ 两种半结晶材料（ 其中 可用于 30玻璃填充级。材料列于表 1 中。在获得可靠的热膨胀系数和压缩性系数的数据中，注意获得可靠的 表 1 的表格数据 ，因为这些数据显然是该模型的关键参数以上。各种数据源之间的协议往往很差。事实证明，对于大多数材料来说， 和 的报告值的标准偏差约为实际值的 10。在表 1 中列出了平均值。在文献数据不一致特别大的情况下，在我们自己的实验室进行了 额外的测量。可压缩性的测量在含有硅油的压力池和含有两个应变仪的样品中进行。考虑了压力对应变计影响的校正（ 36）。 改变的加工条件是保持压力（ ，螺杆速度（ V），熔融温度（ T）和模具壁温度（ 。保持时间（ 和冷却时间（ 保持恒定。所有条件列于表 2中。每个参数的标准条件均加下划线。 结果 流路的影响 为了检查沿流路的收缩均匀性，测量长度和宽度的收缩率是 图中可以看出。如图 1所示，非晶材料 能检测到显着的各向异性效应。对于半结晶型收缩率相当大，并且在流路附近从门附近的 化到 3。在门附近，长度收缩稍大于宽度收缩。对于 向异性效应大得多且沿着流路变化。在门附近，长度收缩比宽度收缩大约 1，而在流动结束时反之亦然。请注意，这与 P（ 20）的观察结果相似。 表 环境条件下）。 据来自于 据库。 重要的来源是 27,3049。具有“ *”的数据在我们的实验室测量。 对于 一 和 第 二 值 分 别 参 考 流 量 和 横 向 。 表 下划线值请参阅标准设置。 上市压力和速度是机器设置。 要获得螺丝头前面的实际压力 必须乘以 体前沿速度通过乘积乘以 得。 成型条件的影响。 在图 3，所有非晶材料的收缩率作为加工条件的函数作图。符号是指测量的长度（十字）和宽度（三角形）的缩小，而全部行表示计算的收缩率（将在下一节讨论）。可以做出以下观察。首先，收缩率在 间变化。第二个观察结果是提高保持压力和熔融温度都会降低产品收缩率。注射速度和模具温度对收缩影响不大。对于半结晶材料，情况略有不同。现在包装压力似乎是对收缩影响最大的参数。所有其他参数没有显示明确的效果，正如其他研究报告（见上一节）。 玻璃纤维对收缩的影响 该效果在图 1 中更详细地示出。显然，添加短玻璃纤维对长度收缩（从约 3至 缩率的下降）具有显着的影响。此外，对宽度收缩的影响是相当大的（减少约 。接下来，我们看到保持压力仅影响宽度收缩，而长度收缩率不受保持压力的影响。注射速度对宽度收缩影响很小，对纤维增强 长度收缩影响很小。 后成型收缩 收缩变化记录在最少四十年的时间内，从生产 20 分钟开始。时间的收缩变化（通常约 ）显示在下表 3 中。在 情况下，记录重量，以确保在储存期间不会吸收水分。 热塑性模型的验证 收缩预测通过使用等式为了避免压力计算中的误差掩盖了方程 1的验证，我们决定使用测量的压力分布来计算凝固压力 Z）（来自 P（ t）和 t）。在这样做的时候，一个隐含地考虑到包装过程中质量流量的影响。收缩计算的重点在于实际的腔体压力。 通过数值求解包括对流和耗散效应但忽略结晶效应的二维热问题得到固化层生长 t）。壁温和热参数被认为是恒定的。热参数列在表 4中。对于所有实验，仅使用一个结晶度值，因为间隔平均结晶度与处理条件没有太大变化（ 37）。 或者，固化层生长可以从以下分析近似得到（ 38） 这里 表示无量纲时间， 是 限在这里事实上，事实证明，使用公式 5而不是数字获得的层增长导致计算的收缩率只有微小的变化。 计算的收缩的结果包括在图 1 和 2 中。 3 和 4 作为实线。事实证明，对于无定形材料，计算的收缩几乎完全对应于所有实验条件的测量收缩率数据。对于半结晶材料，对应关系较差，而且收缩过度预测。此外，收缩预测不遵循随着持续压力和注射速度增加的实验观察趋势。 讨论 主要观察结果是，这里考虑的简单热弹性模型很好地预测了无定形材料的收缩。可以预测，随着这些数据模具收缩率的事实清楚地证明，玻璃化转变范围中的最终松弛现象对最终的收缩没有任何影响。因此，我们现在可以说，对于无定形材料，模具收缩现象是很好理解的。 图 1。测量面内收缩变化沿流道三材料。交叉和三角形分别是指长度和宽度的收缩。图表二：测量的高密度聚乙烯沿流路的面内收缩变化。横向和三角形分别指长度和宽度收缩率。 表 3。在本研究中考虑的所有材料的标准条件的时间收缩率 % / %。 表 4。热性能和结晶材料的参数。 1） 别是 142和 99 J / g 2） 度测量。 对加工条件对收缩的影响 图表三：在平面收缩作为一个函数处理参数为四的非晶材料。十字架和三角形指长度和宽度分别绘制的线收缩，完全对应的预测根据图 1。 图 4：跟图 3一样。但是现在对于的半结晶材料，全短虚线无符号指根据图 1长度和宽度的收缩预测。 工艺条件对收缩率的影响 图 5：在未填充 线）和 30%玻璃纤维填充 线内衬）左平面收缩：包装压力的影响： 右：注射速度的影响。 老化条件： 23， 50%湿度。对于半晶体材料，情况是不同的。虽然该理论旨在处理结晶相的收缩，但是这里所采用的方法显然不能导致令人满意的收缩预测。回想一下，由于使用实际的保持压力来计算收缩，因此隐含地校正了通过结晶的额外质量流量对收缩的可能影响。因此，必须找到不同的解释。通过检查收缩与压力图可以获得一些洞察力。通过外推到零保压，可 以获得在环境压力下固化的板坯的收缩率的估计。通过与公式 1进行比较，显然这应该对应于热收缩和结晶术语。另一方面，收缩对压力曲线的斜率与线性压缩率成比例 。对于未填充的 如，热收缩和结晶贡献似乎预估的很正确，然而压缩性可能太小。事实上，如果线性压缩率将是十倍以上，则可以获得对所有成型条件的极好适合性。 我们有理由相信，对于大多数使用结晶材料的实验，产品并没有保持固定在模具中，并在完全凝固之前开始收缩。然而，在导致方程式 1的推导中，产品被认为保持固定。因此，预期受限产品的实验应该产生更接近预测的收缩结 果。或者，可以使用模内收缩分析（ 1,22）来获得更可靠的预测。 此外，对于纤维填充 度收缩的压力项被低估。对于长度收缩，另一方面，测量的可压缩性是正确的，但现在初始值被高估了。这个过高估计的最可能的原因是对于结晶术语来说太大的价值，因为热收缩要小得多并且比较好理解。实际上，没有理由（剪切诱导）结晶不应该引起各向异性收缩，就像其他膨胀项一样。当然这是三个独立方向测量结晶收缩的实际问题。另外一个并发症是纤维最可能增强剪切诱导结晶（ 39）。 考虑到表 3中的后成型收缩率，我们观察到所有收缩率都相对较小。例如 ，聚碳酸酯样品在生产后的第一天和 100 天后经历额外的收缩率仅为 聚碳酸酯和聚苯乙烯的数据与 人很好地对应。（ 27）在室温下报告与比， 体积收缩率是三倍。 宽度收缩负数落在测量不确定度之内。 结论和未来的工作 注塑产品的收缩受保持压力和熔体温度的影响最大。这些参数的增加导致收缩减少。注射速度和模具温度对收缩的影响要小得多，对于每种材料都是不同的。在这里使用简单的热弹性模型来解释测量结果被认为可以为所有无定形材料提供高度可靠的预测，而没有任何可调参数。对于半结晶材料，收缩率过度预测，这都归因于模内收缩效应。 致谢 作者承认 财务支持，陶氏化学公司和飞利浦 意地提供大部分材料。特别感谢 们都为这个项目做出了贡献。 参考文献 1. K. M. B. G. . S 4 (1997). 2. D. . nd p. 484, 1995). 5,1511(1995). 4. 0,817 (1994). 5. et 38,977(1992). 6. et 37,301(1991). 7. 25
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