（化工过程机械专业论文）水辅共注成型过程数值模拟的研究.pdf

摘要 摘要 本研究首次提出了一种新型先进聚合物水辅共注成型工艺，它先由共注成 型机在模腔内填充部分熔体，再由水辅装置注入高压水，使熔体充满整个模腔 并保压，最终制成多层内表面光滑的空心复合塑料制品。这种成型工艺融合了 共注成型和水辅成型的优点，是一种生产高性能、低成本制品的环境友好成型 技术。水辅共注成型技术是最有希望能成为解决未来重大工程材料问题的先进 聚合物多组分成型技术。该成型工艺属于三维、瞬态、非等温多相分层流动成 型过程，由于多相分层流动存在着各分层界面应力之间的相互耦合，使水辅共 注成型过程具有特殊的流动输运规律和动力学特征，其成型机理十分复杂，迄 今为止，国内外尚无有关水辅共注成型的工艺、机理模型和数值模拟方法的文 献报道。本文对聚合物水辅共注成型充模流动成型过程进行了理论和数值模拟 研究，主要取得如下成果： 针对水辅共注成型充模流动的特点，基于聚合物流变学理论，流体动力学、 热力学等，经合理假设，通过体积加权平均的指导思想，建立了描述水辅共注 成型充模流动过程的全三维、纯粘性、瞬态、非等温理论模型，并借助现代c a e 技术，研究开发了水辅共注成型过程的数值模拟算法和数值模拟系统，为指导 生产实践奠定了科学的理论基础。 针对现有水辅注射成型理论模型不能真实反映水穿透动力学问题，基于拟 流体假设，首次建立了能真实反映水辅共注成型过程填水区的压力场、速度场、 温度场及其水穿透动力学的水穿透动力学理论模型，同时避免了原方程固有的 非线性问题，得出了更适于数值计算的水相区控制方程； 基于所推导的水辅共注成型充模流动过程的全三维理论模型，采用 m i n i e l e m e n t 方法、罚函数方法、s u p g 方法等高效稳态混合求解技术，并结合 速度场分析、温度场分析和流体体积分数分析相分离的去藕计算方法，建立了 基于线性插值函数的全三维、瞬态、非等温水辅共注成型充模流动理论模型的 高效稳态有限元数值算法，并提出了水辅共注成型前沿移动界面和分层界面的 纯有限元追踪技术和界面重构技术，有效降低了对计算机c p u 和存储能力的需 求，在现有p c 计算机上，实现了水辅共注成型充模流动过程的高度非线性全三 维多相分层流动大型有限元模拟。 摘要 基于其数值模拟，系统研究了过程参数与聚合物流变性能参数对水辅共注 成型流动过程的影响规律，并揭示了其影响机理。研究结果表明：随着芯层熔 体稠度、芯层熔体流变指数、芯层熔体注射量、芯层熔体注射压力增大，芯层 熔体和水的穿透深度均减小，而穿透宽度增加，而随着注水延迟时间、芯层熔 体注射温度增加，芯层熔体和水的穿透深度均增加。此外，注水温度对芯层熔 体的穿透深度和宽度基本没有影响，而水的穿透深度则随着注水温度增加而增 加。 研究结果表明分支形状制品的水辅共注成型过程易出现单边不平衡填充现 象，当芯壳层熔体的黏度比大于l 时，芯层熔体和水的充填总处于平衡填充状 态，而当芯壳层熔体的黏度比小于1 时，芯层熔体和水的充填总处于不平衡填 充状态。随着延迟时间的增大，分支模型的单边不平衡填充现象的趋势加剧。 采用芯壳层熔体的黏度比大于1 的芯壳层材料组合有利于避免分支形状制品的 水辅共注成型过程出现单边不平衡填充现象。 关键词：水辅共注成型；充模流动过程；流体体积法；热力学模型； 稳态有限元技术；数值模拟 i i a b s t r a c t an e wa d v a n c e dp o l y m e rm o l d i n gt e c h n o l o g yo fw a t e r - a s s i s t e dc o - i n j e c f i o n m o l d i n g ( s h o r t e n e da sw a c i m ) w a sp u tf o r w a r di nt h i sa r t i c l ef o rt h ef i r s tt i m e t h e p r o c e s so fw a c i m i st h a tt h es k i nm e l ta n dc o 他m e l t 黜s e q u e n t i a lp a r t l yi i l j e c t e d i n t om o l db yac o - i n j e c t i o nm o l d i n gm e c h i n e ，t h e nt h eh i g hp r e s s u r ew a t e ri s 画e c t e d i n t ot h ec o r em e l ti nm o l db yw a t e ra s s i s t e dc o n t r o le q u i p m e n ta f t e rs o m ed e l a yt i m e w h i c hm a k e st h es k i nm e l ta n dc o l em e l tm lf u l l ym o l da n dh o l d st h ep a c k i n g p r e s s u r eo fam o l d ，t h eh a l l o wm u l t i l a y e rc o m p o s i t ep l a s t i cg o o d sw i t hs m o o t h i n n e rs u r f a c e si sf i n a l l yp r o d u c e d w a c i mh a st h ea d v a n t a g e so fb o t hc o i n j e c t i o n m o l d i n gt e c h n i q u ea n dw a t e r - a s s i s t e di n j e e t i o nm o l d i n gt e c h n i q u e ，a n di t i st h e e n v i r m e n t a lf r i e n d l yt e c u e q u eb yw h i c hh i g hp e r f o r m a n c e 1 0 wc o s tg o o d s 玳 p r o d u c e d s ot h et e c h n i q u es h o u l dh o p et ob e c o m e lo n eo ft h em o s ta d v a n c e d p o l y m e rm o l d i n gt e c h n i q u e sb yw h i c ht h ef u t u r ei m p o r t a n tp r o b l e m so fe n g i n e e r i n g m a t e r i a lw i l lb er e s o l v e d b e c a u s eo ft h e3 d ，t r a n s i e n t , n o n - i s o t h e r m a lm u l t i p h a s e a n dm u l t i l a y e rm o l d i n gp r o c e s sa n dt h ei n t e r a c t i o no fs t r e s s e so nt h ei n t e r f a c e s b e t w e e l la d j a c e n tm e l t so fw a c i m , t h e r e f o r e ，t h ew a c i mh a si t ss p e c i a lt r a n s p o r t r u l eo ff l o wa n dd y n a m i cc h a r a c t e r s ，w h i c hm a k e si t sm o l d i n gm e c h a n i s mv e r y c o m p l i c a t e d u pt ot h ep r e s e n t ，f e wo fr e s e a r c h e so nw a c i mt e c h n o l o g y , m o l d i n g m e c h a n i s ma n ds i m u l a t i o nh a v eb e e nr e p o r t e da th o m ea n da b r o a d t h er e s e a r c h e so n t h et h e o r e ya n ds i m u l a t i o no np o l y m e rw a c i m f i l l i n gp r o c e s sa r ec o n d u c t e d i nt h i s p a p e r ，w h i c hy i e l d st h ef o l l o w i n g m a i na c h i e v e m e n t s ： o nt h eb a s i so f r h e o l o g y , f l u i dd y n a m i c s ，t h e r m o d y n a m i c sa n ds oo n , r e a s o n a b l e a s s u m p t i o n sw e r ep u tf o r w a r d , t h e3 d ，t r a n s i e n t , p u r ev i s c o u s ，n o n - i s o t h e r m a l m e c h a n i s mm o d e li se s t a b f i s h e dt od e s c r i b et h ep o l y m e rm e l tf i l l i n gp r o c e s so f w a c i m b yu s i n gt h ei d e at h a tv a r i a b l ef i e l d so fo n ee l e m e n tc a nb ed e t e r m i n e db y t h es u mo fe a c hp h a s e sv a r i a b l ef i e l do ft h ee l e m e n tw e i g h t e db ye a c hp h a s e s v o l u m e 缸c t i o n m o r e o v e r , w i t ht h et e c h n i q u e so fc a e ，t h ee f f i c i e n ta n ds t a b l e n u m e r i c a la l g o r i t h ma n dt h es i m u l a t i o ns y s t e mo fw a c i mp r o c e s sw l l l ed e v e l o p e d , w h i c he s t a b l i s h e dt h es c i e n t i f i cf o u n d a t i o no ft h e o r yt og u i d et h ed e s i g no f i i l p r o c e s st e c h n o l o g ya n dm o l df o rw a c i mp r o c e s s a i ma tt h ep r o b l e mw h i c ht h ee x i s t i n gt h e o r yo f w a t e ra s s i s t e di n j e e t i o ne o u l d n t r e f l e c tt h ew a t t l p e n e t r a t i n gd y m m i e s ，b a s e do nt h ea s s u m p t i o no faf i c t i t i o u s f l u i d , t h ee o n t r o l i n ge q u a t i o nd e s c r i b i n gw a t e rp c 棚珩蛐gd y n a m i c sw i t he a s y n u m e r c a ls i m u l a t i o ni se s t a b l i s h e df o rt h ef i r s tt i m e w h e l ac o u l dr e f l e c tt h e p r e s s u r ef i e l 血v e l o c i t yf i e l d ，t e m p e r a t u r ef i e l di nf i l l i n gw a t e ra 聆aa n dw a t e l - p e n e t r a t i n gd y l a a m i e s ，a tt h es a m et i m e ，a v o i d st h ec o n n a t u r a ln o n - l i n e a rp r o b l e mo f p r i m a r ye o n t r o l i n ge q u a t i o no f d e s c r i b i n gw l i l c i p e n e i e a t i n gd y m m i e s b a s e d0 1 1 1t h e3 d ，t r a m i e n t n o n - i s o t h e m a lw a c i mp r o c e s sm e c h a n i s mm o d e ， t h e c o r r e s p o n d i n gm i x e ds t a b l em t m e r i e a la l g o r i t h mb a s e d0 nt h el o w - o r d e r i n t e r p o l a t i o nw i t hf a s tc o n v e r g e n c ew a se s t a b l i s h e db yt h es t a b l ef i n i t ee l e m e n t m e t h o d so fm i n i - e l e m e n tm e t h o d ，s u p gm e t h o d ( s t r e a m l i n eu p w i n d p e n o v g a l e r k i nm e t h o d ) ，p e n a l t yf u n c t i o nm e t h o da n dt m e o u p l i n gs o l u t i o no f v e l o c i t yf i e l d 、 t e m p e r a t u r ef i e l da n df l a c t i o no ff l u i dv o l u m e ，a n dt h ep u r ef m i t ee l e m e n tf r o n t t r a c k i n gm e t h o da n di n t e r f a e a lr e c o n s t r u c t i o nt e c h n i q u eo f m o v i n gf r o n ti n t e r f a c ea n d s t r a t i f i e di n t e r f a c ew e l ep u tf o r w a r d ，w h i c he f f e c t i v e l yd e c r e a s e st h en e e d so ft h e c o m p u t e rc p u a n dm e m o r yc a p a c i t y , t h et h r e ed i m e n t i o n a ll a r g e - s c a l e ，h i g l ln o n - l i n e a rf i n i t ec l e m e n ts i m u l a t i o no i lm u l 吐p b a s ea n dm u l t i l a y e rw a c i m p r o c e s sw a s i m p l e m e n t e di nc o m m o np e r s o n a lc o m p u t e r b a s e d s i m u l a t i o no fw a c i m p r o c e s s t h ei n f l u e n c e so fp r o c e s sp a r a m e t e r s a n dp o l y m e rr l a e o l o g i c a lp a r a m e t e r s0 1 3 w a c i mp t o c 粕lw e r es y s t e m c a l l ys t u d i 吐 a n dt h ei n n u e n e i n gm e c h a n i s m sw e 他d i s e l o s u r e db yt h e o r e t i c a la n a l y s i s r e s e a r e l a r e s u l t ss h o w e dt h a t 、】l r i t l li n c r e a s i n go ft h ec o n s i s t e n c yf a c t o r , r l 蚴l o g i e a ii n d e x , t h e p i e - f i u i n gv o l u m e 丘a c t o na n di n j e e t i o np r e s s u r eo fc o l em e l ，t h ep e n e t r a t i n gl e n g t h o fc o r em e l ta n dw a t e rd c c l c a s e ，b u tt h el , 曲e t r a t i n gw i d t ho fc , o l r em e l ta n dw a t e l i n c r e a s e ，a n dw i t ht h ei n c r e a s i n go f d e l a yt i m eo f w a t e ra n dt h ei n j e e t i o nt e m p e r a t u r e o fc o l em e l t , t h ep e n e t r a t i n gl e n g t ho fc 0 1 em e l ta n dw a t e ri n c r e a s e ，i n l d i t i o n , w a t e ri n j e c t i n gt e m p e r a t u r ea f f e c t sp e n e t r a t i n gl e n g t ha n dp e n e t r a t i n gw i d t ho fc o r e m e l th a r d l y , b u tw a t e rp e n e u a t i n gl e n g t hi n c r e a s e sw i t ht h ei n c r e a s i n go ft h ew a t e r i n j 血1 9t e m p e r a t u r e r e s e a r c hr e s u l t ss h o w e dt h a ti nw a c i m m o l d i n gp r o c e s so f p o l y m e rb i f u r c a t i o n i v g o o d s ，t h eu n b a l a n c ef i n i n gp h e n o m e n ao fc o r em e l ta n dw a t e ro c c u r e si nd i f f e r e n t b r a n c he a s i l y w h e nt h ev i s c o s i t yr a t i oo f c o r ea n ds k i nm e l ti sh i g h e rt h a n1 ，t h ec e r e m e l ta n dw a t e rt i l l i n gp r o c e s sa l w a y sa r ei nb a l a n c ef a l l i n gs t a t ew h i c ho o r cm e l ta n d w a t e rp e n e t r a t i n gl e n g t ho fd i f f e r e n tb r a n c ha r ee q u a l b u tw h e nt h ev i s c o s i t yr a t i oo f c 0 代a n ds k i nm e l ti sl o w e rt h a n1 t h ec o r em e l ta n dw a t e rf i l l i n gp r o c e s sa l w a y sa r e i nu n b a l a n c er u l i n gs t a t ew h i c hc o r em e l ta n dw a t e r p e n e t r a t i n gl e n g t ho fd i f f e r e n t b r a n c ha r en o te q u a l c o r em e l ta n dw a t e ru n b a l a n c e f i l l i n gt r e n di n c r e a s e dw i t ht h e i n e r e a s i n go fw a t e rd e l a yt i m e i no r d e rt oa v o i dt h eu n b a l a n c et i u i n gp h e n o m e n ao f c o m e l ta n dw a t e r , t h ev i s c o s i t yr a t i oo fc o r ea n ds k i nm e l to fw a c i mm o l d i n g p r o t 瑚sm u s tb eh i g h e rt h a n1 k e yw o r d s ：w a t e r - a s s i s t e dc o - i n j e c t i o nm o l d i n g ；f i l l i n gp r o c e s s ；v o f ； t h e r m o d y n a m i cm o d e l ；s t a b l ef i n i t ee l e m e n tm e t h o d ； n u m e r c a ls i m u l a t i o n v 学位论文独创性声明 学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工 作及取得的研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地 方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含 为获得直昌太学或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与 我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确 的说明并表示谢意。 学位论文作者签名( 手写) ：问丽签字日期：砷年1 2 月7 6 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解直昌盔堂有关保留、使用学位论文 的规定，有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁 盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权直昌太堂可以将学位论文的全 部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描 等复制手段保存、汇编本学位论文。同时授权中国科学技术信息研究 所将本学位论文收录到中国学位论文全文数据库，并通过网络向 社会公众提供信息服务。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者签名：词而 导师签名： f 柏_ 、 签字日期：订年f z 月彩日签字日期：矿7 年，。月 61 3 第1 章绪论 第1 章绪论 塑料是当今世界新发展起来的三大合成材料之一，具有密度小、质量轻、 比强度高、绝缘性好、介电损耗低、化学稳定性高、耐磨性强、减震隔音性能 好、成型性好、生产率高和价格低廉等优点，因而在国民经济和人民生活的各 个领域得到了日益广泛的应用。 注射成型是生产外形复杂、尺寸精确、带嵌件的塑料制品的重要加工方法。 随着工业技术的发展，注射成型用的塑料的种类越来越多，而且注塑制品越来 越广泛用于汽车、电子、包装、光学、机械、家具等各行业。随着人们对注塑 制品质量要求的提高，传统的注射成型技术由于自身工艺特点的局限性在很多 场合己很难满足生产要求。因而，人们纷纷寻求先进新型聚合物成型技术。 聚合物多组分注射成型( m u l t i m a t e r i a l 坷e c t i o nm o l d i n g ) 是先进聚合物成 型技术之一，该成型技术是将不同流体按一定的顺序或是同时注入成型模腔， 从而成型出包含多种聚合物材料成分的复合塑料制品。白2 0 世纪6 0 年代起， 国外许多研究者便开始了多材料成型技术的研究和开发。到目前为止，多组分 成型技术主要有：共注成型技术( c o - i n j e c t i o nm o l d i n g ) 、包塑成型技术 ( o v e r m o l d i n g ) 、多阶段成型技术( m u l t i s h o tm o l d i n g ) 、共挤成型技术( c o - e x t r u s i o n m o l d i n g ) 、气体注射成型技术( o a s - a s s i s t e di n j e c t i o nm o l d i n g ) 、水辅注射成型技术 ( w a t e r - a s s i s t e di n j e c t i o nm o l d i n g ) 、气辅共注成型技术( g a s - a s s i s t e dc o i n j e c t i o n m o l d i n g ) 和近年新兴的气辅共挤成型技术( g a s a s s i s t e dc o - e x t r u s i o nm o l d i n g ) 等。 近年来，聚合物多组分注射成型理论和工程应用研究日益受到重视。为了结合 水辅成型和共注成型的众多优点，迎合塑料制品的发展趋势，本次研究首次提 出了一种新型的成型工艺一水辅共注成型工艺。 1 1 聚合物多组分成型技术简介 1 1 1 共注射成型技术( c o - i n j e c t i o nm o l d i n g ) 共注成型( c o - 珂e c t i o nm o l d i n g ，又称作夹心注塑成型或多层共注成型) 工艺 第1 章绪论 是英国的i c i 公司首先提出的【，但一直都没有得到广泛应用。这并不是由于 其本身的适应性差造成的。相反，共注塑的适应性很好，并有诸多优点。不能 广泛应用是由于共注成型对设备的特殊要求1 3 1 。现在，随着人们环保意识的增强、 对注塑制品性能要求的提高，以及注塑机械工业自动控制技术水平的发展，共 注成型工艺日趋受到人们的重视，应用也越来越广泛。 1 1 1 1 工艺过程 共注成型过程中，壳层和芯层的材料同时或顺序地通过一个流道和浇口注 入模腔，在模腔内，聚合物熔体以分层多相流动充模成型，最终固化成多层 复合注塑件。先注入的熔体为壳层，而后注入的熔体为芯层。共注成型具体工 艺过程如图1 所示： # 尊 哪 旧 ( a ) 注入壳层熔体( ”、( c ) 注入芯层熔体( d ) 注入壳层熔体 图1 - 1 顺序共注成型工艺流程简图 图1 1 为顺序共注成型工艺流程，先注入壳层熔体( 图1 - 1 a ) ，壳层材料注射 量取决于壳层与芯层的比例，该比例由制品的工艺及所要求的性能所决定；壳 层熔体注入完毕后，转动熔料切换阀，开始注入芯层熔体( 图卜l b ) ；芯层熔体 推动壳层熔体填充模腔( 图1 - 1 c ) ；芯层熔体注入完毕后，熔料切换阀回到起始 位置，再注入壳层熔体封口( 图1 - 1 d ) ，同时将流道中芯层材料推入塑件芯中， 此时也清除芯层材料，也为下一个循环做准备1 5 3 。 2 一 第1 章绪论 1 1 1 2 优点 多层共注成型技术由于其特殊的工艺，因而具有许多其它塑料成型技术所 不具有的特殊功能和优点： ( 1 ) 可部分解决废旧塑料回收利用问题，实现可持续发展。多层共注成型 技术可将废旧塑料作为芯层材料，将优质塑料作为壳层材料【8 , 9 1 。这样在满足表 面质量要求的前提下，既降低了产品成本，又解决了环境污染问题。 ( 2 ) 可生产低成本高表面性能的塑料制品。工程上往往需要塑料制品具有 高强度、耐热、耐腐和耐磨等优良的物理化学性能，或表面装饰美观和软接触 的感观性能。而满足这些性能的工程树脂其材料价格高，如用传统的单相注塑 成型技术，其产品价格昂贵，使其应用受到限制。而共注成型可将具有高表面 性能的工程树脂作壳层材料，用普通聚合物材料作芯层，这样就可生产高表面 性能的低成本注塑件，从而拓宽普通塑料的应用范围；若芯层材料采用发泡材 料，则在保留发泡结构成型的优点外，还具有其所没有的良好表面质量【7 1 。 ( 3 ) 可满足对塑料制品功能多样化的要求。多层共注成型综合各层材料的 独特性能，生产具有多种功能的复合注塑件，这是传统的单相注塑成型技术和 气辅注射成型技术所不能实现的。例如具有自润滑的高性能塑料齿轮。如p a 齿 轮壳层是具有耐磨性和高润滑性能的非填充p a ，芯层是热变形小、具有高强度 特性的玻璃材料一填充p a ，玻璃材料收缩率很小，尺寸稳定，p a 润滑性好并避 免玻璃材料产生磨蚀。又如表层为彩色及表面质量好的表观层，芯层为电磁屏 蔽材料或导电树脂的电磁波屏蔽零件【n 1 2 1 。生产具有隔光、隔氧、隔水蒸汽的 多功能保鲜食品容器等等【1 3 4 6 】。 1 1 1 3 主要应用 多层共注成型技术这种注射成型方法主要是为了生产一些有特殊要求( 如 耐磨性、化学稳定性、气体阻隔性、导电性、屏蔽电磁波性等) 的塑料制品而 开发的。主要用于生产增强复合注塑件，功能复合注塑件( 屏蔽罩) 和再生塑 料制品。 由此可见，共注成型技术有着广阔的应用前景。共注成型工艺的应用取决 于二个因素：由制品的性能决定；由制品的经济效益决定。受性能驱使的 应用场合是指共注射部件具有某种使用性能，而由单一材料制成的制品不具备 这种性能。受经济效益支配的应用场合是指将低成本的芯层与较昂贵的壳层材 料结合起来并用。从这种技术得益的主要应用领域包括汽车、电子、包装、家 3 第1 章绪论 具、化工和医疗器械等行业。随着该项技术的日益推广，还会出现更多的应用 领域们。 1 1 1 4 对材料及设备的要求 根据制品的功能要求，在共注成型工艺中两种材料的性能差异可以很大， 如弹性体可以模塑到刚性材料表面。两种材料的界面分层和脱落与两种材料的 界面之间作用力有关。就共注成型制品材料的选择来说，应注意以下几点： ( 1 ) 壳芯层原材料间具有一定的相容性和相互自粘性。材料粘合性能好， 界面层的作用力大，不容易分层、脱落。 ( 2 ) 壳芯层原材料粘度差异不宜过大。粘度差异过大，会破坏壳层芯层 结构均匀性。一般说来，芯层的粘度应大于壳层材料的粘度。 ( 3 ) 壳芯层原材料的线膨胀系数和收缩率不能有太大差异，尽量做到完全 匹配，通常要求芯层材料的收缩率略小、线膨胀系数略大。共注成型工艺由于 其特殊的工艺要求，需要两套( 或多套) 的往复螺杆注塑装置，分别塑化和注 塑不同的物料，各套注塑装置协同完成同一个注塑循环，完成同一个制品的一 个注塑生产周期。在共注射机头处将二种注射的部件结合在一起。并且要求有 协调它们动作步骤的自动控制装置。 i 1 1 5 应用与研究现状 共注成型工艺的发展经历了从单料道到双料道及叁料道的发展过程。共注 成型工艺最常见的、也是最具有代表性的是双色注塑工艺、夹心注塑工艺。目 前，共注成型工艺的理论研究和工程应用研究在国外日益受到重视。 1 1 2 水辅注射成型技术( w a t e r - a s s i s t e dl n j e c t i o nt e c h n i q u e ) 水辅助注射技术( w a t e r - a s s i s t e dh j e c t i o nt e c h n i q u e ，w i t ) t t l 是一种新型 的生产中空或者部分中空制品的成型方法。这种方法形成空腔的原理与气体辅 助注射技术( o a n v l ) 基本相似【协1 9 1 。w i t 有着一个独特的优点：能够直接在制品 内部进行冷却。由于水的热传导率是气体的4 0 倍，热焓是气体的4 倍，所以，w i t 的冷却能力可以使制品的冷却循环时问降至g a i m 的2 5 。除了明显缩短成型 周期外，w 1 1 r 能够成型壁厚更薄和更均匀的中空制品，更加节省原料。此外，w i t 还可以生产内表面非常光滑的制件，这在g a i m 中很难达到。 虽然2 0 世纪7 0 年代初期，人们已提出了采用液体如水、油或聚合物溶液 4 第1 章绪论 的注射作为形成空心体的方法【2 们。但由于所用的柱塞和注射装置产生的压力太 高，而达到的流速太低，故结果并不令人十分满意【2 1 1 。如今，在德国亚琛市的 德国塑料加工研究所( i k v ) 开发的w i t 使这一古老的想法成为现实。i k v 从 1 9 9 8 年开始研发这种技术。德国h e r f o r d 市的s u l o 公司是第一个实施这种技术 进行塑料加工的厂家。尽管如此，直到2 0 0 0 年1 0 月底，在f a l m m a 展会上展 出的一辆用w i t 技术加工的全塑料超市手推车，才正式宣告w i t 在商业中得到 应用。 2 0 0 1 年在德国d u s s e l d o r f 2 2 - 2 3 1 举行的展览会上，水辅助注射成型技术引起 不小的轰动。在i k v ，一种由两种材料构成的球拍被制作出来。这是一个三次注 射工艺：两种材料和水。水的流动分割出球拍的框架，第一次注射是用含2 0 玻璃纤维的p p 材料成型手柄和框架，第二次注射是用来成型没有填充物的p p 材 料的网，第三次注射是用来向框架内注水。不可压缩的水在p p 注射时，对中空 的框架起支撑作用。 德国的p m e 公司分别用气体和水辅助注射成型技术制造出材料为玻璃纤维 填充尼龙的细管，内径6 8 m m ，而用前者制造的制品壁厚是后者制造的2 3 倍。 在2 0 0 1 年，p 啪e 公司有1 2 个水辅助注射成型系统实现商业化运行。p 姬公司 还在为德国宝马( b m w ) 汽车公司做一种尝试，试图把汽车上各种管路的生产由 气体辅助注射成型转换成水辅助注射成型。 1 1 2 1 工艺过程 水辅助注射成型的原理是利用空气驱动往复式液体增压器产生高压水，经 过水针将高压水注射到已经部分预充填熔体的型腔内，利用水的压力将熔体往 前推而充满型腔。其成型过程如图1 - 2 所示，图卜3 为水针结构图。 图1 - 2 水辅助注射成型的原理 5 第1 章绪论 以水不会蒸发的这种方式进行注射，水的前沿象一个位移柱塞那样作用在 制品的熔融芯上，水的前沿与熔体接触界面，由于水的冷却作用，熔体内表面 形成一层高粘度固化膜层，它将进一步推动聚合物熔体前进填充模腔。待熔体 冷却完成后，利用压缩空气将水从制品中压出，然后将制品顶出，形成中空的 成型制品 2 4 - 2 5 。即熔体注射、水的注入，水的排空与脱模。利用在高速的熔体 流动过程水不会蒸发的这种特性，配合完善的工艺控制手段将水的优点完全展 现出来，并且确保水的循环利用【2 1 1 1 2 3 1 。 图1 - 3 水针结构图 按照具体成型工艺过程的不同，目前水辅助注射成型有4 种工艺方法【2 6 1 1 2 8 1 ( 1 ) 短射 ( 2 ) 回流注射法 ( 3 ) 益流注射法 ( 4 ) 流动注射法 图1 4 水辅注射成型的四种不同方式示意图 6 第1 章绪论 ( 如图1 4 所示) 。四种水辅成型方式的实施过程及各自的特点如下： 短射( s h o r ts h o t ) ：模具型腔首先被部分注入熔体，在熔体注射停止前，将 水注入模腔，推动熔体到达型腔的末端。接着切断熔体和水的注入，打开排水 阀，将水从制件内排出。排水阀安装在型腔的末端或附近，以便可以利用压缩 空气进行排水。短射对非常厚的制品尤为适用，可节省材料。水和气体的进出口 可以在同一个地方或相邻位置设置。这种方法的缺点是需要精密控制。如果注 入的熔体太少，水有可能穿透熔体进入模腔。水注射的压力必须高于熔体压力 才能将熔体推到型腔的末端。在熔体注射和水注射切换处的制品表面可能产生 迟滞痕；因此，用于表面质量要求高( a 级) 的注射成型是不可行的。同时，短 射末端的熔体可能形成一个相对较厚的部分，从而延长循环时间。 回流注射( p u s h b a c k ) ：熔体完全充满型腔后，打开安装在熔体型腔末端的水 阀，推动多余的熔体回流进料筒。这种方法的优点是没有材料残渣，能够实现a 级表面质量注射。不足之处是需要一个特殊的喷嘴和检测环以使熔体能够回流 到注射单元。使用时还应注意不要让水渗入到机筒内。这对吸湿材料( 比如尼龙) 的成型就是一个很大的问题。加工过程的每个部分必须在控制压力之下，以得 到一个连续的、回流量可知的回流。回流的熔体可能与保留在料筒内的熔体有 不同的温度和压力，这可能影响下一次的注射，同时回流注射需要单独的水输送 系统。 溢流注射( o v e r f l o w ) ：注射前关闭型腔末端的溢流阀。待熔体完全充满型腔 后，打开注水阀的同时，将溢流阀部分打开，从而使注入的水能够推动中间的 熔体进入一个辅助的或称作溢流的型腔。溢流型腔是封闭的，可以实现保压。 然后水通过重力或汽化排出。据报道，溢流注射可以成型a 级表面质量的制品。 该方法最接近普通的注射能够提供更宽的加工窗口。所需的水压比短射时低， 溢流型腔多余的物料需要通过二次加工使其与制品脱离。 流动注射( f l o wp r o c e 蟠) ：这种方法综合了短射和溢流注射的长处，使水完 全从制品内部通过，以增加冷却效果。开始模腔被部分充满，接着引入水，推 动熔体到达型腔的末端。打开安装在末端的特殊阀，使水击穿熔体，通过阀而 流入水循环系统。该方法的优点是节省原料，冷却速度快。缺点是在制品末端 有表面缺陷。同时低的水压可能使水渗入制品和模具内表面之间。 1 1 2 2 优点 与气体辅助注射成型技术相比较，其根本差别在于二者使用的辅助介质性 7 第l 章绪论 质不同。水是不可压缩的，水不但粘度高于气体，而且水的热传导率比气体大。 其热容量也比气体高4 倍【2 ”。由于水的流体特性，使得水辅助注射成型具有如下 特点： ( 1 ) 缩短循环时间。水辅助注射成型是将一定温度( 1 0 8 0 ) 3 0 l 的高压 ( 3 0 i 旧a ) 水注入模腔内熔体的芯部。因此水可直接从制品壁厚的芯部对制品进行 冷却，而且这种冷却是随着制品形状由内到外均匀作用的，冷却充分，效果好。 因此，可大大缩短制品的成型周期。研究表明，水辅助成型的冷却循环时间只 有气体辅助成型的2 5 2 2 3 ”，甚至更低。如成型直径为l o m ，壁厚1 o 衄1 5 咖的制品，气体辅助成型时为6 0 s ，而水辅助成型时问只需1 0 s ；成型直径为巾 3 0 m m ，壁厚2 5 m m 3 o m m 的制品，气体辅助成型时间需要1 8 0 s ，而水辅成型时 间只需4 0 s 。 ( 2 ) 制品表面无缩痕。水辅助成型中注入模腔的熔体。是在高达近3 0 m p a 的 水压力作用下紧贴模腔壁流动与冷却固化的。制品的整个成型收缩与冷却定型 过程始终受到来自制品芯部的水压力的作用。制品壁厚密度高，冷却均匀，收 缩一致，表面平整无缩痕，没有翘曲与扭曲变形，外观质量好。 ( 3 ) 可成型薄壁和内表面光滑的制品。由于水辅助成型所用的水温度远低 于熔体温度，因此注入模腔的水与高温熔体接触的界面会因熔体温度迅速降低 而立即形成一层光滑的高粘度固化膜，固化膜内侧的水在压力作用下向外均匀 掩压，使尚未凝固的制品壁厚受压而减薄，但水不会穿透固化膜进入壁厚。同 时水流前锋面的熔体在水压力作用下向前推进，使更多的熔体向前流动，从而 获得壁厚较薄且内表面光滑的制品。图卜5 所示为水辅助成型与气体辅助成型制 品内表面的比较。因水的粘度高于气体，以及熔体固化膜的作用，使水不会像 气体那样容易渗人到熔体内，因此可获得内表面光滑的制品。而气体则容易渗 透到制品内表面并产生气泡或形成空隙，致使制品内表面粗糙。 a 一水辅助成型制品的内表面川体辅助成型制品的内表面 图1 - 5 制品内表面的形貌 3 第1 章绪论 ( 4 ) 减小壁厚，节省材料。水辅注射成型可成型比气辅注射成型所能达到的 壁厚更薄的制品，因而更节省材料 3 2 1 ，减轻制品重量，降低成本p 扪。研究表明 水辅注射成型可节省材料3 0 4 0 。气辅注射成型在用于直径较大的制品成 型时，其壁厚仍较大，易造成制件内表面产生气泡。当成型直径超过由4 0 m m 的 制件时，气道形成后，因壁厚较大及气体不具有冷却作用，易造成壁厚不均。 而水辅注射成型具有高于气体的水压力及快速冷却的作用，可使壁厚薄而均匀。 用气辅注射成型