（化工过程机械专业论文）聚合物微型机械模内组装成型机理研究.pdf

摘要 l u li ii lli i i 1 1 11r liil y 19 4 2 4 8 0 摘要 聚合物模内组装成型是将零件注射成型工序和零件模内组装工序集于一体 的一种新型先进的多组分成型技术，是最有希望成为解决未来聚合物微型机械 成型加工技术难题的先进成型技术。由于聚合物模内组装成型属多相多层流动 成型过程，其成形过程的多相分层流动存在着各分层界面应力之间的相互耦合， 且熔体充填流动与固体微型零件之间的流固耦合作用对微型零件的制造精度和 零件组装配合精度有着至关重要的影响，因而使聚合物微型机械模内组装成型 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，至今尚未 弄清，而其相关成型理论和技术研究国际上也罕见报道。基于聚合物微型机械 模内组装成型技术的先进性与其研究匮乏这一突出矛盾，本文对聚合物微型机 械模内组装成型工艺和成型过程的流固耦合作用进行了数值模拟研究，主要取 得如下成果： ( 1 ) 基于聚合物模内组装成型的特点和聚合物流变学理论，经合理假设， 建立了描述聚合物微型机械模内组装成型过程，且能反映流固耦合作用效应的 多因素相互作用成型机理的全三维、瞬态、纯黏性、非等温理论模型和与理论 模型相适应的高效稳态有限元数值算法； ( 2 ) 通过有限元数值模拟技术，系统研究了聚合物微型机械模内组装的二 次成型聚合物熔体流变性能参数和成型过程工艺参数对一次成型固体微型零件 的流固耦合作用效应和流固耦合变形的影响规律，并揭示了其产生机理； ( 3 ) 通过数值模拟技术，系统研究了聚合物微型机械模内组装的聚合物熔 体流变性能参数和成型过程工艺参数对聚合物微型机械模内组装成型制品体积 收缩和模内残余应力的影响规律，并揭示了其产生机理； ( 4 ) 通过本文提出的理论模型与流固耦合作用效应和变形有限元数值模拟 方法所得到的聚合物微型机械模内组装成型流固耦合变形分析结果与s a t y a n d r a kg u p t a 教授实验研究结果相吻合，证明本文的理论模型与流固耦合作用有限元 数值模拟方法是可靠的。 关键词：模内组装成型；微型机械；流固耦合；翘曲变形；体积收缩，模内残 余应力；数值模拟 a b s w r a c t a b s t r a c t i n - m o l da s s e m b l ym o l d i n gi sa na d v a n c e dp o l y m e rm o l d i n gt e c h n i q u ei nw h i c h c o m p o n e n ti n j e c t i o nm o l d i n gp r o c e s sa n di n m o l da s s e m b l yp r o c e s sa r ei n t e g r a t e d t o g e t h e ra n dt h e f u t u r e i m p o r t a n tp r o b l e m so fp o l y m e rm i c r o m a c h i n em o l d i n g t e c h n i q u ew i l lb er e s o l v e d b e c a u s eo ft 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 na d j a c e n tm e l t sa n dt h eg r e a ti n f l u e n c eo ft h ef l u i d - s o l i dc o u p l i n gi n t e r a c t i o n b e t w e e nm e l tf l o wa n ds o l i dm i c r o s c a l ec o m p o n e n to nt h ep o l y m e rm i c r o m a c h i n e m a n u f a c t u r i n ga c c u r a c ya n da s s e m b l yp r e c i s i o ni nt h em o l d i n gp r o c e s s , p o l y m e r m i c r o m a c h i n ei n - m o l da s s e m b l ym o l d i n gp r o c e s sh a si t ss p e c i a lt r a n s p o r tr u l eo f f 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 yc o m p l i c a t e d ， a n dn o ty e tc l e a r , a n du pt on o w ，t h er e a s e a r c h e so nr e l a t e dm o l d i n gt h e o r ya n d m o l d i n gt e c h n i q u ea r ev e r yr a r ea th o m ea n da b r o a d b a s e do nt h ei n c o n s i s t e n c y b e t w e e nt h ea d v a n c ea n dr e s e a r c hs h o r t a g eo fp o l y m e rm i c r o m a c h i n ei n - m o l d a s s e m b l yt e c h n o l o g y ，t h es i m u l a t i o no nt h ep o l y m e rm i c r o m a c h i n ei n - m o l da s s e m b l y m o l d i n gp r o c e s sa n dt h ef l u i d - s o l i dc o u p l i n gi n t e r a c t i o nd u r i n gt h em o l d i n gp r o c e s s w a sc o n d u c t e di nt h i sp a p e r ，a n dt h em a j o ra c h i e v e m e n t sa r ea sf o l l o w s ： ( 1 ) o nt h eb a s i so fp o l y m e ri n - m o l da s s e m b l ym o l d i n gc h a r a c t e r sa n dp o l y m e r r h e o l o g i c a lt h e o r y ，r e a s o n a b l ea s s u m p t i o n s w e r e p u tf o r w a r d ，t h ef u l l y t h r e e - d i m e n s i o n a lu n s t e a d yp u r ev i s c o u s n o n - i s o t h e r m a lt h e o r e t i c a lm o d e lw a s e s t a b l i s h e dt od e s c r i b et h ep o l y m e rm i c r o m a c h i n ei n - m o l da s s e m b l ym o l d i n gp r o c e s s a n dr e f l e c tt h em e c h a n i s mo ft h ef l u i d - s o l i dc o u p l i n gi n t e r a c t i o m m e a n w h i l e ，t h e c o r r e s p o n d i n gs t a b l e df i n i t ee l e m e n tn u m e r i c a la l g o r i t h mw a s e s t a b l i s h e d ( 2 ) b a s e do nt h ef i n i t ee l e m e n tn u m e r i c a ls i m u l a t i o nt e c h n o l o g y , t h ei n f l u e n c i n g r u l e so ft h es e c o n ds t a g ep o l y m e rm e l tr h e o l o g i c a lp a r a m e t e r sa n dp r o c e s sp a r a m e t e r s o nt h ef l u i d - s o l i dc o u p l i n gi n t e r a c t i o na n df l u i d s o l i dc o u p l i n gd e f o r m a t i o no ft h e f i r s ts t a g ep o l y m e rm i c r o c o m p o n e n tw e r es y s t e m c a l l ys t u d i e d ，a n dt h ei n f l u e n c i n g m e c h a n i s m sw e r ef i n a l l yd i s c 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 ( 3 ) t h ei n f l u e n c i n gr u l e so fp o l y m e rm e l tr h e o l o g i c a lp a r a m e t e r sa n dp r o c e s s p a r a m e t e r so nv o l u m e t r i cs h r i n k a g ea n di n c a v i t yr e s i d u a ls t r e s so fp o l y m e ri n - m o l d i i a b s t r a c t a s s e m b l ym o l d i n g m i c r o m a c h i n ew e r e s y s t e m c a l l ys t u d i e db y f i n i t ee l e m e n t n u m e r i c a ls i m u l a t i o n , a n dt h ei n f l u e n c i n gm e c h a n i s m sw e r ef i n a l l yd i s e l o s u r e db y t h e o r e t i c a la n a l y s i s ( 4 ) b a s e do nt h et h e o r e t i c a lm o d e la n dt h ef i n i t ee l e m e n tn u m e r i c a ls i m u l a t i o n m e t h o df o rf l u i d s o l i dc o u p l i n gi n t e r a c t i o na n df l u i d s o l i dc o u p l i n gd e f o r m a t i o ni n t h i sp a p e r , t h ef i n i t ee l e m e n tn u m e r i c a ls i m u l a t i o nr e s u l to ff l u i d s o l i dc o u p l i n g d e f o r m a t i o ni np o l y m e rm i c r o m a c h i n ei n - m o l da s s e m b l ym o l d i n gp r o c e s si si d e n t i c a l 、衍mt h ep r o f e s s o rs a t y a n d r ak g u p t a se x p e r i m e n t a lr e s u l t s ot h et h e o r e t i c a lm o d e l a n dt h ef i n i t ee l e m e n tn u m e r i c a ls i m u l a t i o nm e t h o df o rf l u i d - s o l i d c o u p l i n g i n t e r f a c t i o n & r er e l i a b l e k e y w o r d s ：i n m o l da s s e m b l ym o l d i n g ；m i c r o m a c h i n e ；f l u i d s o l i dc o u p l i n g ；w & r p a g e d e f o r m a t i o n ；v o l u m e t r i cs h r i n k a g e ；i n - c a v i t yr e s i d u a ls t r e s s ；n u m e r i c a l s i m u l a t i o n i i i 第1 章绪论 第1 章绪论 在现代工业中，聚合物材料的应用已渗透到了机械，医疗器械，日用五金， 汽车等国民经济多个领域，其相关聚合物材料加工成型技术与装备也得到了迅 猛发展。随着科学及技术的发展，聚合物成型制品向着高效率、高性能、高参 数及多功能的方向发展，而其成型工艺也必须向清洁加工、绿色环保、低能耗 和精密化的环境友好的成型技术方向发展。聚合物多组分注塑成型技术是近年 发展最为迅速的一类先进聚合物成型方法，它能够通过不同方式组合不同材料， 进行注射成型，从而获得具有高性能多功能特性的聚合物多层复合制品，是制 造多层复合高性能聚合物塑料制品的先进成型加工技术，最有希望解决未来重 大工程材料问题。 随着科学技术的发展，微型机械产品以其低廉价格和优良性能赢得市场， 由于微型机械具有体积小、重量轻、耗能低、性能稳定等特点，因而在生物工 程、国防、航天、工业控制、医疗等领域应用日趋广泛。在美国，微型机械已 从实验研究向工业化生产迈进，2 0 0 3 年，微机电系统市场占有额约为4 0 0 亿美 元，显然微型机械及其加工技术有着巨大的市场和经济效益。1 9 9 4 年发布的美 国国防部技术计划报告就将微型机电系统列为关键技术项目，欧洲工业发达 国家也相继对微型系统的研究开发进行了重点投资，由此可见，微型机械制造 加工技术的研究显得尤为重要。日本s e i k o 电子工业公司研制的名为“y a m a k o s k i ” 行走机器人外形尺寸为8 6 m i n x 9 3 m i n x 7 2 m m ，图1 1 为聚合物材料制造的六自 由度五手指机械人手。微型机械加工的主要技术难题是由于微型机械尺寸微小， 使得影响其制造加工精度的因素多，难以保证微型机械加工的尺寸精度。同时， 由于尺寸微小，微型机械的人工组装也存在技术困难，为此，研究聚合物微型 机械精密成型加工制造技术和组装技术，这对于加速我国自主研发聚合物微型 机械加工理论、技术和装备具有重要的理论和工程价值。 随着多组分注塑成型技术不断发展，国外最新发展了一种先进的模内组装 成型技术( i n - m o l da s s e m b l ym o l d i n g ) 。模内组装成型技术就是通过注射成型机 和成型模具，将零件成型加工工序和零件组装工序同时融入到零件成型的过程 中，即在模具内顺序注射成型微型机械零件的同时，还在模内顺序将零件组装 成机械，从而大大减少组装零件时所需的连接件的使用，降低了生产成本，且 1 第1 章绪论 减少了组装工序，缩短了生产周期。由于聚合物模内组装成型能在模内自动实 现组装工序，因而该先进成型技术为解决微型机械的组装技术难题提供了新的 技术思路。为此，本文主要研究目标是研究聚合物微型机械模内组装精密成型 技术和成型机理，为我国自主研发具有自主知识产权的聚合物微型机械成型加 工技术与装备奠定科学理论基础。由于聚合物模内组装成型属多相多层流动成 型过程，其成形过程的多相分层流动存在着各分层界面应力之间的相互耦合， 且熔体充填流动与固体微型零件之间的流固耦合作用对微型零件的制造精度和 零件组装配合精度有着至关重要的影响，因而使聚合物微型机械模内组装成型 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，至今尚未 弄清，而相关聚合物微型机械模内组装精密成型理论和技术的研究国际上也罕 见报道，国内相关研究也尚属空白。鉴于该成型工艺广阔的应用前景和其成型 机理与设计理论缺乏的矛盾，在我国开展聚合物微型机械模内组装精密成型技术 和成型理论的研究显得尤为重要，基于这一工程背景，本文将系统开展聚合物 微型机械模内组装精密成型技术与成型机理的相关研究，以推动我国聚合物微 型机械工业化应用进程。 图1 1 六自由度五手指聚合物微型机械手 1 1 多组分成型技术简介 1 1 1 共注成型技术( c o i n j e c t i o nm o l d i n g ) 关于多组分成型技术的起源最早可追溯到上个世纪6 0 年代的德国【l 】，从第 一台多组分注塑机诞生以后，多组分成型技术经历了长久的变革与发展，现在 这种技术不仅是被用在生产汽车的尾灯掣2 】上，而且被越来越广泛运用于高性能 低成本多层复合塑料制品的生产。其中，共注成型技术是发展最早的，也是目 2 第1 章绪论 前为止技术最成熟的一种多组分成型技术，其成型设备如图1 2 所示。它由英国 的i c i 公司g a r n e r 和o x l e y l 4 5 】于上个世纪的7 0 年代提出并开始应用。虽然共注 成型技术的成型过程相较其他多组分成型技术简单，但不可否认其具有很多优 良的特性，能够很好的适应工艺生产【2 】的需求。 共注成型技术所生产出来的产品一般分为芯层与壳层两个部分，其成型工 艺经历了从单流道到双流道甚至是三流道的发展，最开始所采用的单流道设计 ( 如图1 3 所示) ，在操作上容易出现在材料转换时发生流动滞后，压力下降的 问题，因而对产品表面质量有很大影响，为了避免这个问题，1 9 7 7 年，b u t t e n f e l d 和s h o l e m a n n s i n m a g 1 4 以7 】发明了双流道和三流道技术( 如图1 4 所示) ，通过实 现对芯壳层熔体注射速度的单独控制，有效解决了这个问题。简单来说，现在 的共注成型技术的基本工艺过程【1 9 】是：将具有不同材料特性的两种材料通过 注塑机的两个注射系统同时或者是顺序注入到成型模具内，最终冷却出模获得 所需的多组分复合成型制品。在成型的过程中，要注意始终控制芯层熔体在壳 层熔体的内部流动，否则容易出现废品。 图1 2 共注成型设备图 共注成型技术具有两个明显的特点，一是能够有效的降低生产成本，研究 表明，采用共注成型技术最大可节约原材料6 1 【1 9 2 0 1 ，这是因为在成型过程中， 芯层熔体材料一般采用可回收材料，因而可以实现对废塑料的回收利用，降低 生产的成本。二是提高产品的附加性能【2 眦2 1 ，共注成型技术通过实现不同材料 的组合，可以使最终所生产出来的产品能综合多种材料的特性，使其具有更好 的质量与功能性。 3 第1 章绪论 啦一蕃可 图1 3 单流道成型技术图1 4 双流道成型技术 共注成型技术中最常见的和最具代表性的是夹芯注塑成型 2 3 - 2 5 】和双色注塑 成型( b i i n j e c t i o nm o l d i n g ) 【3 0 1 。图1 5 为夹芯注射工艺过程示意图，而图1 6 为双注塑成型过程图。相较传统共注成型工艺，前者在顺序注入芯壳层熔体后， 还增加了用壳层熔体密封浇口的步骤，因而可以有效避免芯层材料裸露在外而 被腐蚀的情况。多用在生产具有亮丽或时尚外观，但芯层材料可使用可回收材 料的制品，但对于具有较多尖角或是筋肋的情况不适用【l5 1 。而后者并不注重芯 壳层材料的分布形式，它所成型出来的制品两种材料都可暴露在外层，关于双 色注塑成型工艺，其过程与模内组装类似1 1 3 1 ，但是双色注塑成型更多的是考虑 界面结合性的强弱，而非各组件间的配合关系。 淤班 ； 吣i 讶一 ( ”注入芯层材料 ( c ) 注入芯层材料( d ) 注入壳层材料 图1 5 夹芯注射工艺过程示意图 4 一彳一 第1 章绪论 材 材 图1 6 双注塑成型过程图 在采用共注成型技术进行多材料成型时，熔体的流动属于多相分层流动， 不同材料同时或顺序注入时，两相间的界面变化是不确定的，且在成型复杂结 构件时，成型模具比较复杂，容易出现界面不稳定等问题【3 ，因而其成型过程 极为复杂，需要对其进行合理简化以方便进行理论模拟研究。在目前的理论研 究中，使用最多的简化模型为h e l e s h a w 模型【3 2 】，并在此基础上针对共注成型过 程中工艺参数以及流变性能参数等对成型产品质量的影响做了一系列的研究。 对共注成型而言，翘曲变形问题和芯壳层熔体的前沿突破问题都是影响产品最 终质量的重要因素，国内外学者针对这些问题展开了广泛的研究。 2 0 0 3 年，钟序光【3 3 】等针对熔体前沿突破的问题，在进行共注成型过程的模 拟中，系统研究了不同的成型工艺参数如模壁温度，芯壳层熔体注射温度等以 及流变参数黏度对其的影响规律，并对规律产生的原因进行了阐述。 2 0 0 5 年，匡唐清【3 5 】等在采用流体体积法对共注成型时的未知界面进行追 踪时，引入了厚度分数这一参数作为充填程度的表征量，对芯壳层黏度比对熔 体前沿突破问题的影响做了数值模拟，得到了与m o l d f l o w 的模拟结果相吻合的 影响规律，即黏度比的高低与芯层熔体穿透深度成反向变化规律，而与穿透厚 度呈同向变化规律。同年，t n a g a o k a 3 6 】等在其研究中提到，在夹芯注塑过程中， 其基本特性取决于芯壳层熔体所占的比例，而芯层熔体的特性和壳层比又取决 于注塑条件，在他们的报告中发现，对于单种材料的夹芯注塑来说，比如只使 用h o m o p o l y m e r p p 材料和加入c o p o l y m c r p p 材料相比，注射速度对于成型的影 响是不一样的，在单种材料中，注射速度几乎不起重要影响，而在双材料中， 注射速度的影响举足轻重，且随着注射速度的增加，芯层的横截面积比也是成 比例增加。 2 0 0 8 年，王涛网等通过对矩形板试样的成型过程进行数值模拟，分析探讨 了共注成型中熔体前沿突破问题产生的原因并建立了能够对前沿突破趋势进行 预测的数学公式，王涛等人指出矩形板长宽比大小与芯壳层熔体注射速度的大 5 第1 章绪论 小是芯层熔体出现前沿突破问题的主要因素。 2 0 0 9 年，李风仙1 3 8 】等人利用m o l d f l o w 软件对共注射成型过程中所出现的流 动和翘曲过程进行了模拟，分析了材料黏度比和工艺参数对制品翘曲变形的影 响程度，得出了材料黏度比，保压时间，壳层熔体温度，芯层熔体温度，模具 温度，注射时间对翘曲的影响依次降低的结论。并利用t a g u e h i 实验规划法获得 了各工艺参数的优化组合，促进了共注成型新技术在生产上的实际应用。 1 1 2 气辅注射成型技术( g a s a s s i s t e di n j e c f i o nm o l d i n g ，简称g a i m ) 在共注成型技术得到蓬勃发展的同时，另一种与其同时期出现的多组分成 型技术气辅注射成型技术，也经历着深入的研究与技术变革。气辅注射成型 技术的思想最早得益于发泡成型工艺【4 叫1 1 ，最初这种工艺只用在一些小制品的 生产上，但是随着工业的发展，人们把目光投向了具有更广泛市场的大型中空 制品的制造上，美国的h o o v e ru n i v e r s a l 公司、k m m c o 公司以及英国公司 p e e r l e s sf o a mm o l d e r s 对这种传统工艺进行了深入研究，推动了气辅注射成型技 术的迅速发展，随后，包括b a ：t t e n f e l d 、f e n 0 m a t i k 、s t o r k 、e n g e l 以及j o h n s o n c o n t r o l s 在内的许多公司都开始致力于发展与完善这项技术，并因为使用这种成 型技术而受益。 图1 7 为气辅注射成型过程示意图。 匡熏 鸡 ( a ) 注入聚合物熔体 穗 h “ 瑚l jj 蒸 ( c 一 翳睁 ( c ) 气体保压 ( d ) 开模取出 图1 7 气辅注射成型过程示意图 气辅注射成型技术的成型工艺过程为：首先，在成型模具内注入部分熔体 6 第1 章绪论 或是全部充满熔体，然后从气孔或者浇口处注入压缩气体，这样，事先注入的 熔体内部，由于压缩气体的推动会出现一个中空的截面，并且随着气体的不断 注入，熔体被穿透与排空，且能更好的充满整个模腔。待熔体充满模腔后，停 止气体的注入，冷却开模取出制件。一般来说，气辅注射成型所采用的气体为 氮气。在气辅注射成型过程中，熔体与气体的填充方式分为短射和满射两种【4 2 】， 在前一种方式中，气体的主要作用为推动熔体更好的充满模腔以及保压，而在 后一种注入方式中，气体充入的作用主要是保压，而不对熔体起推动作用。 与传统的注塑成型技术相比，气辅注射成型技术的主要优点】如下： ( 1 ) 在气辅注射成型中，气体压力能够迅速的进行传递，因而有效的保证 了气道内部压力分布均匀，从而实现了消除内应力的效果，对于降低气辅注射 成型制品的变形程度很有意义。 ( 2 ) 气辅注射成型过程中所需的锁模力相较于其他成型方式要低。 ( 3 ) 气辅注射成型中所产生的中空部分，可以在不增加质量的情况下，有 效提高产品刚度。 ( 4 ) 气辅注射成型中空部分的存在，有效减少了成型材料的用量。 ( 5 ) 由于气体的保压性质，可以有效减少制品的翘曲变形程度，保证制品 的表面质量。 2 0 世纪9 0 年代初，气辅注射成型技术主要用于带有空腔结构的产品的生产 【4 5 】。之后，随着气辅注射成型技术的不断改善与提高，如今这项技术被广泛运 用于家电、汽车、家具等多个领域的生产制造过程中。在汽车领域，整车的塑 料件中近8 0 是采用气辅技术成型的。在国内，包括科龙，康佳 4 8 - - 4 9 ，海尔等 在内的大型家电类产品生产制造企业也都在自身产品的生产中引入了该项技 术。 气辅注塑成型的广泛应用对于成型工艺的发展具有重要的意义，为了不断 改进与提高这种成型技术，国内外学者也开展了大量针对其成型机理与成型规 律的研究，由于气辅注塑成型技术中涉及到气体的注入过程，所以也增加了影 响气辅成型制品质量的因素，像气道的布置及其截面形状、熔体的预注射量、 熔体注射温度等，都会对成型制品造成影响，因而需要通过大量的实验与模拟 来建立一套最优的成型设计方案。 周应国【5 2 】等在中面模型与三维实体模型两种模型的基础上对气辅注射成型 的熔体充填过程进行了模拟，对比了在选择不同程度的熔体预填充量进行充填 7 第1 章绪论 模拟时，两种模型所计算出的结果，得出当熔体预充填量减小的时候，三维实 体模型所模拟出的结果更趋近于实际结果，可见，为了保证数值模拟的准确性， 提高研究的精确性，三维实体模型在数值模拟研究中的应用必将成为趋势。 魏常武【5 3 1 ，辛勇【剐等针对气辅成型过程中的一些主要过程参数，如熔体温 度，延迟压力，气体压力等对气体辅助成型中所出现的气体穿透长度与厚度的 影响规律进行了机理分析。孔倩【5 5 】等以矩形平板型腔为例，系统研究了气辅注 射成型过程中，过程参数对气体穿透的影响规律，指出熔体注射温度的高低， 气体充填压力的大小以及熔体充填量的多少与气体的穿透长度成反向变化规 律，另外，文献中还对将夹芯注塑成型理论应用于气辅成型过程的研究中的可 行性进行了验证。 郑州大学蒋志辉【5 6 1 等人通过c a e 仿真技术对气辅注射成型过程进行了模 拟，并通过t a g u c h i 技术对影响气辅注射成型件翘曲变形程度的几个主要参数进 行了优化分析，在所研究的几个参数中，延迟时间与熔体的预填充量是造成翘 曲变形的主要因素，熔体温度对翘曲的影响最小，另外，在其研究中还运用了 b p 神经网络建立了用于预测气辅成型制品翘曲产生的模型。 为了解决冷却时间过长和流动波纹等问题，s e o n g y e o lh a n 5 7 等设计了一种 新的气辅注射成型过程( g m m ) ，叫做r g i m ，即逆流气体注射成型，如图1 8 所示。这种新的工艺有两个特别的单元，一个是它对溢出材料的回收装置，这 个可以降低材料的使用，另一个就是冷却空气单元，可以使得冷却过程加快。 通过实验证明，r g i m 技术有效降低了冷却时间，比传统的气辅注塑成型技术要 提高约5 0 的效率。 图1 8r g i m 工艺流程图 8 第1 章绪论 年来，通过在气辅注射成型技术的原有工艺基础上融合其它先进技术，还 发展出了多种新型的气辅注射成型技术【弼】，其相关介绍如下： ( 1 ) 外部气体辅助注射成型技术。顾名思义，这种成型技术闻的主要特点 就是气体不再是注入到熔体的内部，而是注入到熔体与模具之间，因此对于一 些无法设置气道的制品，采用此种成型方式可以有效避免，另外，这种注射成 型方式还可用于具有高表面质量产品的生产。 ( 2 ) 振动气辅成型技术。当采用这种成型技术进行生产时，推动熔体流动 的气体被换成了具有一定振动强度的“动态气体 【5 蝴】，有效降低了熔体的粘弹 性，极大改善了熔体的流动状态与流动取向，避免了缩痕等问题的出现。 ( 3 ) 冷却气体气辅成型技术。冷却气体的引入可以获得较光滑的内表面， 且能够保证冷却的充分，降低残余壁厚【6 1 1 。 。 ( 4 ) 多腔控制气辅成型技术。该技术的主要成型机理是：利用成型过程中 气体产生的模压，并结合专用切断阀的使用来实现模腔内材料的多腔控制1 6 2 】。 这些新技术的出现使得气辅注射成型技术的应用范围以及成品质量都得到 了阶段性的进步，可以预见，在未来的工业生产中，这种多种技术有效结合的 发展方式将成为技术革新的一种发展新趋势，并对工业生产的发展产生长远的 影响。 1 1 3 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 nm o l d i n g ) 气辅共注成型技术【6 3 】的成型工艺过程为：首先，如共注成型技术一样，在 模腔内注入部分的芯壳层材料，然后通过浇口或气孔向芯壳层熔体内部注入气 体，待熔体材料都充满模腔后，停止注入，冷却后开模取出制品即可。从以上 所述可以看到，气辅共注成型技术实际上就是对共注成型技术与气辅注射成型 技术的一种整合，因而其最终成型出的制品为带有中空结构的多层材料复合制 品，并继承了两种成型技术的大部分优点。 气辅共注成型技术的主要优点如下： ( 1 ) 与气辅注射成型技术所成型出的产品一样，由于中空结构的存在，产 品的质量轻，但刚性高。 ( 2 ) 气体充入后对成型件的保压作用，有效降低了残余应力的存在，减少 了制品出模后的翘曲变形程度。 9 第1 章绪论 ( 3 ) 所成型出的制品由于为多材料复合结构，因而可以整合不同材料的特 性而具有新的特殊性能。如更好的触感，外观等。 ( 4 ) 与共注成型技术的成型产品一样，可以运用回收性材料进行芯层的填 充，从而节约生产的成本。 气辅共注成型技术虽然整合了两种成型技术的优点，能够适用于更多的成 型要求，但由于包含了多种成型技术，因而其成型过程中所涉及到的问题也更 为复杂，需要考虑与注意的因素也更多，要成型出具有良好质量的制品，就必 须对多种工艺参数对气辅共注成型过程中，气体以及熔体的复杂流动过程的影 响机理有所掌握。 在气辅共注成型中，成型制品抵抗弯曲变形或是冲击变形的能力与熔体材 料的厚度分布有着密切关系，因此，匡唐清【删等针对这一影响气辅共注成型制 品质量的一个重要因素一芯壳层熔体厚度分布，进行了相关研究，主要通过改 变熔体黏度对问题进行了探讨，得出黏度过低容易发生穿透，黏度过高则熔体 流动受阻，造成厚度的严重分布不均的结论。 周国发【6 5 】等针对气辅共注成型过程中熔体温度，气体填充量与气体延迟时 间三个工艺参数进行了研究，得出了这三个参数对气辅共注成型中气体穿透情 况变化的影响规律，并揭示了其影响机理。孙懋【6 6 1 等在全三维数值模型的基础 上，系统研究了芯壳层熔体黏度比对气辅共注成型充填过程中熔体流动的影响 规律，并提出了熔体填充过程的界面追踪和前沿重构技术。h u a m i nz h o u 6 7 j 等在 气辅成型熔体流动研究中，提出了一个名为h s c a e g 的模型，用于对气体穿透 厚度比进行分析，并对熔体填充阶段的边界条件所造成的气体的穿透现象进行 了研究。 在气辅共注成型中，模具设计是否合理，材料选择是否恰当都是影响成型质 量的重要因素，对于成型材料的选择，一般选用较韧且不易被气体穿透的材料， 且芯壳层熔体材料一般需要具有一定相容性与黏连性，以保证多层结构间的结 合强度，而模具设计方面主要体现在气道位置或是浇口位置的布置是否合理。 m a p a r v e z 醯】等人就对气辅共注成型的过程变化和气道结构对气辅成型的影响 做了相关研究，通过使用m o l d f l o w 进行了计算模拟，发现浇口的大小，延迟时 间的长短在很大程度上影响着气泡的穿透和残余壁厚，而气道如果增加了圆角 的话，可以改善成型条件，而且对残余壁厚来说，气道中的壁厚并不均匀，圆 角的增加可使过渡角更平整。 1 0 第1 章绪论 1 1 4 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 nt e c h n i c ) 水辅注射成型技术【班翻最早起源于德国，其成型工艺过程与气辅注射成型 技术的工艺过程大体一致，只是将充入的气体替换成了水，与气体不同，水的 黏度要远大于气体的黏度，且不易压缩，因而当水充入时，其流动前沿比较坚 实，对熔体产生一个挤压的作用，从而形成中空结构。 水辅注射成型技术主要有如下几个优点： ( 1 ) 由于水的高导热性，因此当水注入到熔体内部后，可以直接在内部对 熔体进行冷却，大大缩短了成型工艺的周期。研究表明，采用水辅注射成型技 术进行成型时，其成型周期最大可减少7 5 左右。 ( 2 ) 根据s h i h - j u n gl i u 乃】的研究表明，与气辅注射成型技术相比，水辅注 射成型技术所成型出的产品内壁要更光滑，这是因为充入介质换成水后，熔体 不容易被渗入而产生气泡。 ( 3 ) 水介质比较容易获得，也容易回收，因此大大降低了成型的生产成本。 除了上述优点外，水辅注射成型技术仍然具有其的局限性： ( 1 ) 为避免出现漏水，对于模具的密封性提出了更高的要求。 ( 2 ) 在成型固化后增加了脱水的工序，在脱模之前首先要将芯层内的水排 空排净。 ( 3 ) 对于成型材料的选择更为严格，并不是所有材料都能够用于水辅注射 成型。目前来说，常用的适合材料主要有尼龙6 6 和聚丙烯。 水辅注塑成型技术主要在欧洲得到发展，在欧洲这一技术的商业应用比在 北美或亚洲更为领先。 1 1 5 气辅挤出成型技术和气辅共挤成型技术 共挤出技术【7 4 】主要用在板式或片状结构的产品生产中，这种成型技术与之 前提到的几种多组分注塑成型技术的不同在于，其工艺过程为一步法加工过程， 且其主要是通过挤出机将多种聚合物材料同时挤出至一个机头中成型，而非注 入成型模具中进行成型。 共挤成型技术具有多种优点： ( 1 ) 它可直接在成型过程中通过添加特定溶剂而获得具有特殊性能的产 品，避免了传统的在成型后期再进行产品涂层处理等的繁杂步骤。 ( 2 ) 生产成本低、工艺简单、能耗低、生产效率高、制品种类多。 第1 章绪论 气辅挤出成型技术与气辅注射成型技术不同，它最早是由英国的 r h l i a n g t 7 5 】等在2 0 0 0 年提出的。气辅共挤成型技术在传统共挤出成型的基础上 有一个重要创新【7 6 1 ，即在气辅共挤成型过程中，聚合物熔体和口模之间有一个 气垫模层，能够有效的降低熔体的挤出压力，改善熔体的流动情况，有效的解 决了传统共挤成型的离模膨胀、界面翘曲变形，不稳定等问题。2 0 0 3 年，鄢超【_ 7 。7 】 等人针对气辅挤出成型技术做了系统的介绍，并提出了挤出口模的设计应与气 辅挤出装置与设备的结合相适应的思想。 虽然这种创新技术的应用可以保证成型制品尺寸的准确性，节约成本，但 是根据m rm a c k l e y 7 8 】的研究，这个创新对于制品表面质量的改善作用并不明 显，它只是转移了应力集中出现的位置，从口模出口处转移到了注气口处。胡 晨章【7 9 】等于2 0 0 6 年针对可能影响气辅挤出成型制品成型质量的工艺参数与流变 性能参数做了系统研究，同年，蔡奎【8 0 j 等人对气辅共挤成型中各层材料间的熔 体流变性能差异所造成的界面不稳定问题和口模压降进行了数值模拟，系统研 究了造成成型过程中材料间界面不稳定的因素的影响规律，并揭示了其影响机 理。研究表明，界面不稳定与材料间的温度比、速度比、以及黏度比有关，其 中与温度比、速度比的变化成反比，与黏度比成正比变化。图1 9 为双层共挤出 流道结构图，图1 1 0 为气辅共挤口模 b ：餐二黼2 匮型蔓薹录硼晶 图1 9 双层共挤出流道图1 1 0 气辅共挤口模 1 1 6 包塑成型技术( o v e r m o l d i n g ) 包塑成型技术是一种与共注成型类似的成型技术，其成型原理见图1 1 l 。 不过在进行包塑成型时，成型分为两个阶段，并在不同的成型模具中完成。通 常将包塑成型过程中一次成型阶段所使用的材料称为基底材料，而二次成型阶 段所使用的材料称为覆盖材料。其成型工艺过程为：首先，将基底材料注入到 成型模具内，待熔体材料冷却固化，取出一次成型阶段所生成的半成品，放入 到另一模具中进行二次成型，在二次成型阶段时注入覆盖材料，使得一次成型 1 2 第1 章绪论 时的半成品被覆盖材料所包覆，从而最终获得结合两种材料的组合制品。 c ) 第二谈注射前( d ) 第二浚注射后 图1 1 1 包塑成型( o v e r m o l d i n g ) 示意图 嵌入成型与多次注塑成型都可归结为特殊的包塑成型方式，嵌入成型与包 塑成型的不同主要在于内核材质的不同，嵌入成型的内核一般为金属件，而包 塑成型的内核多为塑料件或是一次成型阶段材料成型的半成品件；多次注塑成 型与包塑成型的主要区别在于，多次注塑成型过程中，其成型阶段被分为多次， 且在一次成型后，它的下次成型阶段模具的改变是通过模具自身运动实现，而 不是如包塑成型一样需要不断的将上一阶段成型出的制品转移至不同的模具 中，进行下一阶段的成型。一般而言，简单的包塑成型如嵌入成型的生产成本 相对来说要比多次注塑成型低，因而适用于成本低，结构简单，对质量要求不 高的制品生产，而多次注塑成型对于注塑设备与工艺的要求较高，常用于成型 界面或结构较为复杂的制品。 在采用包塑成型技术进行成型时，其成型产品的质量受到很多因素的影响， 如熔体温度，模具结构，注射速度等。比如温度，在包塑成型过程中，温度的 高低直接影响到包塑成型中两种材料的界面结合性能，在覆盖材料注入时，其 温度会对基底材料的温度分布产生影响，当覆盖材料的温度较高时，则基底材 料的温度就可能在其影响下超过自身的熔点而发生熔化，帮助两种不同材料融 合，但若温度过高，就会造成基底材料彻底熔化，而产生废品，温度过低，又 无法熔化基底材料，造成两种材料件间结合性能不好，因此保证温度的精确性 以及材料的匹配度适当能够有效的避免废品的产生，保证成型制品的质量，降 低材料的浪费率。另外，对于包塑成型所使用的成型模具，在设计的过程中要 尽量避免类似尖角，急转之类的结构，降低出现成型缺陷的可能性，对于浇口 1 3 褂 罩一 p a 、 料 材 瞥譬臂一匿 第1 章绪论 位置的分布也需综合考虑。综上所述可知，在包塑成型过程中，各种影响因素 是否能够优化组合，合理控制，对于整个成型过程或是整条生产线都至关重要， 因而开展对各个成型影响因素的相关研究也是必要的。 关于包塑成型所使用的材料，最常见的为聚乙烯，但包塑成型技术发展至 今，其可选材料也变的更多样，对于覆盖材料，有诸如热塑性聚亚胺酯，苯乙 烯乙烯丁烯苯乙烯聚合物，共聚酯等可选，而基材的选择通常可为丙烯腈丁， 二烯苯乙烯，尼龙等。 1 2 多组分注射成型的问题研究 1 2 1 相关文献研究 通过上一节中关于各种多组分成型技术的介绍可以看到，在多组分成型技 术的成型过程与熔体流动中所涉及到的成型机理比较复杂，对成型制件的质量 产生影响的因素也是多样的，因而，针对这些影响因素的影响规律与机理所进 行的研究与探讨都是必要的，以下总结了几种在多组分成型中较为常见的问题： ( 1 ) 熔体流动时有气泡产生，从而导致表面不光滑，成型表面质量不高。 ( 2 ) 熔体的注入温度过高或是成型过程的循环时间过长，从而导致成型过热。 ( 3 ) 熔体注射速度或者注射压力过小，导致熔体无法较好充满整个模腔， 造成制品缺陷。 ( 4 ) 当熔体在模腔内流动时，在孔洞结构或是其他固体隔断处会发生分流， 而后再重新汇合，这时，在熔体汇合处所出现的熔接线会极大影响制件的机械性能。 ( 5 ) 在进行顺序注入成型时，如多次注塑成型，二次成型阶段所流