木塑复合材料3D挤出成型方法及数值模拟分析.pdf

第 4 4卷第 l 1期 2 0 1 6年 1 1月 塑料工业 CHI NA P L AS T I CS I NDUS T RY 木塑复合材料 3 D挤出成型方法及数值模拟分析 唐跃，王晓峰，刘春晖 ( 青岛科技大学机 电工程学 院，山东 青 岛 2 6 6 0 6 1 ) 摘要 ：针对木塑复合材料 3 D成型 ，在合适挤 出参数的控制下 ，实现挤 出喷嘴 口径 的 自适应变化 ，从而节约时间 、 节省成本和改善制品质量。运用数值模拟的方法 ，分析了常用的聚丙烯基木塑复合材料在挤出和成型过程中的温度、 速度 、压力等参数的变化规律 ，并且根据温度的变化规律来判断物料熔接是否良好 ，进而指导生产。 关键词 ：木塑复合材料 ；3 D成型；喷嘴口径；数值模拟 d o i ：1 0 3 9 6 9 j i s s n 1 0 0 5 - 5 7 7 0 2 0 1 6 1 1 0 1 4 中图分 类号 ：T Q 3 2 0 6 6 文献标 识码 ：A 文章编号 ：1 0 0 5 - 5 7 7 0 ( 2 0 1 6 ) l 1 0 0 5 9 0 5 S i mul a t i o n Ana l y s i s o n 3- D Ex t r u s i o n W e l d i ng o f W PC Fo r mi ng TANG Yu e， W ANG Xi a o f e n g， L I U Ch u n h u i ( S c h o o l o f M e c h a n i c a l a n d E l e c t r i c a l E n g i n e e r i n g ，Q i n g d a o U n i v e r s i t y o f S c i e n c e&T e c h n o l o g y ，Q i n g d a o 2 6 6 0 6 1 ，C h i n a ) Ab s t r a c t ： Th i s p a p e r de s c r i b e d 3 一 D mo l d i n g wi t h wo o d p l a s t i c s u n de r s u i t a b l e e x t r us i o n p a r a me t e r s c o n t r o l l i n g t o r e a l i z e a d a p t i v e c h a ng e s o f e x t rus i o n i n t h e d i a me t e r o f no z z l e， t h e r e b y s a v i n g t i me a n d c o s t a n d i mp r o v i n g t he q u a l i t y o f p r o d u c t s By us i n g n u me r i c a l s i mu l a t i o n me t h o d， i t a n a l y z e d t h e v a r i a t i o n r e g u l a r i t y o f t he c o mmo n l y us e d p 0 l y p r o p y l e n e wo o d f i b e r c o mp o s i t e s i n t h e e x t rus i o n a n d mo l di n g p r o c e s s a b o u t t e mp e r a t u r e ，s p e e d ，p r e s s u r e a n d o t h e r p a r a m e t e r s ，a n d m a t e r i a l s w e l d i n g w a s j u d g e d f r o m t h e t e m p e r a t u r e v a r i a t i o n t o g u i d e t h e p r o d u c i n g f u r t h e r Ke y wo r ds： Wo o d Pl a s t i c Co mp o s i t e s ；Th r e e d i me n s i o n a l Mo l d i n g； No z z l e Di a me t e r ； Nu me r i c a l S i mu l a t i o n 近些年 ，3 D打印技术是学者们研究 的热点 ，其 中熔融沉积制造技术 ( F D M)具有制造 简单 、成本 低廉 、成型容易 、维护成本低等优点 ，因此其在 国内 外的研究和运用最 为广泛 l 。但这种 方法采用 的原 材料必须是热塑性树脂且形状要求丝状或条状等连续 形态，这使得一些粒状和粉状的原材料应用这种方法 成型受到 了限制。木塑复合材料 ( WP C)是一种 可 回收利用 、可生物 降解 、对环境友好 的新型绿色材 料 ，其制品兼具塑料和木材 的优点 ，已经被应用于很 多领域 ，但其制 品多为挤 出片材 、型材 等 J 。将挤 出技术应用于 3 D成 型中，一方面扩大 WP C成 型范 围，另一方面使得多元混合材料应用于 3 D成型技术 中。本文着重探索在 打印喷嘴 口径动态可变 的前 提 下，通过有限元分析 ，研究在挤出过程中，材料的物 性参数和外部因素对 WP C熔接性的影响。 1 熔体 流动速率实验 1 1 原 材料 及仪 器 聚丙烯 ：粉 料 ，美 国 C a i n化学 公 司；木纤 维 、 一 氨丙基三乙氧基硅烷 ( K H 5 5 0 ) 、马来 酸酐接枝聚 丙烯 ( P P g MA H) 、滑石粉 、抗氧化剂 1 0 1 0 ：市售。 塑料熔融指数测定机：G T 7 1 0 0 M I ，高铁科技 公 司 。 1 2 WP C试样的制备 利用硅烷偶联剂 K H 5 5 0分别处理滑石粉和木纤 维 ，再在干燥箱中烘干。分别按配比将 P P 、木纤维、 P P g MA H、抗氧化剂 1 0 1 0 、滑石粉等在高速混合机 中充分混合 l O1 5 mi n 。 1 3实验方 法 为确定材料的加工流动性 ，保证在合适的加工温 度下成型木 塑材料 ，以 P P材料熔体 质量流 动速率 ( MF R)作为 3 D挤出成型时的施温依据。在标准负 载为 2 1 6 k g 、切割段所需时间为 1 0 S 的实验条件下 ， 求得实验数据如表 1所示 。可知 ，温度在 1 7 01 9 0 变化的过程 中，材料 的流动性 随温度 的升高而升 高 ，加工成型性也更好 。 作者简介：刘春晖，男，在读硕士研究生，研究方向为高分子材料加工机械。 6 0 塑料工业 2 0 1 6正 表 1 不同温度下实验材料的熔体质量流动速率 Ta b 1 M e l t fl o w i n g r a t e a t d i f f e r e n t t e mp e r a t u r e s 2 挤 出机理及模拟连续性说 明 2 1 挤出机理及条件 成型过程是直接挤 出物料进行成型 ，其物料挤出 量用螺杆挤出产量公式 ( 1 )计算_ 3 。在螺杆直径一 定时，改变螺杆转速 ，进 口流量就会变化 ，出口的压 力和速度相应地就会改变 ，这样利用 出口压力和速度 的变化来实现喷嘴口径的动态可调。 1 G 卢 D 3 n ( 1 ) 式中，G 一产量 ，k g s ；D 一螺杆直径 ，e n l ；凡 一螺杆 转速 ，r mi n ；J B 一产量系数 ，0 0 0 3 0 0 0 7 。 图 1 机 头示 意图 F i g 1 Di a g r a m ab o u t t h e d i e 木塑 3 D挤 出成型的挤 出机头设计 如图 1所示。 图中，d为设计变量 ，本模拟采用 d=1 、3 m m 的喷 嘴来实现物料的成型。在挤 出 3 D成型过程 中，机头 部分固定而下模板能够准确执行且要求各个参数共同 决定成型层厚度 。根据挤 出熔料量和成型堆积的物料 量相等关 系 ，可以确定成型厚度关系式 ( 2 ) ，其经 简化得公式 ( 3 ) 。 1 4 1 T d m t = h d t ( 2 ) h =1 4。 7 r d ( 3 ) 式中，d 一 喷嘴 口径 ；t 一 成 型时 间；h 一 成型 层厚度 ； 一 机头出E I 速度 ； 一 下模板移动速度。 2 2 挤 出模拟和连续性说明 选取半径为 5 0 mm、角度为 6 0 。 、高 2 m m的扇 形薄板做为模拟成型模 型。成型时，外边框 比内部填 充更需高 的精度 ，因此外边框 成型时 口径直径 调为 1 m m，而内部填充时 ，变化 口径为 3 m m直至成型完 成。在模拟分析时，根据物料挤 出的连续性 ，现以每 1 0 m m为一个分析单元 。此分析可分为图 2所示三个 过程 。 这三个步骤中，由于以后各点的传热分析对之前 影响很小 ，所 以只分析前三个单元 ，图 C中成型完第 一 层后又再开始第二层 的成型工作 ，以此类推直至结 束 。模拟结果取具有代表性的 3对单元体来分析其温 度变化规律并讨论熔体熔接性 的优 良。分别与单元 1 相互 接 触 的单 元 1 6 、1 7 、2 0构 成 上 述 3对 单 元 ： ( 1 6 ，1 ) 、( 1 7 ，1 ) 、( 2 0，1 ) ，如图 d所示。 开 a 一 外 框成 型 b 一 内部填充 c 一 第二层外框成型 d 一 模拟单元 编号 图 图 2 成型增材轨迹设计及单兀编号 图 F i g 2 P a t h d e s i g n o f i n c r e a s i n g ma t e r i a l a n d u n i t n u mb e r i n g 3 挤 出分析模型 3 1 机头物料挤出模拟 为了解 成 型 中各 性 能 参 数 的影 响 规律 ，利 用 F l u e n t 模拟熔体挤出并记录数据。影响熔融物料在机 头内部流动时的参数有 ：出口速度、温度 、压力 。 1 )熔体假设条件 实验材料为非牛顿不可压缩流体 ；忽略惯性 力和重力对熔体流出时的影响；出口的压力满足挤 出需要 ；熔体挤 出为层流和稳流状态 ；熔体流变 特性满足 B i r d C a r r e a u本构方程 。 2 )物理假设条件 挤出熔体设为 1 8 0 oC， 模拟入口流量根据公式 第4 4卷第 l 1期 唐跃 ，等：木塑复合材料 3 D挤出成型方法及数值模拟分析 ( 1 )计算 ， 1 J 口为零压力 j J 口；熔 体与机筒 内壁 无滑移，即接 触处速度 为 0； 机简材 料选用 不锈 钢 ，环境温度设 为2 6 8。 【 = 。 3 )材料性能参数 表 2 P P流体性质参照表 T a l 】 2 R e fi r e n o e t a b l e o f fl u i d p h y s i c a l p r o p e r t i e s 参 考表 2 ，通过分析运算 ，得到螺杆转速分别为 1 0 、1 5 r m i n时的速度场和压力场分 布 ，如 图 3所 示。根据 云图 示，其速度由进 口到出 口依次增加 ， 但进 口处的速度几乎为零 ，而 出 口处 的速度急剧增 大。相反 ，压 力变化由进到 f 依次减小，在进 口靠近 壁面处最大 ，这是 因为进 门处的一段距离是锥形 ，熔 体流动受到压缩 ，所以逐渐增大。由数据得知 ，当 t = 1 0 r m i n时 ，出 口处 的速 度 区 间 为( 0 0 2 3 9 5 ， 0 0 2 7 8 5 )m s ，压力区间为 ( 0，7 5 3 9 5 5 )P a ；当 n =l 5 r m i n时，速 度 区间是( 0 0 4 5 7 ，0 0 4 9 1 ) m s ，压力J x问 为 ( 0，8 4 1 0 2 8)P a 。可 见，当转 速增加时 ， 口处的速度和压力会有所增加，从而证 明先前 根据 调 节转 速 来实 现 口径 的变 化是 可 以实 现 的 a 一 速度 云罔 ( n =i 0 r m i n ) C - 速度 云图 ( ， l =1 5 r m i n ) d 一 压力云图( n =1 5 r m i n ) 图 3 不 同螺杆转速下的分析云图 F i g 3 Co n t o ur s o f v e l o c i t y a n d p r e s s u r e a t d i f f e r e n t a n a l y s i s c l o u d i ma g e s 由表 3数据可知 ，当口径发生变化时 ，会直接影 响成型所用时间的长短和单位时间内成型面积 ，进而 影响成型效率。 表 3 各成型参数统计表 T a b 3 S t a t i s t i c s l i s t o f e a c h mo l d i n g p a r a me t e r s 3 2物料成型熔接性分析 在成型过程中，熔接性不佳可能会影响制品的质 量和外观。本文主要 以温度的变化规律作为熔接性好 坏的判定依据和讨论产生熔接不良的原因，同时找出 可以改善的有效方法 ，其 中加工温度、环境温度 、对 流换热系数以及材料 自身的物性都是影响因素 J 。 3 2 1 熔体假设条件 1 )实验材料为非牛顿不可压 缩熔体 ；2 )动模 板假设是隔热材料 ，只有接触空气的产生对流换 热； 3 )出口压 力满 足挤 出需 要 ，出 口熔 融料呈 扁平 状 挤 出。 3 2 2 实验参数记录 图4 第一层单元间温度稳定后云图 Fi g 4 Cl o u d i ma g e o f t h e f i r s t l a y e r un i t s whe n t e mp e r a t u r e s t a b i l i z a t i o n 由图4可看 出，总体熔接情况较好 ，其中温度变 化最同步的是每个单元的中部区域 ，几乎能够融为一 6 2 体 ，但是在边角处 由于温度迅速下降 ，不能很好地实 现温度变化一致性 ，容易产生 明显 的熔结痕，影响制 品的层接质量和外观。 为得出两个接触单元 的温度变化规律 ，单元 1 在 1 6个单位时间 ( 每个单位时间为 0 2 8 3 S )过后 ，与 单元 l 6接触面的平均温度下降为 1 4 5 7 4 o C，而与单 元 1 7接触面的平均温度降为 1 5 1 1 5 。此时外 圈成 型完毕 ，喷嘴直径变为 3 m m继续成型。 中间物料填充 6 O个单位时间后 ，单元 1的上表 面温度降为 1 0 9 4 8。此 时，中间的填充任务到此 完成 ，动模板下降一个规定高度 ，同时喷嘴口径再次 变为 1 m m进行第二层 的外框成型 ，此过程 中各个需 要记录的温度点变化规律如图 5所示。 根据以上分析结果 ，可以很直观地看 出，单元 1 在各个时刻与其他单元接触时温度变化情况 ，从而大 致判断出各个接触面的熔接是否优 良。在图 a c中， 单元 1的温度呈 现逐 渐上升趋势 ，单元 l 6 、1 7 、2 0 呈现下降趋势 ，但是 由于各 自开始接触时的温差有很 大不同 ( 单元 1与单元 1 6 、单元 1 7 、单元 2 0分别相 差 3 4 2 6 、2 8 8 5 、7 0 5 2 c 【 = ) ，因此各 自传热程度也 不 同。 在图 5 a中，一个 单 位时 间后 ，各 自的温 度 向 1 7 0左右靠拢 ，由于此时不再有对 流换热 ，所以之 后两条线呈现平行缓慢下降 ，最终在 2 2个单位时间 处两个接触面温度达到相等汇成一条线 ，此时温度是 1 6 3 6 2 ，位于 P P的熔融温度 1 6 0 o C以上。由此判 断其熔接 良好 ，可以保证质量和外观上 的要求。在图 5 b中，两条线在 1 6 0左右达到稳定 ，之后 同步缓 慢下降 ，可以断定此接触面的熔接性也很好 。比较图 a 、b ：第一 ，图 5 a两条 线 的汇合用 时更长 ；第二 ， 单元 1和 1 6的接触面在第 2 2个单位时问后的温度下 降幅度比单元 1和 1 7的大 ，因此单元 1和单元 1 7在 高温 区的相互作用时间更长 ，熔接情况会更加 良好 。 在图 5 c中，时间到达第 6 O个单位时间，第二层 成型工作开始 ，开始时单元 1与单元 2 O温差较大且 之后两个接触面的温度都急剧变化 ，最后围绕在 1 3 5 上下 ，在第 7 7个单位时间两条线汇合 ，此时 的温 度是 1 2 7 9 5且处于物料熔融温度之下 ，较 图 a 、b 汇合用时明显增加且各 自下降幅度很大。由此判断其 熔接不佳 ，可能会产生 明显 的熔 接痕而影 响外观和 强度。 对于熔接不 良，改善的方法有 ：第一，适 当提高 成型件环境温度 _ 6 ；第 二 ，适当降低对流换热系数 ； 第三，根据熔体质量流动速率实验 ，在不影响物料成 型的合理温度范围内，适当提高成型温度 ，即机头和 喷嘴的规定温度 ；第四，合理变化口径大小 ，缩短成 型周期( 成 型一层所用时 间)等方法。对于条件改 善后的熔体熔接情况见图 5 d 。 6 2 66 70 7 4 7 8 时 l 0 2 8 3 S c 一 单元 1 、2 0 d 一 改善后的单元 1 、2 0 图 5 单元 1 、1 6 、1 7 、2 0温度变化规律 Fi g 5 Te mp e r a t ur e c h a n g e r u l e b e t we e n un i t 1 a nd 1 6 对于上述熔接不 良的状况 ，通过适当调整成型参 数 ，可以很 好 地 改善 其 效 果 。其 中，环 境 温 度 由 9 7 5 3 1 p、 嗫 第4 4卷第 1 1 期 唐跃，等：木塑复合材料 3 D挤出成型方法及数值模拟分析 6 3 2 6 6 c lC 升 至 3 O；对 流换热 系数 由原来 的 1 5 W ( m )降至 1 0 W ( IT I ) ；第二层加工时 ，喷 嘴温度升至 1 9 0 c c。由 d可知，在接触后的 2个单位 时间内，温度的变化趋势相对较大 ，之后变化平稳且 围绕在 1 5 5 1 6 5之间，在第6 8 个单位时间时两条 线汇合缓慢下降。相 比 c 有明显改善 ，单元 1的最高 温非常接近物料熔融温度达到 1 5 9 4 2而且 曲线下 降的幅度更小 ，物料可 以有更长时间停 留在高温区域 实现熔接物理反应 。 4结论 1 )在木塑 3 D挤 出成型 中，考虑各层之 间熔接 不 良分层现象，运用 w o r k b e n c h对成型过程进行了瞬 态热分析 ，模拟 了接触面温度场 ，预测熔体熔接效 果 。模拟结果表明：不 同口径的喷嘴所挤 出的成型物 料之间的相互熔接要优于同口径之间的。 2 )P P基木塑材料 的成型温度是 1 8 01 9 5， 在成型扇形第一层时喷嘴的温度设定为 1 8 0 ，成型 单元 1与各接触单元可 以很好地实现熔接 ，温度处于 相等时基本都在物料熔融温度 1 6 0左右。 3 )成型第二层时 ，同样的成型条件 已不能满足 熔接优 良的要求 ，须调整成型条件 ，保证达到预想结 果 。经过适当升高成型温度至 1 9 0 c C，降低对流换热 系数至 1 0 W ( m ) ，同时将环境温度适 当增加 至 3 0 ，结果得到 明显改善。 参考文献 1 柳建，雷争军，顾海清，等3 D打印行业 国内发展现状 J 制作技术与机床，2 0 1 5( 3 ) ：1 7 - 2 1 2 牛笑一木塑复合材料及其发展 J 家具与室内装饰， 2 0 1 1 ( 1 ) ：8 8 - 8 9 3 李金钊挤出机的选择 J 中国塑料，1 9 9 2 ，6 ( 2 ) ： 8 6-8 7 4 冯刚螺杆挤出机挤出过程数值模拟研究进展 J 工 程塑料应用 ，2 0 1 2 ，4 0 ( 4 ) ：9 6 - 9 9 5 熊伟 ，李大纲 ，周道宏影响木塑复合材料挤 出成型质 量因素 分析 J 林 业机 械 与木 工设 备，2 0 0 8 ，3 6 ( 7 ) ：1 5 - 1 7 6 屈晨光 ，张师军 ，高达利 ，等环境温度对3 D打印成型 精度的影响 J 塑料工业，2 0 1 5， 4 3( 8 ) ：5 3 5 5 ( 修改稿于 2 0 1 6 0 8 1 0收到 ) ( 上接第 2 2页) 1 3 W A N G X ，S U N H， B A I H ，e t a1 T h e r m a l ， m e c h a n i c al， a n d de g r a da t i o n p r o p e r t i e s o f n a n oc o mpo s i t e s p r e p a r e d u s i n g l i g n i n - c e l l u l o s e n a n o fi b e r s a n d p o l y( 1 a c t i c a c i d ) J B i o R e s o u r c e s ，2 0 1 4 ，9 ( 2 ) ：3 2 1 1 - 3 2 2 4 1 4 L E E K Y，T A N G M， WI L L I A MS C K， e t a1 C a r b o h y d r a t e d e ri v e d c o p o l y ( 1 a c t i d e )a s t h e c o m p a t i b i l i z e r f o r b a c t e r i a l c e l l u l o s e r e i n f o r c e d p o l y l a c t i d e n a n o c o mp o s i t e s J C o mp o s S c i T e c h n o l ，2 0 1 2， 7 2( 1 4 ) ：1 6 4 6 1 6 5 0 1 5 MA R A I S A，K O C H U MA L A Y I L J J ，N I L S S O N C，e t a1 T o w ed a l l a l t e r n a t i v e c o mp a t i b i l i z e r for P L A c e l l u l o s e c o n l p o s i t e s ：G r a f t i n g o f x y l o g l u c a n w i t h P L A J C a r b o h y d r P o l y m，2 0 1 2 ，8 9 ( 4 ) ：1 0 3 8 1 0 4 3 1 6 B O N D E S O N D， O K S MA N K D i s p e r s i o n a n d c h a r a c t e r i s t i c s o f s u r f a c t a n t mo d i fi e d c e l l u l o s e w h i s k e r s n a n o c o m p o s i t e s J C o m p o s I n t e r f a c e s ，2 0 0 7 ，1 4 ( 7 9) ： 6 1 7 6 3 0 1 7P E T E R S S O N L ，K V I E N I ，O K S MA N KS t r u c t u r e a n d t h e r ma l p r o p e r t i e s o f p o l y( 1 a c t i c a c i d ) c e l l u l o s e w h i s k e r s n a n o c o m p o s i t e m a t e r i a l s J C o m p o s S c i T e c h n o l ，2 0 0 7， 6 7 ( 1 1 ) ：2 5 3 5 - 2 5 4 4 1 8 F O R T U N A T I E ， A R M E N T A N O I ，Z H O U Q ，e t a 1 M u l t i f u n c t i o n a l b i o n a n o c o m p 0 s i t e fi l m s o f p o l y( 1 a c t i c a c i d) ， c e l l u l o s e n a n o e r y s t a l s a n d s i l v e r n a n o p a r t i c l e s J C a r b o h y d r P o l y m，2 0 1 2 ，8 7 ( 2 ) ：1 5 9 6 1 6 0 5 1 9 L I N N，H U A N G J ，C H A N G P R，e t a 1 S u r f a c e a c e t y l a t i o n o f c e l l u l o s e n a n o c r y s t a l a n d i t s r e i n f o r c i n g f u n c t i o n i n p o l y( 1 a c t i c a c i d ) J C a r b o h y d r P o l y m， 2 0 1 1 ，8 3 ( 4 ) ：1 8 3 4 - 1 8 4 2 2 0 P E I A，Z HO U Q，B E R G L U N D L AF u n c t i o n a l i z e d c