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夹芯注射成型过程的计算机可视化模拟分析 夹芯注射成型过程的计算机可视化模拟分析 摘要 夹芯注射成型作为一种新型的注射成型技术，如何避免芯层熔体 前缘冲破现象的出现、获得具有较大芯层熔体穿透深度以及均匀层厚 分布的产品对于它的实际应用和理论研究具有极为重要的意义。然 而，以往的研究无法为这一特殊的成型技术提供全面、快速的工程分 析结果以及动态可视化效果，缺乏系统地为材料的选择与匹配、工艺 参数的优化提供参考依据。本研究采用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 j z h t ( m p i ) 软件，并利用该软件中的c o i n j e c t i o n 模块对夹芯注射成型过程进行可视化动态模拟分析，研究讨论物料性 能和加工参数如熔体流速等对芯层熔体流动行为包括芯层熔体前缘 冲破现象和芯层熔体相对穿透深度、芯层物料分布及夹芯注塑制品均 匀 峰的影响。 模拟研究显示，芯壳层熔体粘度比r 对芯层熔体的流动行为具 有显著影响。若r 增大则s o 。值( 充模过程中恰好不发生芯层熔体前 缘冲破时，预填充壳层物料占总物料的体积百分数) 变小，芯层熔体 发生前缘冲破的趋势减弱，芯层熔体相对穿透深度则相应减小，芯层 物料分布均匀性显著降低。这主要与芯层和壳层熔体的相对流动能力 有关，以此我们也有理由相信合理地选择物料并予以匹配将极大地影 响熔体的流动行为与夹芯注塑制品最终的性能。在众多工艺参数中， i 夹芯注射成型过程的计算机可视化模拟分折 熔体流速变化对芯壳层熔体流动行为及制品均匀性的影响最为突出。 一方面，熔体流动速率的变化直接影响芯壳层熔体的粘度比r ；另一 方面，熔体流速的改变亦将影响芯壳层熔体的流动情况，包括芯壳层 熔体料流前缘形态及芯层熔体沿垂直充模方向的扩展情况等。而熔体 温度对芯壳层熔体流动行为与制品均匀性的影响则视具体材料而定。 至于模温，其变化对夹芯注射成型的影响相对较弱。 除了探讨物料性能与工艺参数对夹芯注塑成型过程的影响以外， 笔者以为研究者亦可从模具结构、浇口形式、翘曲变形等方面对这一 新型的注射成型技术进行研究，为商品化生产以及理论研究提供参考 依据。 关键词：夹芯注射成型，前缘冲破现象，穿透深度，芯层物料分布， 均匀性 壅苎堡整堕翌鎏塑塑过苎! ! 里塑些壁塑坌堑 s u a lc o m p u t e r b a s e ds i m u l a t i o no f s a n d w i c hi n j e c t l o nm o l d i n g a b s t r a c t a san e wi n j e c t i o nm o l d i n gt e c h n o l o g y , a v o i d i n gt 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 ，o b t a i n i n gl o n g e rp e n e t r a t i o nl e n g t ho ns k i n m e l ta n dg o o du n i f o r m i t yo fc o r em e l ti ns a n d w i c hi n j e c t i o nm o l d i n ga r e q u i t es i g n i f i c a n tf o ri t sa p p l i c a t i o na sw e l la st h e o r e t i cs t u d yo fs a n d w i c h i n j e c t i o nm o l d i n g h o w e v e r , t h o s ei n v e s t i g a t i o n sd e a l i n gw i t hc o i n j e c t i o nm o l d i n g h a v e b e e np u b l i s h e di nt h ep a s tt h r e ed e c a d e sc o u l dn o tp r o v i d e c o m p r e h e n s i v e ，p r o m p to r v i s u a la n dd y n a m i ca n a l y t i c a lr e s u k s f u r t h e r m o r e ，t h e ya r ea l s od e v o i do ff u r n i s h i n gh o wt oc h o o s et h e m a t e r i a l sf o rs k i na n dc o r em e l ta n dm a k ec o m b i n a t i o n s ，o p t i m i z et h e p r o c e s ss e t t i n g s o nt h ec h a n c eo fu n d e r s t a n d i n gt h em e l tf l o wb e h a v i o ra n dt h e m e c h a n i s mo fs a n d w i c hi n j e c f i o nm o l d i n g ，w em a d ed y n a m i cs i m u l a t i o n r e s e a r c h e so ns a n d w i c hi n j e c t i o nm o l d i n gp r o c e s sb ye m p l o y i n gt h e c o i n j e c t i o nm o d u l ei nt h es o f t w a r eo fm o l d f l o wp l a s t i c si n s i g h t f o ra n i n t e g r a t e dc a es o f t w a r e ，m o l d f l o wp l a s t i c si n s i g h tw a st h eo n ea n do n l y w h i c hc o u l dp r o v i d ev i s u a la n dd y n a m i cs i m u l a t i o nr e s u l t sf o rt h e c o i n j e c t i o nm o l d i n gp r o c e s s i nt h i s s t u d y , t h ef l o wb e h a v i o r o fc o r em e l ti n c l u d i n gt h e b r e a k t h r o u g hp h e n o m e n o na n di t sp e n e t r a t i o nl e n g t ho ns k i nm e l t ，t h e d i s t r i b u t i o no f t h ec o r em e l ta n dt h eu n i f o r m i t yo f t h eg o o d si ns a n d w i c h t i t 夹芯注射成型过程韵计算机可视化模拟分析 i n j e c t i o nm o l d i n gw e r ei n v e s t i g a t e db yc h a n g i n gt h ev i s c o s i t i e so fm e l t s a n dp r o c e s sp a r a m e t e r ss u c ha sm e l tf l o wr a t ee r e w ef i n dt h a ti n c r e a s i n gt h ev i s c o s i t yr a t i oro fc o r e s k i nm e l t sw i l l g i v er i s et od e c r e a s et h es o cv a l u ea n dt r a i lo f ft h et r e n do fb r e a k t h r o u g h p h e n o m e n o n ，w h i l et h ep e n e t r a t i o nl e n g t h o ft h ec o r em e l ta n dt h e u n i f o r m i t yo ft h eg o o d so b v i o u s l yd e c r e a s e ，o w i n gt ot h er e l a t i v e f l u i d i t yo ft h et w om e l t s t h e r e f o r e ，w eh a v et h ev e r yr e a s o nt ob e l i e v e t h a t s e l e c t i n gp r o p e r m a t e r i a lv i s c o s i t y c o m b i n a t i o n sw i l l g r e a t l y i n f l u e n c et h ef l o wb e h a v i o ro f t h ec o r em e l ti ns a n d w i c hi n j e c t i o np r o c e s s ， a sw e l la st h eu l t i m a t ep r o p e r t i e so fs a n d w i c hm o l d e dp a r t s f u r t h e r m o r e ，t h ef l o wr a t eo ft h em e l t sw i l lg r e a t l yi n f l u e n c et h e f l o wb e h a v i o ro ft h em e l t sa n dt h eu n i f o r m i t yo ft h eg o o d sa m o n gt h e p r o c e s sp a r a m e t e r s 。o n et h eo n eh a n d t h ef l o wr a t eo ft h em e l t sw i l l i n f l u e n c et h erd i r e c t l y o nt h eo t h e rh a n d ，t h ei n j e c t i o n t i m e d e p e n d e n t f l o wl e n g t hi nt h ed i r e c t i o nw h i c hi sv e r t i c a lt of l o wd i r e c t i o nw i l la l s ob e a f f e c t e d m o r e o v e r , t h em a g n i t u d eo f e f f e c tf r o mm e l tt e m p e r a t u r ed e p e n d so n i n d i v i d u a lp o l y m e rc o m p o n e n ta n di t sv i s c o u sf l o wc h a r a c t e r i s t i c f o r t e m p e r a t u r e - s e n s i t i v ep o l y m e r , i th a sr e m a r k a b l e a f f e c t so nt h ef l o w b e h a v i o ro ft h em e l t sa n dt h eu n i f o r m i t yo ft h eg o o d s h o w e v e r , t h e i n f l u e n c ef r o mm o l dt e m p e r a t u r ei sc o m p a r a t i v e l yi n a p p a r e n t b e s i d e st h e s ef a c t o r sm e n t i o n e da b o v e ，w ef e e l t h a ti n v e s t i g a t o r s c o u l dt a k ea d d i t i o n a la s p e c t ss u c ha sd i m e n s i o n so fr e c t a n g l eg o o d s ， g a t i n gs y s t e ma n dw a r p a g ee t c i n t oa c c o u n t k e yw o r d s ：s a n d w i c hi n j e c t i o nm o l d i n g ，b r e a k t h r o u g hp h e n o m e n o n ， p e n e t r a t i o nl e n g t h ，d i s t r i b u t i o no f c o r em e l t ，u n i f o r m i t y 【v 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r ，独立进行研究【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f ：业大学或其它教育机构的学位证1 s 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。 作者签名； ， 日期：万年占月j j 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l j 或机构送交论文的复印f j 和屯子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权浙江1 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 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 i 、保密口，在年解密后适_ l j 本授权1 5 a 2 、不保密z ( 请在以上相应方框内打“”) 作者签名： 导师签名 日期：矿年f 月j 1 日 日期：口，年厂月3 - 日 央芯注射成型过程的计算机可视化模拟分析 第一章文献综述 前言 随着科学技术的发展，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，而传统的注射成型技术难以适应这种新趋势。夹芯注射成型作为一种兴 起的新型成型技术，适应了这种新趋势。 夹芯注射成型技术由英国的i c i 公司于上世纪7 0 年代首先提出，并取得了 包括基础理论、生产产品及机器设备等几项专利。该技术的原理是同时或顺序将 不同的聚合物熔体注入模腔，在模腔内，聚合物熔体以分层多相流动充模成型， 并最终熔体固化成壳层芯层复台注塑件。先注入的熔体为壳层，而后注入的熔 体为芯层。而在之后的数十年当中，一些研究者及生产厂家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、m o n o 夹芯 注射成型、双流道成型和三流道成型这四种主要的成型技术。 夹芯注射成型技术摒弃了传统层压及膜成型工艺所要求的繁琐步骤。通过熔 融生产实现各组分的综合性能，具有许多其它塑料成型技术无法比拟的特殊功 能，例如废旧塑料的回收利用问题、壳层芯层材料性能的复合等。但夹芯注射 成型过程涉及多相分层流动、未知的移动边界和边界条件、复杂的几何形状及界 面不稳定性问题的偶合，其成型机理极为复杂。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芯注塑件的力学 性能这三方面进行了研究，并期望以此为据探悉央芯注射的成型机理。 大量的实验和数值模拟研究结果显示，影响夹芯注射充模过程及其注塑件性 能的因素主要为材料性能、工艺参数以及模具的几何尺寸等。其中，芯壳层物料 的选择极为复杂、苛刻，例如两者的粘度差异、收缩和膨胀性能均不宜过大等。 而众多注射工艺参数对制品均匀性及最终性能的影响极为复杂，且依据不同的注 射成型技术而有所差异。此外，夹芯注射技术对模具的几何形状及尺寸有严格限 制，其适用范围较小。 夹芯注射成型过程的计算机可视纯模拟分析 1 1 夹芯注射的成型工艺 一般而言，夹芯注射成型按其成型工艺的不同分为单流道成型、m o n o 夹芯 注射成型、双流道成型和三流道成型。 a 单流道成型 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 ) 所采用的注射机一般由两个注射单 元组成( 如图1 一1 ) ，其具体工艺过程如下：首先。注射壳层材料局部填充模腔。 其中，壳层材料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：当壳层材料注射量达到要求后，转动熔料切换阀，开始注射芯 层材料，芯层熔体进入预先注入的壳层流体中心，迫使壳层材料进入模腔的空隙 部分。由于壳层材料的外层已固化，芯层熔体不能渗透，从而将芯层物料包覆了 起来，形成壳层芯层结构。最后，熔料切换阀回到起始位置，继续注射壳层材 料，将流道中的芯层材料推入注塑件中并封模】。 图1 - 1 单流道成型技术l f i g 1 1s i n g l ec h a n n e lt e c h n i q u e 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、物料熔 融温度等而获得具有不同壳层厚度的注塑件。然而，在壳芯层熔体通过熔料切换 阀进行切换时，模型内压力下降【4 】( 如图1 - 4 a ) ，壳层熔体料流前缘出现短暂的 滞流现象，以致夹芯注塑件表面存在暗纹或晕纹等缺陷。 b m o n o 夹芯注射成型 f e r r o m a t i km i l a k r o n 利用顺序注射成型工艺提出m o n o 夹芯注射成型( m o n o s a n d w i c ht e c h n i q u e ) 技术【s l 这种成型技术与单流道成型有所相似。其具体工 艺过程如下：首先，壳层物料经辅助的挤出设备熔融并通过一个特殊的热流道进 入芯层物料塑化及挤出注射料筒的螺杆前缘( 如图1 - 2 a ) 。在壳层料流的挤压作 夹芯注射成型过程的计算机可视化模拟分析 用下，主注射机的螺杆后移( 如图1 - 2 b ) ，而壳层熔体的送入量则由行程信号来 确定。当堆积在螺杆前缘的壳层熔体达到某一行程点之后，控制系统则从控制辅 助挤出机塑化转换到控制主塑化螵筒中的芯层材料的塑化。最后，螺杆推进壳芯 层熔体依次进入模腔，并最终形成壳层芯层结构( 如图1 2 c ) 。 图1 - 2m o n o 夹芯注射成型技术 f i g 1 2m o n os a n d w i c ht e c h n i q u e 夹芯注射成型过程的计算机可视化模拟分析 相比较单流道成型技术而言。m o n o 夹芯注射成型技术不仅设备结构和成型 过程较为简单，而且还可以杜绝注塑件表面暗纹缺陷的产生，获得具有高表面性 能的制品。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，其芯层物料体积含量可达6 5 7 5 。 然而，限于加工设备的简单、缺乏精准的注射工艺参数控制，m o n o 夹芯注 射成型技术很难用于生产形状复杂的夹芯注塑件。 c ，双流道成型 双流道成型技术( t w oc h a n n e lt e c h n i q u e ) 是出b a t t e n f e l d 和其他一些研究 型6 ，7 1 于上世纪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 3 ) ，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。 图卜3b a t t e n f e l d 双流道成型技术 f i g 1 3t w oc h a n n e lt e c h n i q u e ( b a t t e n f e l d ) 双流道成型技术具有较高的灵活性，它可以在充模过程中独立控制壳层和芯 层熔体的注射速度，以此避免壳层熔体料流前缘出现短暂的滞流现象【4 】( 如图 1 4 b ) ，杜绝夹芯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在于芯壳层物料分布不均：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 夹芯注射成型过程的计算机可视化模拟分析 该区域往往过薄：而对于远离浇口的区域，情况则刚刚相反。 ( a ) 顺序注射壳芯层熔体( b ) 同步注射壳芯层熔体 图1 - 4 夹芯注射成型中注射速度和注射压力分布图”1 f i g 1 4s p e e da n dp r e s s u r ep r o f i l e si nc o i n j e c t i o nm o l d i n g d 三流道成型 鉴于双流道成型技术所存在的弊端，三流道成型技术应运而生1 8 】。如图1 5 所示，三流道成型技术( t h r e ec h a n n e lt e c h n i q u e ) 是指在浇口中心处增设一个 流道以注射壳层熔体，而这一流道可以使壳层熔体充分注入模腔末端。但这种技 术只限于中心浇口制品，对于其它浇口形式制件或一模多腔的情况，选择双流道 或单流道成型技术更为可取。 圈l - 5 三流道成型技术 f i g 1 5t h r e ec h a n n e lt e c h n i q u e 夹芯注射成型过程的计算机可视化模拟分析 1 2 夹芯注射成型的优越性能 夹芯注射成型技术摒弃了传统层压及膜成型工艺所要求的繁琐步骤，通过熔 融生产实现各组分的综合性能，具有许多其它塑料成型技术无法比拟的特殊功 能：( 1 ) 可将废旧塑料作为芯层材料，将优质塑料作为壳层材料，在满足表面质 量要求的前提下，既降低产品的生产成本，又解决废旧塑料的回收利用问题，实 现可持续发展；( 2 ) 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。而夹芯注塑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，获取高表面性能的低成本注塑件，拓宽普通塑料的应用 范围；( 3 ) 可综合利用壳层芯层复合结构的各层特殊性能以实现塑料制品多功 能性，如生产具有电磁屏蔽功能的制品，以及同时具有隔光、隔氧、隔水蒸汽等 多功能的制品，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p a 齿轮，其中齿轮的壳层是具有耐磨高润滑性能 的非填充p a ；而齿轮的芯层是热变形小、具有高强度特性的玻璃珠料填充p a 。 由于玻璃珠料具有收缩率小、尺寸稳定性高的特点，而p a 具有良好的润滑性能， 可以避免玻璃珠料产生磨蚀。 1 3 夹芯注射成型的研究进展 夹芯注射成型赋予其制品诸多其他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 分布均匀性和夹芯注塑件的力学性能这三方面进行了研究，并期望以此为据探悉 夹芯注射的成型机理。 1 3 1 夹芯注射成型的实验研究 1 3 1 ，1 对芯层熔体前缘冲破现象的研究 所谓芯层熔体前缘冲破是指在充模过程中，芯层熔体前缘追上并超过壳层熔 体前缘，致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 免芯层熔体前缘冲破现象的出现以获得合格的成品；而另一方面，他们仍期望获 得具有较大芯层填充量的低成本注塑件。故此，不少国内外学者通过不同方式， 致力于研究芯层熔体前缘冲破现象。 k t n g u y e n 等叫1 】一些研究者发现，在夹芯注射充模过程中，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 ew a t a n a b e 等人1 1 0 , 1 1 】认为对于 顺序或同步夹芯注射成型，熔体的流动情况均可界分为四个区域( 如图1 - 6 ) ：( 1 ) 初始注射区，仅壳层熔体注入模腔并在模腔内充分扩展：( 2 ) 芯层熔体增长区， 芯层熔体注入模腔并在壳层熔体上流动；( 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 ) 芯层熔体冲破区，芯层熔体前缘超过壳层熔体 前缘。 ( a ) 顺序夹芯注射成型( b ) 同步夹芯注射成型 图l - 6 注射时间与熔体流程的关系| 1 0 j f i g 1 6r e l a t i o n s h i pb e t w e e nm e l tf l o wl e n g t ha n di n j e c t i o nt i m e 在芯层熔体扩张区，壳层熔体料流前缘并不以喷泉状流动，而是以熔膜形式 存在。由于芯层熔体的充分发展，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。当壳层熔膜厚度达到某一极值时，芯层熔体料流前缘极易追赶上 壳层熔体，即出现前缘冲破现象。 国内外大量的研究证实，芯层熔体前缘冲破现象不仅与物料的性能有关，而 且与工艺参数的设定有关。 对于a b s 和p c 体系，d e r d o u r i 等1 1 2 i 对7 6 1 6 4 x 0 7 c m 3 的矩形制品进行研 究后发现，若壳层材料的粘度相对较小，则两种材料界面比较稳定：若芯层材料 的粘度明显小于壳层材料，则两者界面不稳定，易出现指进现象，继而发生芯层 熔体前缘冲破现象。这一点与k t n g u y e n 等嘲的研究相一致。而d a i s u k e 夹芯注射成型过程的计算机可视化模拟分析 w a t a n a b e 等人【1 0 , 1 1 】认为这不仅与壳层料流前缘已凝固部分的熔融强度有关，而且 与壳层熔体的延伸率有关，如图1 - 7 所示。随着物料粘度的减小，尽管壳层材料 的熔融强度有所降低，但芯层熔体扩张区料流流程仍随着壳层熔体的延伸率的增 f l o w 蛔g 啦a t 帏c x p 嘲i o nr 鹚i o b ( 嘲) 图l 一7 壳蕊层延伸率比与壳层熔融强度对芯层熔体穿透深度的影响l i f i g 1 7r e l a t i o n s h i pb e t w e e nt h ed r a w i n gr a t i oa n dm e l ts t r e n g t h a n dt h ef l o wl e n g t ha tc o r ee x p a h s i o nr e g i o n 大而增大。所以，当壳层熔体的延伸率较大时，夹芯注射成型过程中几乎不会出 现芯层熔体前缘冲破现象。 c t l i 等选用p s 和l d p e 作为物料，研究后亦认为物料粘度与芯层熔体 自# 缘冲破有着密切的关系。当物料的零切粘度比在0 0 4 2 5 2 4 之间时，随着芯 层物料粘度的增大，芯层厚度增加且其穿透深度减小；反之，若芯层熔体粘度降 低或壳层熔体粘度升高，致使充模过程中芯层物料在厚度方向上的堆积变薄，在 ：呻i g j 一i l ， # 詹肆忖蚂糟卅l t”i 一甚碰蓐件曲卅，遗 。 圈1 - 8 芯壳层熔体粘度比r 对芯层搭伴 前缘冲破的影响i 6 1 f i g 1 8i n f l u e n c eo f v i s c o s i t yr a t i oo n b r e a k t h r o u g ho f e o t m e l tf r o n t 图1 - 9 芯壳层熔体前缘相对推进速度 v t 与枯度比r 的关系j 1 6 i f i g 1 9r e l a t i o n s h i pb e t w e e nv l a n d v i s c o s i t yr a t i or r_i星。钟智馨 夹芯注射成堑过程的计算机可视化模拟分祈 充模方向上的流速大于高粘度熔体的速度，极易产生前缘冲破现象 1 3 - 1 5 1 。 张效迅等【l6 】选用p m m a 和p s 分别作为壳层与芯层材料，使得芯壳层熔体 粘度比r 分别为o 2 7 、0 5 1 3 、1 1 4 1 ，模拟结果表明( 如图1 - 8 和图1 9 ) ，在顺 序夹芯注射成型中，芯层熔体发生前缘冲破的情况主要取决于芯壳层熔体前沿相 对推进速度以及两前沿之间的距离。其中壳层与芯层熔体前沿相对推进速度又主 要取决于芯壳层熔体粘度比，而芯壳层两前沿之阃的距离主要由壳层熔体预填充 量决定。若芯壳层熔体粘度比r 减小，则芯层熔体的相对穿透深度增加，芯层 熔体发生前缘冲破的趋势亦增强，当r 低于某一临界值时，芯层熔体前缘即会 冲破壳层熔体前沿。若芯壳层熔体粘度比r 增大，芯壳层熔体前沿相对推进速 度下降，但粘度比大到一定程度后，相对速度变化趋于平缓，此时芯层熔体容易 从宽度方向冲破壳层熔体。 - i - i 。l k 且一j ( a ) 芯壳层熔体穿透深度比：c o ) 壳层物料厚度分布 图1 1 0 芯壳层熔体穿透情况及壳层厚度分布情况表征 f i g 1 1 0p e n e t r a t i o no f t h et w om e l t sa n dt h ed e f i n i t i o no f s k i nt h i c k n e s s s s y o u n g 等人吡1 8 1 选用芯壳层零剪切粘度比介于o 0 4 2 4 0 之间不等的6 种物料进行研究，并采用芯壳层熔体穿透深度比三一，三勘表征熔体的充模情况， 若可一叩m 1 0 ，则说明芯层熔体发生前缘冲破现象( 如图1 - 1 0 a ) a 实验结果 显示芯壳层熔体粘度比近似等于0 3 即。，7 。* o 3 为芯层熔体发生前缘冲破 的临界值，这一实验结论与张效迅等】的模拟结果相一致。 另一方面，研究者认为合理设定夹芯注射成型的工艺参数可以在一定程度上 夹芯注射成塑过程的计算机可视化模拟分析 避免芯层熔体前缘冲破现象的出现。 一些研究者 1 0 q 1 , 1 6 , 1 9 - 2 1 】通过模拟和实验研究发现，若芯层熔体的熔融温度固 定时，芯层熔体前缘冲破的趋势随壳层熔体的熔融温度的升高而减小；若壳层熔 体的熔融温度固定时，芯层熔体前缘冲破的趋势随芯层熔体的熔融温度的升高而 增加。这说明改变壳层或芯层熔体的熔融温度，对芯层熔体前缘冲破的影响趋势 恰好相反。若芯壳层熔体的熔融温度同时变化时，芯层熔体前缘冲破的趋势取决 于芯壳层熔体粘度比的变化趋势。另外，他们发现随着模温的降低，发生芯层熔 体前缘冲破的趋势增大。 c tl i 等 1 3 q 5 1 和s o m n u k 等【2 2 l 的研究表明壳层与芯层熔体的注射速率亦 将极大地影响芯层熔体的前缘冲破。张效迅等1 1 6 1 亦发现随着壳层熔体注射速率 的降低，发生芯层熔体前缘冲破的趋势增大。 鉴于温度和注射速率对芯层熔体前缘冲破的影响，笔者认为这与物料本身的 特性有关。若物料属剪敏性，则注射速率对芯层熔体前缘冲破的影响相对较大； 若物料属温敏性，则温度对芯层熔伴前缘冲破的影响就相对比较明显。 图1 - 1 1 壳层料流前缘厚度与芯层熔体扩张区流程的关系l l ” f i g 1 11r e l a t i o n s h i pb e t w e e n t h es k i nl a y e rt h i c k n e s so ff l o wf r o n t a n dt h ef l o wd i s t a n c e sa tc o r ee x p a n s i o nr e g i o n 就壳芯层物料含量对芯层熔体前缘冲破的影响而言，r s e l d e n 掣1 0 - 1 1 6 ，1 9 - 2 1 】 认为若壳芯层含量比相对较，j 、，或壳层熔体预填充量较小时，发生芯层熔体前缘 冲破的趋势增大。 除了从物料特性以及工艺参数这两方面研究芯层熔体的前缘冲破现象外，几 夹芯注射成型过程的计算机可视化模拟分析 乎鲜有报道以模具的几何因素作为研究对象。唯有d a i s u k cw a t a n a b e 等人曾提出 增加型腔厚度可以避免芯层熔体前缘冲破现象的产生( 如图i - 1 1 所示) 【1 m 】。 笔者也以为从几何参数上研究夹芯注射的充模过程，可以为实际生产提供模具设 计的依据。此外，笔者还采用m o l d f l o w 公司m p i 软件中的c o i n j c c t i o n 分析模 块，以模拟分析夹芯注射的成型过程。研究结果显示，矩形制品厚度的增加和宽 度的减小可以提高前缘冲破时刻芯层熔体体积占其总体积的百分比n ；制品长度 对前缘冲破的影响存在一个最佳值，在小宽度情况下，长宽比增加n 也随之增 加；选择进料方向平行于熔体流动方向的浇口位黄都会有利于芯层熔体豹充模过 程 2 4 1 。 1 3 1 2 对芯屡材料分布均匀性的研究 衡量夹芯注塑制品的质量，我们通常以壳层和芯层厚分布及均匀性( 即层间 界面形状) 作为关键技术指标。夹芯注射成型的充模成型过程属三维瞬态非等温 多相分层流动，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。 c t l i 等【。3 郴l 选用不同的p e 和p s 作为物料对夹芯注射进行研究，并利用 显微镜观察熔体流动方向上材料的分布情况。他们发现，在等温注射中，粘度比 是影响界面形状的最主要因素。若两种材料以同心环的形式注入型腔时，仅当其 中一种物料的粘度值较低时，界面处才是稳定的：如果其中含有某种较高粘度物 料时，就很可能在界面处发生相转变。与此同时，实验与数值模拟均表明，相比 较同步和顺序夹芯注射的芯壳层分布，前者更为均一，且可选择的粘度范围相对 较宽，而es o n m u k 和1 3 f s m i t h 【冽的研究结果亦证实这一结论。他们采用 b a t t e n f e l d 式双流道技术对1 0 0 x 7 5 x 4 m m 3 的矩形制品进行研究。其中，所选用的 物料为4 种不同粘度的聚丙烯，它们在1 0 4 s e c 1 剪切速度条件下的粘度比介于 o 5 4 1 8 3 之间。研究结果显示，当壳芯层熔体粘度比介于0 8 2 1 8 3 时，芯层 物料分布最为均匀且其体积含量可高达5 5 至6 0 。 j l w h i t e 等人研究发现【 筇】对于等温夹芯注射成型，壳芯层熔体的粘度比 对物料分布具有极为重要的影响。当壳层熔体的粘度略小于芯层熔体粘度时，或 者当芯壳层熔体粘度比介于1 5 - - 2 0 之间时，壳层物料分布较为均匀。 s s y o u n g 等人【1 鳓选用6 种不同粘度的物料进行物料组合，并采用图l 一1 0 b 的方法表征壳层物料的分布情况。他们发现，在壳层熔体粘度过大的情况下，增 夹芯注射成型过程的计算机可视化模拟分析 加壳层物辩含量；或是在壳层粘度过小的情况下，增加芯层物料含量均可以改善 熔体的充模情况，获得较为均一的芯壳层物料分布。 gs c h l a t t e r 等1 2 q 选用两种不同的p s 作为材料并对芯层p s 料进行染 色处理，用以观察充模过程。他们发现若芯层粘度较高，则芯层厚度相对较大， 且容易在浇口位景附近过分堆积，制品均匀性相对较差。 m a r kp a r s o n s 等人【2 7 1 利用m o n o 夹芯成型技术研究硬质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 进行夹芯注射的情况。通过对壳层芯 层物料分布形态的研究后发现，在近浇口附近，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以致该区域内的芯层物料分布量 为零。当熔体注射速度相对较小的情况下壳层与芯层物料的分布相对较为均一。 s t e p h e nj o h n s t o n 等m 崃用粘度为1 l g 1 0 m i n 聚丙烯作为壳层与芯层材料， 并通过光学仪器观察芯层厚度。研究结果表明，在制品凸起部分或具有类似特征 的区域，粘度是影响芯层熔体穿透深度和壳层厚度的主要因素。若芯层物料粘度 较高，由于两者粘差而造成的推动作用，导致壳层物料在凸起部分顶端和凹陷部 分周围区域的堆积增加，芯层熔体穿透深度减小，制品均匀性下降。 在v g o o d s h i p l 2 9 1 此前的研究认为，壳芯层物料的剪切粘度比r 介于o 5 5 t 2 2 】 时为充模成型的最佳值。而他们研究结果却表明，尽管p m m a p c 两者的粘度比 r = i 1 1 ( 即介于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。由于不同物料在夹芯注射成型过程中具有 不同的挤出胀大特性，具有不同的松弛速度和压力。因此，在特定的剪切应力下， 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性，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。 除了物料自身的性能( 主要是粘度) 对芯壳层分布具有直接影响外，工艺参 数的调整亦将极大地影响制品的均匀性。丽在众多工艺参数当中研究者认为注 射速度对熔体的流动以及最终制品的均匀性具有极其复杂、显著的影响。 w m y a n g 等人曾利用高速摄影技术1 3 0 】，观察了芯层熔体在分流道入口处 的流动情况。他们发现对于高粘度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，但对芯层熔体的流形却存在一定的影响，尤其是注射 速度( 如图1 1 2 所示) 。当注射速度为1 0 2 c m s s 时，k p l c 2 l 。3 ；当注射速度 夹芯注射成型过程的计算机可视化模拟分析 为3 5 7 c m 3 t s 时，l c l l 矿l 暖；当注射速度为5 1 c m 3 i s 时，l c l l c 2 l c 3 。 图1 1 2 芯层熔体在岔口处的流动情况” f i g 1 1 2 f l o wb e h a v i o r o f c o r e m a t e r i a la t t h es p l i tp o r t i o n d a i tm e s s a o u d 等【3 l 】选用不同纯p p 和玻纤增强的p p 进行物料组合后发现， 壳层物料的注射速度对壳层一芯层物料分布的影响极为明显，而芯层物料注射速 度的变化对壳层一芯层物料的分布基本没有影响。当壳层和芯层物料的注射速度 分别为3 0 m m s 和6 0 m m s 时，壳芯层物料分布最为均匀。若壳层流速超过 3 7 5 m m s 时，芯层熔体就不能完全填充型腔。这主要是因为壳层物料注射速度 的提高，致使壳层熔体料流前缘迅速填充型腔并随之冷却，从而使芯层熔体的穿 透深度受到限制。当壳层流速为2 2 5 m m s 时，芯层熔体出现短射现象。而g s c h l a t t e r 2 6 1 等的研究却发现若芯层流速不变，壳层流速的改变对芯层穿透深 度的影响不大；若壳层流速不变，芯层流速改变，则芯层穿透的最大径向深度减 小。孙懋等人1 3 2 1 对p s 和p p 进行模拟研究后发现。在芯层熔体注射速率固定时， 随着壳层熔体注射速率的增大，芯层熔体的相对宽度增大，而相对穿透深度减小， 这一点与f l o r i ni l i n e a 等瞰l 的模拟和实验结果相一致。当壳层注射速率增大到一 定值以后，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 掣”】通过对p s 脚夹芯制品的研究后也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。而c t l i 等【1 3 - ”1 对p e 和p s 进行研究后发现，两种材料的注射 速率比对制品的壳芯层分布有十分显著的影响，丽且，同步夹芯注射比顺序夹芯 夹芯注射成型过程的计算机可视化模拟分析 注射对注射速率的变化更为敏感。他们认为这可能是因为两种聚合物熔体在界面 处发生强烈的动力学作用所致。 k u h m a n n 和e h r e n s t e i n t 硐特别选用聚砜醚材料进行实验，通过显微镜观察芯 层厚度分布以及芯层物料的穿透情况。实验结果表明：与其它工艺参数( 如熔融 温度和模温) 相比，注射速度是影响芯层分布的最主要因素。对于普通制品( 如 图1 - 1 3 a 和图1 - 1 4 a ) ，随着注射速度的降低，浇口附近的芯层厚度减小，模腔底 部的芯层厚度增加，芯层整体分布的均匀性提高。当物料流速为2 5 m m s 时，芯 层熔体穿透深度达到最大值。一方面，由于注射速度的降低，导致充模过程中壳 层物料凝固层增厚，致使充模方向上壳层材料的消耗增加。而另一方面，壳芯层 喜 譬 考 电 8 凼幽 罾豳 p e r t w i t h o u t b sp 0 r t