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浙江工业大学硕士学位论文 夹层注射成型c a e 数值模拟研究 摘要 夹层注射成型是当前塑料加工行业中一种新的成型技术，它通过采用夹层注射装置将 两种聚合物同时或顺时注入到模腔，形成多层聚合物结构制品。在注射成型过程中，如何 避免芯层熔体前缘突破，增加芯层物料的填充量，获得具有较大熔体穿透深度以及层厚均 匀分布、翘曲变形小的制品，对于指导实际生产、应用和理论研究都有十分重要的意义。 本课题选用工程塑料a b s 、p a 和常用塑料p c 、p p ，通过m o l d f l o w 公司开发的 m o l d f l o wp l a s t i c si n s i g h t ( m p i ) 软件中的c o i n j e c t i o n 模块对夹层注射成型过程进行流动 和翘曲数值模拟分析，从芯层熔体前缘突破、芯层熔体穿透深度、制品均匀性及翘曲变形 等方面进行研究。 通过数值模拟，显示芯壳层熔体黏度比r 对芯层熔体的流动行为有显著影响。随着 r 值的增大，芯层熔体突破趋势减弱，芯层物料填充量增大，但芯层熔体穿透深度变小， 制品均匀性降低；芯层熔体温度提高与壳层熔体温度提高对芯层熔体填充量和制品均匀性 的影响方向正好相反，芯层熔体温度提高将降低芯层物料填充量和熔体的均匀性；至于模 具温度，其变化对芯层熔体含量、均匀性等影响较i x ；熔体流速对芯层熔体流动行为在四 种工艺参数中的影响最为突出，一是流速变化直接影响熔体的黏度，导致芯壳层熔体黏 度比r 发生变化：二是熔体流速改变直接影响熔体流动情况，包括充模方向和垂直充模 方向。 在模拟研究中发现，熔体温度和熔体流速对上述研究的影响较为复杂，其影响要根据 不同的材料而定。主要是不同材料的黏度对熔体温度和熔体流速引起的剪切速率变化敏感 性不一样，若材料黏度对熔体温度或剪切速率比较敏感，则温度或熔体流速对芯层熔体前 缘突破、穿透深度、熔体均匀性等影响显著；反之则影响不明显。 通过本课题，研究了熔体黏度比、熔体温度等工艺参数对夹层注射成型的影响关系， 为正确选择成型材料、调整工艺参数提供技术指导，为商品化生产、理论研究提供参考依 据。 关键词：夹层注射，前缘突破，穿透深度，均匀性，翘曲变形 浙江工业大学硕士学位论文 r e s e a r c ho nt h ec a en u m e r i c a ls i m u l a t i o n o f c o - i n je c t i o nm o l d i n g a b s t r a c t a san o v e l m o l d i n gp r o c e s si np l a s t i cp r o c e s s i n gi n d u s t r y ，t h ec 0 - i n j e c t i o nm o l d i n g t e c h n o l o g yi s t o i n j e c td i f f e r e n tp o l y m e r sm e l ti n t o t h em o l dc a v i t ys i m u l t a n e o u s l yo r s e q u e n t i a l l yt om a n u f a c t u r et h ep o l y m e rp r o d u c tw i t has a n d w i c hs t r u c t u r e h o wt oa v o i dt h e b r e a k t h r o u g hp h e n o m e n o no fc o r em e l ta n di n c r e a s et h ec o n t e n to fc 0 糟m a t e r i a li nt h e i n j e c t i o nm o l d i n gp r o c e s s ，a n do b t a i nt h ep r o d u c tw i t hh i g hp e n e t r a t i o nl e n g t ho fc o r em e l t , u n i f o r m i t yo fd i s t r i b u t i o nf o rc o r em a t e r i a la n ds m a l lw a r p a g ea r eo fg r e a ts i g n i f i c a n c ef o r p r a c t i c a lp r o d u c t i o n , a p p l i c a t i o nr e s e a r c ha n dt h e o r e t i c a lr e s e a r c h t h i sp a p e rc h o o s et h em a t e r i a lo fa b s ，p a ，p ca n dp pt or e s e a r c ht h eb r e a k t h r o u g h p h e n o m e n o no fc o r em e l t ，p e n e t r a t i o nl e n g t ho fg o r em e l t , u n i f o r m i t yo fd i s t r i b u t i o nf o rc o r e m a t e r i a la n ds m a l lw a r p a g e ，b yt h en u m e r i c a ls i m u l a t i o no ff l o wa n dw a r p a g ei nt h e c o - i n j e c t i o nm o d u l eo fm o l d f l o wp l a s t i c si n s i g h t ( 咿i ) s 0 1 c a r eo fm o l d f l o wc o m p a n y t h er e s u l to fs i m u l a t i o ns h o w st h a tt h ei n f l u e n c eo ft h ev i s c o s i t yr a t i oc o r e s k i nt ot h ef l o w o fc o r em a t e r i a li st r e m e n d o u s a st h ev i s c o s i t yr a t i oc o r e s k i ni n c r e a s e d ，t h eb r e a k t h r o u g h p h e n o m e n o no fc o r em e l ti sr e d u c e d , t h ec o n t e n to fc o r em a t e r i a li si m p r o v e d ，b u tt h e p e n e t r a t i o nl e n g t ho fc o r em e l td e c r e a s e da n dt h eu n i f o r m i t yo fd i s t r i b u t i o nf o rc o r em a t e r i a l d e b a s e d t h er e s u l to fi n c r e a s i n gs k i nm e l tt e m p e r a t u r ea n dc o r em e l tt e m p e r a t u r ea r ec o n t r a r y t h ei n c r e a s i n go fc o r em e l tt e m p e r a t u r ew i l ld e c r e a s et h ec o n t e n to fc o r em a t e r i a la n d u n i f o r m i t yo fd i s t r i b u t i o nf o rc o r em a t e r i a l t h ei n f l u e n c eo fm o l dt e m p e r a t u r eo nt h ec o n t e n t o fc o r em e l ta n du n i f o r m i t yf o rc o r em a t e r i a li ss m a l l m e l tf l o wr a t eh a sp r o m i n e n ti m p a c to n t h ef o u rt e c h n o l o g yp a r a m e t e r so fc o r em e l tf l o w t h ec h a n g eo fm e l tf l o wr a t ec a u s e dt h e c h a n g eo ft h ev i s c o s i t yr a t i oc o r e s k i n ，a n di ta l s or e s u l ti nt h ef l o ws t a t u so f m e l ti n c l u d i n gt h e f i l l i n gd i r e c t i o na n dv e r t i c a lf i l l i n gd i r e c t i o n t h er e s e a r c hr e s u l t so fs i m u l a t i o ns h o wt h a tm e l tt e m p e r a t u r ea n dm e l tf l o wh a v em o r e c o m p l i c a t e di m p a c to nt h ef a c t o r sm e n t i o n e da b o v e t h ei n f l u e n c er e l a t e dt om a t e r i a l s t h e 浙江工业大学硕士学位论文 一一o 。一 v i s e o s i t yo fd i f f e r e n tm a t e r i a l sh a sv a r i o u si n f l u e n c e so nt h es h e a rr a t ev a r i a t i o ns e n s i b i l i t y c a ：u s e db ym e l tt e m p e r a t u r ea n dm e l tf l o w i ft h ev i s c o s i t yo fm a t e r i a li s s e n s i t i v et om e l t t e m p e r a t u r eo rs h e a rr a t e ，t h ei m p a c to fm e l tt e m p e r a t u r eo rm e l tf l o wr a t eo n t h eb r e a k t h r o u g h p h e n o m e n o no fc o r em e l t , p e n e t r a t i o nl e n g t ho fc o r em e l ta n du n i f o r m i t yo fc o r em a t e r i a l w o u l db es i g n i f i c a n t , a n dv i c ev e r s a t h ei n f l u e n c e so fm e l tv i s c o s i t yr a t i oc o r e s k i na n dm e l tt e m p e r a t u r eo nt h ec 0 。i n j e c t i o n m o l d i n ga r er e s e a r c h e d , w h i c hp r o v i d er e f e r e n c eb a s i sf o rt h es e l e c t i o no fm o l d i n gm a t e r i a l ， a d j u s t m e n to ft e c h n o l o g i c a lp a r a m e t e r , c o m m e r c i a l i z a t i o np r o d u c t i o na n d t h e o r e t i c a lr e s e a r c h k e y w o r d s ：c o - i n j e c t i o nm o l d i n g ， u n i f o r m i t y ，w a r p a g e 浙江工业大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所提交的学位论文是本人在导师的指导下，独立进行研究工作 所取得的研究成果。除文中已经加以标注引用的内容外，本论文不包含其他个人或 集体已经发表或撰写过的研究成果，也不含为获得浙江工业大学或其它教育机构的 学位证书而使用过的材料。对本文的研究作出重要贡献的个人和集体，均已在文中 以明确方式标明。本人承担本声明的法律责任。 作：弘辱 日期：67 年厂口月，日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保留 并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本 人授权浙江工业大学可以将本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和汇编本学位论文。 本学位论文属于 1 、保密口，在年解密后适用本授权书。 2 、不保密瓯 ( 请在以上相应方框内打“ ) 日期：口年c 口月r 日 日期：d 7 年i o 月万日 辱， 磐矽嚣 名名签签者师作导 浙江工业大学硕士学位论文 第1 章绪论 随着科学技术的进步，塑料工业迅速发展，人们对制品的质量要求也越来越高。今后， 塑料制品将向高性能、多功能复合结构和绿色环保方向发展，传统的注射成型由于其工艺 的局限性，已难以适应发展的需要，因此涌现出许多新兴成型工艺，夹层注射成型就是其 中之一叫。 夹层注射成型( c o - i n j e c t i o nm o l d i n g ) ，又称三明治射出成型( s a n d w i c hi n j e c t i o n m o l d i n g ) 就是同时或顺时将不同的聚合物熔体注入模腔。在模腔内，聚合物熔体以多相分 层流动充模成型，最终聚合物熔体固化形成多层复合注塑件圆。夹层注射成型在2 0 世纪 7 0 年代初期英国i c i 公司就开始应用这一技术，并且取得了基础理论、生产产品及机器设 备等专利口1 ，而在之后的数十年当中，一些研究者及生产者不断改进生产设备和成型技术 以改善原有技术所存在的不足，并不断发展成单流道成型( s i n g l ec h a n n e lt e c h n i q u e ) 、m o n o 夹层注射成型( m o n os a n d w i c ht e c h n i q u e ) 、双流道成型( t w oc h a n n e lt e c h n i q u e ) 和三流道 成型( t h r e ec h a n n e lt e c h n i q u e ) 这四种主要的成型技术。 夹层注射成型技术适用性好，具有许多其它塑料成型技术无法比拟的特殊功能，可生 产出具有耐磨、耐热、耐腐蚀、高强度、表面美观等优良性能的制品，可综合利用各层材 料的特性来实现制品的多功能，可以降低塑料制品的生产成本等。但由于夹层注射成型机 理复杂，涉及多相分层流动、未知的移动边界和边界条件、复杂的几何形状及界面不稳定 性等问题及之间的偶合，对注射成型设备需要特殊要求，推广较慢。现在，随着人们对注 射成型机理的的实验和研究，以及注射机械工业和自动控制技术水平的发展，夹层注射成 型工艺的应用已经越来越广泛，并具受到人们的重视。目前，夹层注射成型技术的主要应 用领域包括汽车、电子、家具、包装、化工、光学和医疗器械等行业。 1 1 夹层注射成型技术分类 一般情况下，夹层注射成型按其工艺不同可以分为单流道成型、g o n 夹层注射成型、 双流道成型和三流道成型四种主要的成型技术。 1 1 1 单流道成型技术 单流道成型h 吲采用的注射机般由两个注射单元组成( 如图i - i ) ，其工艺过程如下： 一l 一 浙江工业大学硕士学位论文 首先，注射壳层熔体局部填充模腔。其中，壳层熔体注射量取决于壳层与芯层的比例，而 该比例由制品的工艺及所要求的性能所决定；当壳层熔体注射量达到要求后，转动熔料切 换阀，开始注射芯层熔体，芯层熔体进入预先注入的壳层熔体内部，迫使壳层熔体进入模 腔的空隙部分。由于壳层熔体的外部已固化，芯层熔体不能渗透，从而将芯层熔体包覆起 来，形成壳层芯层结构。最后，熔料切换阀回到起始位置，继续注射壳层熔体，将流道 中的芯层熔体推入注塑件中并封模。 图1 - 1 单流道成型技术 对于这种成型技术，生产者可以通过调节注射工艺参数( 如注射速度等) 获得具有不同 壳层厚度的注塑件。然而，在壳层和芯层熔体通过熔料切换阀进行切换时，模腔内压力下 降口捌( 如图1 - 2 ( a ) ) ，壳层熔体料流前缘出现短暂的滞流现象，以致夹层注射制品表面存 在暗纹或晕纹等缺陷。 ) i ) r f l 厂 沙 、 曩二 广 l 7 ， ( a ) 顺序注射壳芯层熔体( ”同时注射壳芯层熔体 图1 - 2 夹层注射成型中注射速度与注射压力分布图 1 1 2m o n o 夹层注射成型技术 f e r r o m a t i km i l a k r o n 利用顺序夹层注射成型工艺提出m o n o 夹层注射成型【9 1 技术，这种 毪射蘧震覆麓压力 浙江工业大学硕士学位论文 技术与单流道成型技术有所相似。其工艺过程如下：首先，通过一个辅助料筒对壳层物料进 行塑化，并推动壳层熔体到达主料筒的螺杆前缘。在壳层熔体的挤压作用下，主注射机的 螺杆后移，而壳层熔体的输送量则由行程信号来确定。当堆积在螺杆前缘的壳层熔体达到 某一行程点后，控制系统则从控制辅助塑化装置转化到主塑化装置。芯层物料在主塑 爆扦罄钢舔 l 汹 图1 - 3m o n o 夹层注射成型技术 化装置中充分塑化后，主塑化装置中的螺杆推动壳芯层熔体依次进入模腔，并最终形成壳 层芯层结构( 如图1 3 ) 。相对单流道成型技术，m o n o 夹层注射成型技术不仅设备结构和成 型过程简单，而且可以避免注塑件表面产生暗纹的缺陷，获得具有高表面性能的制品【1 0 1 。 浙江工业大学硕士学位论文 与此同时，该技术还可以用于生产薄壁制品，尤其是对于简单的轴对称制品。然而， 由于加工设备的简单而缺乏精确的注射工艺参数控制，m o n o 夹层注射成型技术很难用于 生产形状复杂的夹层注射制品。 1 1 3 双流道成型技术 双流道成型技术是由b a t t e n f e l d 和其他一些研究者【l l 】于2 0 世纪7 0 年代中期所提出的。 该技术一般是将两个独立的注射单元通过一个特殊的喷嘴而连接起来，而喷嘴的设计往往 依据不同的需求而设定。b a t t e n f e l d 所采用的是一种特殊的环形浇口( 如图1 - 4 ) ，壳层熔体 与芯层熔体分别通过外围环形喷嘴与中心喷嘴注入模腔。该成型技术的具体工艺过程如 下：首先，在型腔内注入一定量的壳层材料局部填充模腔。当壳层材料注射量达到要求后， 同时注射壳层与芯层材料。最后，顺序切断芯层与壳层熔体料流，利用壳层熔体封模。 图1 4 双流道成型技术 双流道成型技术具有较高灵活性，可以在充模过程中独立控制壳层和芯层熔体注射速 度，避免壳层熔体料流前缘出现短暂的滞流现象( 如图1 2 ( b ) ) ，杜绝夹层注射注塑件表面暗 纹或晕纹等缺陷的产生。此外，这种独立的注射单元操作可以更好地控制壳层厚度。 该成型技术的主要缺点【1 2 】在于芯壳层熔体分布不均：在近浇口区域，由于熔体流动所 产生的摩擦热致使壳层物料再次熔融而被刮带向前运动，以致壳层厚度在该区域往往过 薄；而对于远离浇口的区域，情况则相反。 1 1 4 三流道成型技术 鉴于双流道成型技术的弊端，三流道成型技术【1 3 1 应运而生。如图1 5 所示，三流道成 型技术是指在浇口中心处增设一个辅助流道注射壳层熔体。这个流道可以使壳层熔体注入 一4 一 浙江工业大学硕士学位论文 到模腔的另一面，这使得两个面上的壳层材料的厚度可以调节。但是这种技术只限于中心 浇口制品，对于其它浇口制品或者模多腔的情况，选择双流道或者是单流道成型技术更 为可取。 图1 5 三流道成型技术 1 2夹层注射成型技术的优越性与局限性 夹层注射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n 铂： ( i ) 可部分解决废旧塑料回收利用问题，实现可持续发展。夹层注射成型技术可将 废旧塑料做为芯层材料，将优质塑料做为壳层材料。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 ) 可生产性价比较高的塑料制品。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。而夹层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。 ( 3 ) 可满足塑料制品功能多样化的要求。夹层注射成型综合各层材料的独特性能， 生产具有电磁屏蔽、隔光、隔氧、隔水蒸汽等多种功能的复合注塑件，这是传统的注射成 型技术所不能实现的。例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电器外壳等制品。 夹层注射成型具有诸多优点，但大量的实验及模拟研究反映，这种新型的成型技术仍 存在诸多局限性，主要由夹层注射复杂的成型机理所影响。主要考虑三个方面的问题： 浙江工业大学硕士学位论文 ( 1 ) 由于成型机理复杂，成型设备需要两套( 或多套) 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，完成同一个制品的注塑生产 周期。在夹层注射机头处将两种注射的部件结合在一起，并要求有协调它们动作步骤的自 动控制装置。故所需的设备费较普通注射成型高5 0 1 0 0 t ”】； ( 2 ) 对注塑模具和生产制品的结构受限制，很难对一模多腔、尖角、加强筋等具有 特殊结构的模具或制品进行注射成型，其适用范围较小。 ( 3 ) 对物料的选择极为复杂、苛刻。要构成多层复合聚合物制品，理论上来说，我 们可以选择性能差异极大的不同物料作为芯层与壳层材料，然而，在实际应用中，芯层与 壳层物料的选择却往往存在诸多限制【1 6 ，1 7 1 ，才能使复合结构制品符合实际应用要求。 1 3 夹层注射成型过程中的影响因素 夹层注射成型技术作为一种注射成型方法，受到注射成型过程中各种工艺参数的影 响，除了普通单组分注射过程中的各种因素外，夹层注射还要考虑以下各方面的因素。 1 、材料 ( 1 ) 芯壳材料的黏度 材料的黏度对于注射成型有着显著影响，夹层注射成型也不例外。对于给定的剪切变 速率、力或应力要随材料的不同起变化，为了描述液体抵抗稳定剪切变的能力，引入了黏 度。 ，7 = 二 ( 1 。- 1 。) ，7 = 一_ l) y 式中：r 表观黏度，p a s f 一剪切应力，p a 尹一剪切速率，s d 在夹层注射成型的模拟过程中，基础思想是建立在两种聚合物材料在模腔中是层流 的。在对夹层注射广泛的研究中，已经指出了注射第二种材料相对第一种材料的黏度比在 结合面的成型过程中是一个非常重要的因素。如果黏度比过大，二次注射的芯层材料将很 难渗入到第一种材料的内部，使表层材料得到理想的厚度，而只会停留在注射入口附件的 区域。如果黏度比过小，芯层材料则有穿透表层材料的倾向。只有在合适的黏度比条件下， 才可能使表层和芯层材料得到理想的、均匀的厚度。 ( 2 ) 芯壳材料的匹配 塑料之间的匹配是夹层注射成型时需考虑的一个重要因素，要考虑两种或多种材料之 一6 一 浙江工业大学硕士学位论文 间是否经过注射成型后能成为一个整体，否则在成型过程中会产生各种缺陷。芯壳层物料 必须具有相近的收缩和膨胀性能，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；芯壳层物料在两者界面处具有一定的相容性和互粘性。材料粘合性能好， 界面层的作用力大，不容易分层、脱落。若芯壳层物料的选择不相匹配，容易在其注塑件 界面出现分层、剥落等诸多影响其实用性的问题。 ( 3 ) 芯壳材料的比例 在夹层注射成型过程中，为了避免芯层材料穿透壳层材料到达表面而造成废品，必须 要考虑到成型过程中芯壳材料的注射量。两种材料的体积比例直接影响着能否注射出合格 的产品。理论上芯层材料能达到整个部件所占体积的6 0 7 0 ，但在实际生产中，很难达到 这个比例，一般在3 0 左右。在制品结构复杂，模具设计不合理的情况下，比例会更低。 2 、结构设计 进行夹层注射产品结构设计前应注意：( 1 ) 先注入的壳层材料与模具接触时间最长， 因此接近注射口处的壳层材料较厚，此处不应过于狭小，以免熔体材料流动不畅；( 2 ) 产 品棱角和拐角处将累积较多的壳层材料，所以制品的截面形状最好为圆形，这样壳层厚度 最均匀，若是非圆形应避免尖角过渡；( 3 ) 当模具中的销钉和其它突起物将熔体分流时， 熔体流动路线被干扰，出现壳层流体材料在汇交处堆积；( 4 ) 模具中沟槽或其它凹下部分 一旦注入壳层材料后，很难再注入芯层材料： 3 、注射口位置 注射口的位置是保证产品质量的最关键因素，如果注射口选择不合理，尤其是在产品 的形状不对称时，特别容易出现产品质量问题。注射口位置的选择原则是：( 1 ) 应保证壳 层材料同时流动到产品的两边；( 2 ) 对于形状特别复杂的产品，在制做模具之前，应进行 流体的流动分析，从而确定注射口的最佳位置，以确保产品的质量。 1 4 夹层注射成型的研究现状 夹层注射成型赋予其制品诸多其它成型工艺所无法比拟的优越性能，具有相当高的经 济及实用价值。但这种技术的成型工艺控制以及物料的选择相当复杂，故近年来研究者通 过实验和数值模拟手段对芯层熔体前缘冲破现象、芯壳层物料分布均匀性和夹层注塑件的 力学性能这三方面进行了研究，并希望以此探悉夹层注射的成型机理，获得具有较高芯层 熔体填充量，均匀性好，力学性能优良的制品。 浙江工业大学硕士学位论文 1 4 1 芯层熔体冲破现象的研究 夹层注射成型充模过程属于三维瞬态非等温多相分层流动，芯层熔体前缘突破现象是 指在充模过程中芯层熔体前缘追上并超过壳层熔体前缘，使芯层物料露出制品表面、造成 废品的现象。一方面，研究者希望避免芯层熔体前缘突破现象的出现，以获得合格的成品， 而另一方面，他们期望获得具有较大芯层填充量的低成本注塑件。国内外学者通过不同方 式研究芯层熔体前缘突破现象，希望能够避免芯层熔体前缘突破现象的出现，获得具有较大 芯层填充量的低成本注塑件。 k t n g u y e n 等发现，在夹层注射充模过程中，芯层熔体前缘往往呈蘑菇形或v ” 字形流动。其中，d a i s u k e w a t a n a b e 等认为对夹层注射成型，熔体流动情况均可分为四个区 域：( 1 ) 初始注射区，仅壳层熔体注入模腔，并在模腔中充分扩展：( 2 ) 芯层熔体增长区， 芯层熔体注入模腔并在壳层物料内流动；( 3 ) 芯层熔体扩张区，芯层熔体前缘迅速扩张并 追赶壳层料流前缘；( 4 ) 芯层熔体突破区，芯层熔体前缘超过壳层熔体前缘。 在芯层熔体扩张区，壳层熔体料流前缘不以喷泉状流动，而以熔膜形式存在。芯层熔 体充分发展，对壳层熔体料流前缘产生拉伸变形，致使壳层厚度逐渐变薄。当壳层熔膜变 薄到一定程度时，芯层熔体料流前缘极易追赶上壳层熔体，即出现前缘突破现象【1 2 , 1 8 。 大量研究证实，芯层熔体前缘突破与物料性能有重要关系。钟序光等【1 9 】研究发现减小 芯壳层熔体黏度比，芯层熔体前缘突破趋势增加。c t l i 等【2 啦! 】选用p s 和l d p e 作为 物料，研究后也认为物料黏度与芯层熔体前缘突破有密切关系。当物料零切黏度比在 0 0 4 2 5 2 4 之间时，随芯层物料黏度增大穿透深度减小；反之穿透深度增大，易产生前缘 突破现象。张效迅等【2 2 】选用p m m a 和p s 分别作为壳层与芯层材料，模拟结果表明顺序夹 层注成型芯层熔体前沿突破主要取决于芯壳层熔体的前沿相对推进速度及两前沿间的距 离。s a i s y o u n g 等【2 3 】研究芯壳层零剪切黏度比介于o 0 4 2 4 0 之间的6 种物料，采用芯壳 层熔体穿透深度比三。讲蟹亿s k i n 表征熔体的充模情况，若叩哪砌。垴之1 0 ，说明芯层熔体发生前 缘突破现象。实验显示芯壳层熔体黏度比近似等于o 3 为芯层熔体发生前缘突破的临界值。 此外，研究者认为合理设定工艺参数可在一定程度上避免芯层熔体前缘突破。周国发， 张效迅等【1 9 ，2 2 ) 4 - 2 6 1 通过模拟和实验发现，芯层熔体熔融温度固定时，芯层熔体前缘突破的 趋势随壳层熔体熔融温度升高而减小；若壳层熔体熔融温度固定时，芯层熔体前缘突破的 趋势随芯层熔体熔融温度升高而增加，两者影响趋势相反。若芯壳层熔体熔融温度同时变 化，芯层熔体前缘突破的趋势取决于芯壳层熔体黏度比变化趋势。此外，随模温降低芯层 熔体前缘突破趋势增大。 c t l i 等【2 0 2 1 】研究表明芯壳层熔体的注射速率较大影响芯层熔体前缘突破。钱欣等 一8 浙江工业大学硕士学位论文 【3 5 】发现随壳层熔体注射速率降低，芯层熔体前缘突破趋势增大。芯壳层含量对芯层熔体前 缘突破的影响，r s e l d e n 等【2 1 , 2 2 , 2 4 - 2 6 ，2 8 】认为若芯壳层含量较大，或壳层熔体预填充量较小 时，芯层熔体前缘突破趋势增大。 1 4 2 芯层熔体分布均匀性的研究 通常以芯壳层厚分布及均匀性作为衡量夹层注射制品质量的关键技术指标。其主要影 响因素有材料性能、工艺参数以及制品的几何尺寸等。f i l i n c a 等例研究发现，芯层熔体穿 透深度较大程度决定于芯壳层熔体黏度比，而芯壳层熔体黏度比又依赖于温度，较大的 壳层熔体黏度使制品具有较厚的壳层和较大的穿透深度；相反地，较大的芯层熔体黏度使 制品具有较厚的芯层和较小的穿透深度。j l w h i t e 等盼剀研究发现对于等温夹层注射成 型，芯壳层熔体黏度比对物料分布有重要影响。当壳层熔体的黏度略小于芯层熔体黏度， 或者当芯壳层熔体黏度比介于1 5 2 0 之间时，壳层物料分布较为均匀。周国发等【3 1 】研究 发现随着黏度比r 增加，芯层厚度增加，芯层熔体在壳层熔体内的穿入深度减小。 g s c h l a t t e r 等【3 2 】选用两种不同的p s 作为材料，发现若芯层黏度较高，则芯层厚度 相对较大，且容易在浇口位置附近过分堆积，制品均匀性相对较差。m a r k p a r s o n s 等 3 3 】通 过对硬质p v c 分别与玻纤增强p v c ( g f r - p v c ) 、聚丙烯、a b s 和p c 物料进行夹层注射研 究发现，在浇口附近，芯层物料基本呈单相、连续状；而在模腔底部区域，由于芯层熔体 出现滞流现象使该区域内芯层物料分布量为零。v g 0 0 d s h i p 阱】此前研究认为，芯壳层物 料剪切黏度比r 介于0 5 5 为充模成型的最佳值。而研究结果却表明，尽管p m m a p c 两者的黏度比r = i 1 l ( 耳p 介于0 5 5 ) 时，充模过程中仍出现非层状流动。他们认为非层状流 动的程度与物料的挤出胀大特性有关。由于不同物料在夹层注射成型过程中具有不同的挤 出胀大特性和不同的松弛速度和压力。因此，在特定剪切应力下，由一种或两种物料产生 的弛豫振荡会引起间歇性流动的不稳定，其中弛豫振荡的振幅和频率都与型腔尺寸、物料 流速和物料自身的性能有关。 研究表明，工艺参数的调整也极大地影响制品的均匀性。w m y a n g 等人曾利用高 速摄影技术【2 刀，观察了芯层熔体在分流道入1 3 处的流动情况。发现对于高黏度g p p s6 8 5 和g p p s6 7 9 ，工艺参数几乎对壳层熔体的流动方式没有影响，但对芯层熔体的流动却存在 一定的影响。 g s c h l a t t e r 等【3 2 】的研究却发现壳层流速的改变对芯层穿透深度的影响不大；芯层 流速改变则芯层穿透的最大径向深度减小。周国发，孙懋，钱欣等【3 1 , 3 6 , 3 7 1 认为随壳层熔体 注射速率增大，芯层熔体的相对宽度增大，而相对穿透深度减小。当壳层注射速率增大到 一9 一 浙江工业大学硕士学位论文 一定值后，芯层熔体的相对宽度和相对穿透深度变化趋于平缓。m k a d o t a 等【3 9 】通过p p p p 夹层注射制品研究发现流速变化是影响芯层p p 厚度的主要因素，而这主要是因为注射速 度通过热传递的方式影响熔体的局部运动情况。钱欣等【3 9 】通过p o e p p 夹层注射模拟研究， 结论与m k a d o 讨3 硼一致。 除注射速度外，其它工艺参数也在一定程度上影响物料分布。孙懋等 3 6 , 3 7 】的模拟及实 验表明，若芯层熔体的熔融温度固定，随着壳层熔体熔融温度的升高，芯层熔体的相对穿 透深度减小，而相对宽度增大；若壳层熔体的熔融温度固定，随着芯层熔体熔融温度的升 高，芯层熔体的相对穿透深度增大，而相对宽度减小。此外改变模具温度、芯层物料含量 等也可以在一定程度上改善制品的均匀性。 还有一些研究者例如w m y a n g 2 7 和m a r kd m o s s 4 0 都曾提出合理的设计流道尺 寸，使充模过程尽可能的处于平衡状态，可以最大限度获得均匀的夹层制品。 1 4 3 夹层注射成型制品力学性能的研究 对于夹层注射成型制件的力学性能，研究者主要研究物料的选择以及芯壳层材料的含 量对其制品机械性能的影响，并利用微观技术研究两物料界面间的稳定性或结合能力。但 对夹层注射制品的内应力、翘曲变形等研究却很少。 g a k e y 4 1 】通过等温顺序夹层注射成型研究，发现芯壳层熔体注射技术对芯壳层物料分 布均匀性无显著影响，但是对芯壳层两相界面间的结合程度有直接影响。r s e l d e n 4 2 选用尼龙6 作壳层材料，聚丙烯作芯层材料，并将注射前经化学改性的一种聚丙烯作为相 容剂与芯层聚丙烯共混，以此研究相容剂浓度对夹层注射制品力学性能( 如弯曲模量、弯 曲强度和冲击强度等) 的影响。 r a s o u s a 等【4 3 】选用经磷灰石填充的h d p e 和碳纤维改性的h d p e 作为壳层与芯层 材料，通过对其力学性能的研究发现，这种夹层注射制品的断裂存在两种截然不同的模式： 壳层材料的脆性断裂和芯层材料的塑性断裂。n j e b a r a i tm e s s a o u d 4 4 l 选用纯p p 、填充1 0 和4 0 玻璃纤维增强的p p 作为物料，研究不同制品的拉伸模量和挠度。s o m j a t e p a t c h a r a p h u n 等【4 5 】通过变化熔体中玻璃纤维含量，研究发现随着玻璃纤维含量增大，夹层 注射制件最大张应力和最大冲击强度增大。 1 5m o l d f l o w 软件介绍 m o l d f l o w 软件是美国m o l d f l o w 公司的产品，该公司自1 9 7 6 年发行了世界上第一 套塑料注塑成型流动分析软件以来，一直主导塑料成型c a e 软件市场。m o l d f l o w 软件包括 一1 0 一 浙江工业大学硕士学位论文 三部分： 1 、m o l d f l o w p l a s t i c a d v i s e r s ( 产品优化顾问，简称m p a ) 这个产品为注塑制件设计及模具设计过程带来了革命性的变化，塑料产品设计师在设 计完产品后，运用m p a 软件模拟分析，在很短的时间内，就可以得到优化的产品设计方 案，并确认产品表面质量； ( 1 ) t h em o l 衄0 wp a r ta d v i s e r ( 塑件顾问) 塑件顾问使制件设计者在产品初始设计阶段就注意到产品的工艺性，并指出容易发生 的问题。制件设计者可以了解到如何改变壁厚、制件形状、浇口位置和材料选择来提高制 件工艺性。塑件顾问提供了关于熔接痕位置、困气、流动时间、压力和温度分布的准确信 息。 ( 2 ) t h em o l d n o wm o l d a d v i s e r ( 模具顾问) 模具顾问为注塑模采购者、设计者和制造者提供了一个准确易用的方法来优化他们的 模具设计。模具顾问大大增强了塑件顾问的功能，它可以设计浇注系统并进行浇注系统平 衡、可以计算注塑周期、锁模力和注射体积。可以建立单型腔系统或多型腔系统模具。和 塑件顾问一样，它基于网络的分析报告使使用者快速的交流有关模具尺寸流道尺寸和形 式，浇口的设计等信息。 2 、m o l d f l o wp l a s t i ci n s i g h t ( 注塑成型模拟分析，简称m p i ) 对塑料产品和模具进行深入分析的软件包，它可以在计算机上对整个注塑过程进行模 拟分析，包括填充、保压、冷却、翘曲、纤维取向、结构应力和收缩，以及气体辅助成型 分析等，使模具设计师在设计阶段就找出未来产品可能出现的缺陷，提高一次试模的成功 率。2 0 0 1 年年底，m o l d f l o w 公司发布了集m p l 2 0 与c - - m o l d2 0 0 0 7 功能于一体的 m p l 3 0 ，现已升级到6 1 版本，与m p l 2 0 相比，1 6 1 的模型准备与分析在统一的界面 下进行，大大简化了操作步骤，而且分析结果更准确。 3 、m o l d f l o wp l a s t i cx r ，e r t ( 注塑成型过程控制专家，简称m p x ) m p x 是专门为优化注塑生产过程而设计的。m p x 提供非常实用的功能如自动试模、 工艺优化、制件质量的自动监控和调整。它用系统化的技术取代了传统的试模并消除了因 生产条件的不稳定而导致的废品。m p x 直接与注塑机控制器相连，进行工艺优化和监控， 满足了注塑生产的要求。现在工艺工程师和试模人员可以系统化地进行试模，找到一个优 化工艺条件窗口并实现生产过程的实时监控。m p x 提供给注塑机操作人员一个简单的、直 观的界面。不必针对不同的注塑机对操作人员进行培训。m p x 提供实时反馈实现及时的手 工或自动工艺调整。m p x 使注塑生产商大大减少试模时间，使整个注塑生产周期更优化、 一1 1 浙江工业大学硕士学位论文 更高效。 m p x 有三个模块： ( 1 ) s e t u px p e r t ( 试模专家) 试模专家可以将多种参数设置或c a e 分析结果作为初始值，不受操作者和地点的影 响。试模专家自动优化注塑参数，并充分发挥注塑机的性能。无需操作者对不同的注塑机 性能具有深入的了解。 ( 2 ) m o l d s p a c ex p e r t ( 工艺专家) 工艺专家建立一个稳态的可以获得合格制件加工条件窗口。通过使用工艺专家过去需 要经过几小时试验才能获得的结果，现在仅需几分钟即可自动完成。操作坐标点根据反馈 自动调整。通过确认一个稳态的加工条件窗口，大大减少了废品率、提高了注塑机利用率。 ( 3 ) p r o d u c t i o nx p e a ( 注塑专家) 与一般的统计控制系统不同，注塑专家系统将注塑过程的监控参数图形化、并自动确 定质量控制极限。注塑专家自动的发现问题并提出调整建议，或自动进行必要的调整。 1 5 1m o l d f l o wp l a s t i ci n s i g h t ( m p i ) 功能模块介绍 1 、模型输入与修复 m p i 有三种分析方法：基于中心面的分析、基于表面的分析与三维分析。中心面既可 运用m p i 软件的造型功能完成，也可从其它c a d 模型中抽取，再编辑；表面分析模型与 三维分析模型直接读取其它c a d 模型，如快速成型格式( s t l ) 、i g e s 、s t e p 、p r o e 模型、 u g 模型等。模型输入后，软件提供了多种修复工具，以生成既能得到准确结果又能减少 分析时间的网格。 2 、塑料材料与注塑机数据库 材料数据库包含了超过4 0 0 0 种塑料材料的详细数据，注塑机数据库包含了2 9 0 种商 用注塑机的运行参数，而且这两个数据库对用户是完全开放的。 3 、m f f l o w 流动分析 m f f l o w 流动分析模块主要用于分析聚合物在模具中的流动，并且优化模腔的布局、 材料的选择、填充和保压的工艺参数。它可以在产品允许的强度范围内和合理的充模情况 下减少模腔的壁厚，把熔接线和气穴定位于结构和外观上允许的位置上，并且定义一个范 围较宽的工艺条件。 4 、m f c o o l 冷却分析 m f c o o l 冷却分析模块主要用于分析系统对流动过程的影响，优化冷却管路的布局和 一】2 一 浙江工业大学硕士学位论文 工作条件，与m f f l o w 相结合。可以得到十分完美的动态的注塑过程分析。这样可以改善 冷却管路的设计从而产生均匀的冷却