（材料加工工程专业论文）气体辅助共注射成型充填粘弹模拟与实验研究.pdf

摘要 摘要 气体辅助共注射成型( 简称气辅共注射成型) 是在共注射成型和气辅注射成型的基础 上发展起来的一种新型注射成型技术，它兼有共注射成型和气辅注射成型的优点，具有很 好的应用前景。和共注射成型和气辅注射成型相比，该技术更为复杂，成型过程的影响因 素也更多，其应用与研究目前尚处于初始阶段。本文对气辅共注射成型充填过程进行了理 论和实验研究，主要研究工作如下： 1 论述了气辅共注射成型的过程、优点、应用范围与现状，对相关的气辅注射成型 和共注射成型的充填模拟研究概况和实验研究概况进行了较全面的总结。 2 基于流体力学三大控制方程和l e o n o v 粘弹本构。针对三维薄壁制件的气辅共注 射成型充填过程的特点，经合理假设与简化，分别建立了型腔薄壁部分和气道部分充填过 程的数学模型。该模型建立过程中直接考虑流体的粘弹行为，并由此来求得应力；为应用 求解效率更高的间接法，对该数学模型进行了改写。通过更换粘度模型，该数学模型还可 用于基于c r o s s w l f 粘度模型的广义牛顿流体本构的气辅共注射成型充填过程数值模拟。 针对型腔薄壁部分和气道部分，分别推导了l e o n o v 粘弹本构中弹性应变张量控制方程的 二雏和一维形式；并分析了气辅共注射成型充填过程的边界条件。 3 采用有限元有限差分控制体积法实现了三维薄壁制件充填过程的控制方程的求 解。采用伽辽金法得到了直接法，间接法求解基于l e o n o v 粘弹本构的压力控制方程的有限 元离散方程，以及基于广义牛顿本构的压力控制方程的有限元离散方程。对温度场采用基 于控制体积的有限元有限差分法计算，其中的对流项和粘性热项作为右端项来处理，根据 上一步的结果采用上风法进行加权平均来计算，采用一维数组存储三对角线矩阵系数矩阵 并采用追赶法求解。通过对弹性应变张量控制方程的分析和简化，忽略其中的对流项，从 而采用变步长四阶龙格一库塔算法对其显式求解。从而求解应力场。针对气辅共注射成型 中多个移动界面的特点，分别采用了不同的方法进行处理，实现其追踪。 4 编制了基于l e o n o v 粘弹本构的注射成型充填过程数值模拟通用求解器，利用u g 、 m o l d f l o w 和t e c p l o t 等软件来实现前置处理和后置处理功能。该通用求解器可用于注射成 型、共注射成型和气辅共注射成型充填过程的数值模拟。 通过气辅共注射成型充填过程的实例模拟并与共注射成型模拟结果进行对比，分析了 在气辅共注射成型技术中气辅技术的引入带来的优势。通过气辅共注射成型充填过程的实 例模拟，系统地研究了聚台物流变性能，材料注射量、注射速率、熔体温度、模具温度、 注气压力等过程工艺参数，气道截面尺寸和气道布局对材料分布的影响，并由此给出了气 辅共注射成型的工艺制定与模具设计的建议。 5 对气辅共注射成型进行了实验研究，考察了材料的流变性能和材料注射量、注射 速率、注气延迟时间等工艺参数对材料层厚分布、界面形貌以及气体在熔体中的穿透的影 气体辅助共注射成型充填粘弹模拟与实验研究 响及规律。通过实验结果与数值模拟结果的对比分析。验证了本文建立的气辅共注射成型 充填过程的数学模型、数值方法与模拟程序的正确性和可靠性。根据数值模拟和实验结果， 并结合聚合物漉变学理论，提出了气辅共注射成型中出现的缺陷的相应解决措施。 关键词：气体辅助共注射成型。充填过程，数值模拟，材料分布，实验研究 i i a b s t r a c t a b s t r a c t 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 gf g a c i m ) i sa ni n n o v a t i o nt e c h n o l o g yt h a td e v e l o p e d f r o mt h eg a s a s s i s t e di n j e c t i o nm o l d i n g ( g a r m ) a n dc o - i n j e c t i o nm o l d i n g ( c i m ) i th a sw i d e a p p l i c a t i o np r o s p e c tw i t ht h ea d v a n t a g e so fb o t ho ft h e m ，c o m p a r e dw i t hg a i ma n dc i m g a c j mi sm o r ec o m p l e xw i t hm o r ep a r a m e t e r se f f e c t t h e r ea r el i r l ea p p l i c a t i o n sa n dr e s e a r c h o f g a c i mu pt ot h ep r e s e n t n u m e r i c a ls i m u l a t i o no f t h ef i l l i n gs t a g eo f g a c i mi st h e o r e t i c a l l y i n v e s t i g a t e dt h o r o u g h l ya n dt h ew h o l ep r o c e s si se x p e r i m e n t a l l yi n v e s t i g a t e di nt h ep a p e r t h e m a i nr e s e a r c hw o r kc o n d u c e di nt h ep a p e ri sl i s t e da sf o l l o w s ： 1 。t h ep r o c e s s ，a d v a n t a g e s , a p p l i c a t i o n sa n da c t u a l i t yo fg a c i ma r ed e s c r i b e di n d e t a i lt h et h e o r e t i c a ls t u d ya n dh ee x p e r i m e n t a lr e s e a r c ho ff i l l i n gs i m u l a t i o no f g a l ma n dc i ma r er e v i e w e dg e n e r a l l y 2 b a s e do ns o m er e a s o n a b l eh y p o t h e s e sa n ds i m p l i f i c a t i o n ，g o v e m m e n te q u a t i o n si n t h ec a v i t ya n dg a sc h a n n e la r es e tu ps e p a r a t e l yw i t ht h el e o n o vv i s c o e l s t i cf l u i d m o d e l i nt h em o d e l t h er e s i d u a is t r e s si ss o l v e dd i r e c t l y t h eg o v e r n m e n te q u a t i o n s a r em o d i f i e di no r d e rt oi m p r o v et h ee f f i c i e n c y 协s o l v et h er e s i d u a ls t r e s sb yt h e a d o p t i n gi n d i r e c ta p p r o a c h t h em o d e lc a l lb eu s e dt os i m u l a t et h ef i l l i n gs t a g eo f g a c i mo fg e n e r a ln e w t o nf l u i dm o d e lb a s e do nc r o s s w l fv i s c o s i t ym o d e li f o n l yi t sv i s c o s i 母m o d e lj sr e p l a c e d 。1 da n d2 ds i m p l i f i e df o r m so ft h eg o v e m i n g e q u a t i o no fl e o n o vv i s c o e l s t i cm o d e l w i t ht h ee l a s t i cs t r a i nt e n s o ra r eo b t a i n e d a n db o u n d a r yc o n d i t i o n so f t h ef i l l i n gs t a g eo f g a c i ma r ea n a l y z e d 3 f e m ，f d m c vm e t h o di su s e dt os o l v et h eg o v e r n i n ge q u a t i o n so ff i u i n gs t a g eo f g a c l m t h ep r e s s u r ep r o g r a mi ss o l v e du s i n gt h eg a l e r k i nf o r m u l a t i o n t h eh y b r i d f e m f d mm e t h o di sa d o p t e dt oc a l c u l a t et e m p e r a r t u ef i e l d a ni m p l i c i tf o m li s u s e df o rt h ec o n d u c t i o nt e r mb u tw i t ht h ec o n v e c t i o na n dv i s c o u s h e a t i n gt e r m s b e i n ge v a l u a t e da tt h ee a r l i e rt i m e t h eg o v e r n i n ge q u a t i o no f e l a s t i cs t r a i nt e n s o ri s s i m p l i f i e db yd i s c a r d i n gt h ec o n v e c t i v e “n nf r o me q u a t i o na n ds o l v e db ya f o u r - o r d e rr a n g e - k u t t aa l g o r i t h mw i 出a d a p t i v es t e p - s i z ec o n t r 0 1 t h er e s u l ti s s e r v e d i n p u tf o rt h er e s i d u a ls 打e s sc a l c u i a t i o r s n l em o v i n gi n t e r f a c e se x i s t e di n t h ef i l l i n gs t a g eo fg a c i ms u c ha ss o l i d - m e l ti n t e r f a c e ，s k i n - a i ri n t e r f a c e ，s k i n - c o r e m e l ti n t e r f a c ea n dg a s - m e l ti n t e r f a c ea r ct r a c k e db yd i f f e r e n tm e t h o d sa c c o r d i n gt o t h e i rc h a r a c t e r i s t i c s 4 b a s e do i lt h et h e o r e t i c a ls t u d ya n da n a l y s i s ，t h en u m e r i c a ls i m u l a t i o nc o d eo ft h e f i l l i n gs t a g eo fg a c i mi sd e v e l o p e d t h en u m e r i c a ls i m u l a t i o no ff i l l i n gs t a g eo f c o n v e n t i o n a li n j e 吐i o nm o l d i n g c i m ，g a i ma n dg a c i mc a l lb er e a l i z e db yu s i n g u g 、m o l d f l o wa sp r e - p r o c a s ss o f t w a r e sa n dt e c p l o ta sp o s t - p r o c e s ss o f t w a r e c o m p a r e dw i t ht h ee x a m p l es i m u l a t i o nr e s u l t so f g a c i ma n dc i m ，t h ea d v a n t a g e s o fg a c i mw i t hg a s a s s i s t e dt e c h n o l o g yi s a n a l y z e d b ym e a n so fe x a m p l e s i m u l a t i o n s ，t h ei n f l u e n c e so ft 1 1 er h e o l o g i c a lp r o p e r t i e s ，m o l d i n gp a r a m e t e r ss u c h a ss h o ts i z e ，i n j e c t i o nv e l o c i 吼m e l tt e m p e r a t u r e ，m o l dt e m p e r a t u r ea n dg a sp r e s s u r e ， a n dm o l dg e o m e t r ys u c ha st h ed i m e n s i o na n dl a y o u to fg a sc h a n n e lo nm a t e r i a l d i s t r i b u t i o na n dg a sp e n e t r a t i o na r ei n v e s t i g a t e ds y s t e m a t i c a l l y 1 1 1 ea d v i c e so ft h e i l l v i s c o e i a s t i cn u m e r i c a ls i m u l a t i o na n de x p e r i m e n t a ls t u d yo f t l ef i l l i n gs t a g eo f g a c i m 5 p r o c e s sa n dm o l dd e s i g na l ep r e s e n t e da c c o r d i n gt or e s u l to f t h es t u d y e x p e r f m e n t a s t u d yo fg a c i mh a sb e e nc a l r i e do u t t h e n f l u e n c e so ft h e r h e o l o g i c a lp r o p e r t i e s ，m o l d i n gp a r a m e t e ms u c ha ss h o ts i z e ，埘e c t i o nv e l o c i t y , a n d g a sd e l a yt i m eo nm a t e r i a d i s t r i b u t i o na n dg a sp e n e t r a t i o na r ei n v e s t i g a t e d ，t h e v a l i d i t ya n dr e l i a b i l i t yo ft h em n t h e m a “cm o d e l n t l n l e r i c a lm e t h o d sa n dc o d e d e v e l o p e dh e r ea r ev e r i f i e db ye x p e r i m e n t a lr e s u l t s s o m en l e b s u r e st od e a lw i t ht h e d e f b c t sa p p e a r e di dg a c i m p r o c e s sa l eg i v e na c c o r d i n gt ot h er e s e a r c h k u a n gt a n g - q i n g ( m a t e r i a lp r o c e s s i n ge n g i n e e r i n g ) d i r e c t e db yp m f l i uh e - s h e n g k e y w o r d s ：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 ，f i l l i n gp r o c e s s ，n u m e r i c a ls i m u l a t i o n m a t e r i a ld i s t r i b u t i o n ，e x p e r i m e n t a ls t u d y i v 主要符号表 主要符号表 p 流体密度( k g m 3 ) f 时间( s ) v 矢量微分算子 i 速度矢量( m s ) g 应力张量( p a ) 重力矢量( m 2 s ) c 。常压下流体的比热( j ( k g k ) ) 7 _ 温度( k ) k 热传导率( w ( m k ) ) p 流体静水压力( p a ) 为单位张量( p a ) ! 偏应力张量( p a ) 玎粘度( p a s ) 旦应变速率张量( s “) 编零剪切粘度( p a s ) 少剪切率( 1 s ) f 。偏应力张量! 塑性部分( p a ) t 偏应力张量! 弹性部分( p a ) 玑第k 模态的粘度( p a s ) 吼第k 模态的松弛时间( s ) g 第k 模态的的弹性应变张量( s “) 7 参考温度( k ) t 玻璃化温度( k ) z 。l 第f 层流体在该处的上坐标( m ) z ，2 第f 层流体在该处的下界坐标( m ) u ，第i 层流体沿厚度方向的平均速度 ( m s ) h ( m ) 中面上m 点对应型腔高度( m ) ，7 ，不可压缩l e o n o v 模型的稳态粘度 ( p a s ) 第i 层流体在该处的外径坐标( m ) 1 2 第f 层流体在该处的内径坐标( m ) r o 模腔内壁边界 t 。 模腔入口边界 r ， 表层熔体前沿边界 单元形函数 、王， 权函数 ae 中面三角形单元的面积域 a 4e e 的边界域 q 入口 入口流量( m 3 s ) f 一维单元线域 置、骂该单元的两节点 圪节点控制体积t 中材料i 厚度分数 吒。 临界厚度分数 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，也不包含为获得南昌大学或其他 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。 繇房膨孺期：孵加印 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解南昌太学有关保留、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。本人授权南昌文学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、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 导师签名：砷髟乙 l ， 签字日期：劬劳舜6 月，j 电话： 邮编： 第一章绪论 1 1 共注射成型、气体辅助注射成型 1 1 1 共注射成型 共注射成型( c o i n j e c t i o nm o l d i n g ) 是同时或顺序将不同的聚合物熔体注入模腔，并以 多相分层流动充模成型，最终熔体固化成多层复合注射成型件。该工艺首先由i c i 公司的 o x l e y 和g a r n e r 在2 0 世纪7 0 年代初发明并获得专利【l ，。在1 9 7 1 年g a r n e r 获得第一个美 国专利【jj 。该工艺被称为i c i 工艺，属单流道共注射成型技术。该技术采用一种特种控制阀， 可实现不同聚合物熔体的顺序注射，但在注射机切换的过程中有一显著的压力降低和流动停 滞，导致表面出现“切换痕”。h a n n i n g 在1 9 7 3 年提出了同时共注射成型f 4 】，该工艺中壳层 和芯层熔体可由二台注射成型机同时注射成型，两种熔体通过特制的环形分流系统，实现不 同聚合物熔体的同时共注。该工艺消除了“切换痕”现象。1 9 7 7 年，b a t t e n f e l d 公司采用双 流道和三流道技术h 1 发明了相应的共注射成型机。共注射成型技术直到问世1 5 年以后，才 逐渐被人们所认识。这并不是由于其本身的适应性差造成的，相反，共注射成型的适应性很 好，并有诸多优点。未能尽快广泛应用是由于其塑化和喷嘴系统结构都比较复杂，设备及模 具费用也比较昂贵，设备投资大【6 】。现在，随着人们环保意识的增强、对注射成型制品性能 要求的提高、注射成型机械工业和自动控制技术水平的发展，以及共注射成型工艺所特有的 优点，共注射工艺日益受到人们的重视，应用也越来越广泛。 共注射成型根据其工艺可以分为顺序注射成型和同时注射成型【”。在顺序注射成型中， 将第一种塑料注射入模具型腔，当这些塑料与模具成型表面接触的部分开始固化，而内部仍 处于熔融状态时， 再将第二种塑料注射入型腔，后注入的塑料不断地把前一种塑料朝着模 具成型表面推压，而自己占据型腔的中间部分，冷却定型后，就可以得到先注入的塑料为皮 层、后注入的塑料为芯层的包覆塑料制件1 7 ，。同时注射成型中，两种不同粘度的聚台物熔 体分层同时通过浇口、流道注入到模腔中，由于粘度的不同，低粘度熔体逐渐包围高粘度熔 体，最终得到皮芯层结构的复合制件f ，9 1 总的说来，共注射成型具有以下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1 1 0 - 1 2 ；2 ) 可生产高表面性能的低成本 塑料制品【1 0 川：3 ) 可满足对塑料制品功能多样化的要求 1 0 - 1 8 1 ；4 ) 可以减少制件重量、注 射压力、残余应力、翘曲等i 】2 0 o 共注射成型主要是为了生产一些有特殊性能要求( 如耐 候性、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。产品覆 盖汽车、电子、包装、机械、建材、轻工、家具、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1 1 。，1 3 , “j 。 气体辅助共注射成型充填粘弹模拟与实验研究 1 i 2 气体辅助注射成型 气体辅助注射成型( 以下简称气辅注射成型) 技术，是基于传统注射成型技术和结构发 泡成型技术发展起来的一种新型注射成型工艺。它被认为是从往复式螺杆注射成型机问世以 来注射成型技术最重要的发展之一。该工艺1 9 7 1 年起源于美国，1 9 8 3 年成熟于英国，2 0 世纪9 0 年代作为一项成功技术开始进入实用阶段。迄今为止，美、英、德、荷、意等发达 国家的十余家公司拥有气辅设备和工艺的多项专利。气辅注射成型技术的产生和发展，使传 统的注射成型工艺发生了根本的变革”“。 气辅注射成型的核心思想就是引入高压气体，驱动熔体充填，并充当保压压力。由于气 体的引入，使得气辅注射成型技术同传统注射成型技术相比具有一系列明显的优势，具体如 下“：1 ) 所需注射压力小，降低锁模力，从而降低设备费用；2 ) 降低制品内应力，从而 减少翘曲、变形；3 ) 提高表面质量，避免或减少凹坑、表面缩痕；4 ) 可以用于成型壁厚差 异较大的制品，制品设计自由度较大；5 ) 节省用料量，降低制件重量，提高强度重量比； 6 ) 增强结构性能，实现制件的轻型化；7 ) 缩短成型周期，提高生产效率。 气辅注射成型技术可应用于各种塑料产品上，如电视机或音箱外壳、汽车塑料产品、家 具、浴室、厨具、家庭电器和日常用品、各类型塑胶盒和玩具等等，应用范围涵盖了原传统 注射成型7 0 领域。主要体现为以下几大类阻“2 7 , 2 9 】：管状和棒状零件，大型平板类零件， 形状复杂、薄厚不均、采用传统注射技术会产生缩痕和污点等缺陷的复杂零件等。 1 2 气体辅助共注射成型工艺 1 2 1 工艺的提出 气体辅助共注射成型( 以下简称气辅共注射成型) 工艺是在共注射成型工艺和气辅注射 成型工艺的基础上发展起来的一种新型注射成型工艺。该工艺是南昌大学周国发教授和柳和 生教授在对气体辅助成型和共注射成型研究的基础上于2 0 0 1 年提出来的”，同期台湾富强 鑫公司也提出了该工艺c g a s a s s is t e ds a n d w i c hc o i n j e c t i o ni n t e g r a lm o l d i n g ) ”。 相对共注射成型工艺而言，气辅共注射成型工艺多了一个注气过程，即利用高压气体在共注 射成型的芯层熔体内部产生中空截面，并致完全充填的过程；相对气辅注射成型工艺而言， 气辅共注射成型工艺的注射成型阶段是多种材料顺次或同时注入模腔形成多层结构的过程。 因此，气辅共注射成型工艺实际上是共注射成型工艺和气辅注射成型工艺的相结合的产物。 图卜1 为气辅共注射成型充模流动示意图。该工艺将气辅技术应用于甚注射成型，因而既保 留了共注射成型工艺的优点，叉因气辅技术的应用带来了一系列的优点。因此，气辅共注射 成型工艺必将在塑料加工行业得到广泛地使用。 2 1 2 2 工艺过程 气辅共注射成型的工艺过程可以分为 三个阶段：第一阶段为共注射阶段，这一阶 段和常规共注射成型基本相同，不同的是熔 体不充满型腔，即“欠料注射”i 第二阶段 为气辅注射阶段，这一阶段和常规气辅注射 成型基本相同，不同的是气体推动芯层熔 体，芯层熔体又推动壳层熔体，直至充满型 腔；第三阶段为保压冷却、再卸压脱模，在 冷却过程中，制件内层在内部气压的作用下 将表层往外压，使表层紧贴模壁，并釜过高 图1 1 气辅共注成型流动示意图 压气体的二次穿透从内部补充因表内层熔体冷却带来的体积收缩。 1 2 3 工艺的优点 气辅共注射成型兼有具有共注射成型和气辅注射成型工艺的优点，具体如下： 1 ) 可部分解决废旧塑料回收利用问题，实现可持续发展：该技术可将废旧塑料作为内 层材料，将原生塑料作为表层材料。这样在满足性能要求的前提下，既降低了产品成本，又 解决了环境污染问题； 2 ) 可生产性能价格比较高的塑料制品：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。若用传统的单相注射成型技术，其产品价格昂贵，使其应用受到 限制。而该技术可将具有高表面性能的工程树脂作表层材料，用普通聚合物作内层材料这 样就可生产高表面性能的低成本注射成型件，从而拓宽普通塑料的应用范围； 3 ) 可满足对塑料制品功能多样化的要求：该技术综合各层材料的独特性能，生产具有 多种功能的复合注射成型件，而这是单相注射成型技术和气辅注射成型技术所不能实现的； 4 ) 可快速生产轻质高强的塑料制件：由于制件中空，不仅缩短了冷却时间从而缩短了 整个生产周期，还减轻了制件质量、节省了原材料。此外，还因改变了制件截面的材料分布 从而提高了制件的刚度和强度； 5 ) 可生产高表面质量的壁厚尺寸差异较大的大而复杂的制件：由于采用高压气体完全 充填过程并保压，不仅有效消除了制件表面缩痕、减小了制件的内应力和翘曲变形、使制件 尺寸稳定，还能成型壁厚尺寸差异较大的大而复杂的制件，同时也提高了制件设计的自由度； 6 ) 可降低设备投资与维护成本：制件设计简化了，相应的模具的设计也得以简化，从 而降低了模具开发成本；由于采用高压气体保压，降低模具损耗、提高模具寿命；也降低了 锁模力，从而降低了注射成型机的投资成本。 气体辅助共注射成型充填粘弹模拟与实验研究 1 2 4 应用范围与现状 气辅共注射成型的应用一方面得益于该技术能够生产具有某些复合使用性能、井具有较 高尺寸精度和质量要求的制件，而由传统注射成型和气辅注射成型则无法生产这种具有复合 功能的制件，由共注射成型技术则不能保证尺寸精度和高的表面质量要求或难以成型；另一 方面得益于该工艺能将空心结构、低成本的内层材料与较昂贵的表层材料有机地结台到一个 制件上来，降低了产品的生产成本。从塑料产品发展的趋势来看，家电、汽车、化工，仪器 仪表、医疗器械等行业将广泛应用气辅共注射技术，以从质量和价格两方面来提高其产品在 市场中的竞争力。 气辅共注射成型技术主要用来生产一些有多种性能要求( 如耐候性、化学稳定性、气体 阻隔性、导电性、屏蔽电磁波性等) 的多功能中空塑件和以高性能( 耐腐、耐热、耐磨、装 饰美观和软接触等) 材料为表层、普通材料为内层或原生材料为表层、废旧材料为内层的满 足使用要求的低成本中空塑件。由此可见气辅共注射成型为塑料加工成型开辟了一个崭新的 应用领域。台湾富强鑫股份有限公司将气辅共注射成型工艺的应用范围列如表i i ”： 表i - 1气辅共注射工艺的应用范围 编号功能 目的产品应用 发展 1降低成本回收科再利用容器柄、扶手等具潜力，环保 具有高级或柔软表 汽车内饰件、家 2 质感与强度具、工具、小用具、产品设计、材料界面研究 面，而内部很硬 手提电脑 电子产品、通信产 3e m i 、e s d 电磁屏蔽、静电耗散品、信息产品、半 撮具市场潜力，能降低材 导体、家电 料成本 4液体，气体防护防氧化和防潮药品、食物包装具市场潜力 舍纤维芯层和纯塑电子、信息、家居解决产品浮织问题，提升 5外观 料皮层与家电质量 信息、家电、机械、具市场潜力，可解决技术 6减震和消音减震、隔音 音响和运动器材瓶颈 卫生、家具、医疗、 极具市场潜力，可提高生 7 抗菌、舫霉健康、生活 通信、家具、家居活质量 1 3 相关研究概况 根据文献查阅情况看，除本课题组发表的一些论文外f ”3 2 - 3 7 ，尚未见有关气辅共注射成 型的理论和实验研究报道。在此只对气辅注射成型和麸注射成型的相关研究概况进行综述， 这些相关研究成果为本研究奠定了基础。 4 1 3 1 充填模拟研究概况 注射成型充填流动数值模拟研究经历了从一维到二维，最后到三维这样一个发展过程。 一、一维流动分析 传统注射成型的维充模模拟始于2 0 世纪6 0 年代。k a r n a l 和k e m n g 等人1 3 8 】研究了中 心浇i s l 的圆盘一维发散充模流动。l o r d 和w i l l i a m 3 9 1 等人用一维模型分析了矩形模腔内的充 模流动。n u n m 和f e n n e r l 4 。1 考虑了圆管内的一维流动。h i e b e r 等人4 1 1 给出了等温条件下，非 圆形管内流动的简单近似。共注射成型充模流动数值模拟始于1 9 7 5 年。d o n o v a n 等人1 首 先进行了共注射成型充模流动的维数值模拟。s c n a n e r 和v i n c e n t 等人【4 2 1 对在圆管内幂律 流体的顺序共注射成型流动进行了一维模拟，结果表明：界面位置主要取决于两种聚合物的 流变参数，通过与没进行运动学假设的二维模型比较，发现采用润滑近似的一维模型在一定 的粘度比范围内能够较精确地预测熔体界面、压力场和温度场。l e e 等人”采用有限差分 法，基于幂律模型对非等温条件下的一维同时共注射进行了模拟和实验研究。一维流动分析 可以采用有限差分法求解，从而可得到熔体的压力、温度分布以及所需要的注射压力。一维 流动分析计算速度快、流动前沿位置容易确定，适用于杆型、棒型以及盘型制件的分析。 二、二维，二维半流动分析 对二维流动分析的研究始于2 0 世纪7 0 年代，二维流动分析除了数值方法本身的难点还 有一个难点就是对运动界面的追踪。t a d m o r l * q 在1 9 7 4 年提出f a n ( f l o w a n a l y s i s n e r o ) 法并对注射成型的充填过程进行= 维模拟。h i e b e r 和s h e n “，4 0 将h e l e s h a w 流动推广到非 牛顿流体的非等温流动情况，得到了描述二维充模流动的广义h e l e s h a w 流动模型，该模型 在过去2 0 年的二维仁维半充填模拟中得到了广泛地应用。p e t e r k e n n e d y 【4 1 以注射成型充模 流动为研究对象，从流体力学三大基本方程以及纯粘本构方程出发，通过各种假设、量纲分 析以及数学推导，得到了和采用h e l e s h a w 近似完全一样的简化的控制方程。h i e b e r 和s h e n 先采用有限差分法而后又发展了有限元，有限差分混合法h o 对注射成型的充填过程进行模 拟。该方法充分发挥了有限元法和有限差分法各自的优点，对复杂边界条件的适用性强，成 为二维二维半流动模拟主要的数值计算方法。他们采用网格扩展法( m e s he x p a n s i o n s c h e m e ) 跟踪熔体流动前沿，该方法在计算中需要人工干预，无法实用。w a n g 和h i e b e r 等【4 8 】在h i e b e r 和s h e n 的研究基础上于1 9 8 6 年发展了二维半流动分析模型。二维半模型( 也 称为中面流技术) 是将型腔简化为一系列具有一定厚度的中性面片，每个中性面片本身是二 维的，但其法向可指向三维空间的任意方向，因此组合起来的整个中性面可用于近似描述三 维薄壁制件f 4 w 。这种模型的实质是将二维面在三维空间组合起来，是介于平面、柱面、参 数曲面等单纯二维面模型和真正的三维实体模型之间的种模型，因此称为二维半模型。由 于制品的厚度远小于其他两个方向( 常称流动方向) 的尺寸，塑料熔体的粘度大，可将熔体的 充模流动视为扩展层流，于是熔体的厚度方向速度分量被忽略，并假定熔体中的压力不沿厚 气体辅助共注射成型充填粘弹模拟与实验研究 度方向变化，这样才能将三维流动问题分解为流动方向的二维问题和厚度方向的一维分析。 由于中面流技术在计算精度、计算时耗、易实现性上存在的优势，因而在注射成型充填 模拟中广为采用1 4 9 - 5 1j ，井被拓展到共注射成型2 1 , 5 2 , ”1 、气辅注射成型阶5 4 。1 以及增强性 纤维材料的注射成型的充填模拟中。s cc h e n 等人”在对顺序共注射成型的充填流动数值 模拟中采用双充填因子分别跟踪皮层熔体和芯层熔体的前沿。他们还利用此法通过同一牌号 的透明皮层材料和有色芯层材料进行顺序共注射成型充填模拟与实验实现传统注射成型充 填过程和后充填过程的可视化研究 2 0 , 2 i l 。s c h l a t t e r 等人。】提出了描述多种材质共注射成型的 热机模型，采用材料厚度分数函数( 实际上相当于v o f 方法的流体体积函数) 的传输方程 来描述熔体间的界面运动。t u m g 2 7 埽w a n g 等人1 5 4 1 在对气辅注射成型充填过程的模拟中， 采用皮层材料在控制体积内的厚度分数r ( 定义为皮层材料厚度与总厚度之比) 来表示充填 过程的三个不同区域。s c c h e n 等j l l 5 4 - 5 8 1 在气辅注射成型充填模拟中将气体视为一种内部 压力均匀的芯层材料，由实验测量决定表层熔体厚度，避免了描述气体熔体界面的物理和 数学模型。并采用双充填因子跟踪算法实现对熔体和气体前沿推进的数值预测。张华9 ”推 导了气辅注射成型中气体穿透厚度比例的计算公式，引入控制体积熔体充填系数。和控 制体积气体穿透系数乙，来跟踪两种前沿的运动。j i a n x i n g u o 【6 1j 对半结晶热塑性塑料注射成 型的充填过程及该过程中的应力结晶进行了数值模拟，采用p c m 方法跟踪熔体前沿的推进。 并将熔体前的气体视作密度和粘度极低的流体，在熔体区为无滑移边界条件，气体区为完全 滑移边界条件。采用罚函数有限元方法求解质量一动量方程，泰勒一伽辽金方法求解输送方 程和能量方程。该文考虑的是厚度面( x z 面) 而不是二维模拟中常考虑的x y 面。t u m g 和 w a n g 6 2 j 、m e r j e r 及其合作者“、p e t e r s 等人1 “邃于h e r e s h a w 近似对顺序共注射成型的充 模过程进行数值模拟。他们通过计算粒子在模腔中的停留时间( r e s i d e n c et i m e ) 来确定后 注入材料的位置。j a m e srw a n g f 8 利用c m o l d 软件对共注射成型进行了模拟，并进行了 工艺研究。该软件采用熔体在型腔内的滞留时间( r e s i d u a l t i m e ) 来表明材料的分布。p e t e r s 等人i ”1 基于润滑近似提出了共注射成型充填区域的模型和流动前沿区域的解析解方法，假 设平面流动前沿。这种方法其动力学主要取决于质量守恒而不是动量守恒，通过保证流率平 衡求解得到自由表面的速度场。m a l l o g d 删对非等温条件下的广义牛顿流体在轴对称杯形型 腔内的共注射充填过程采用有限元方法进行了模拟，采用s o u l c ep r o p a g a t i o n 方法( 该方法 适于模拟流体在空型腔中的扩散流动) 来跟踪皮层流体的前沿，增强的粒子跟踪方法 ( e n h a n c e dp a r t i c a lt r a c k i n g ) 来跟踪芯层流体的前沿。通过p o i n ti n c l u s i o n 算法来确定不同材 料的位置。这种方法能够研究充填过程中任意时刻的皮层材料的残留壁厚、熔体突破以及流 体界面的不稳定。 基于中面流技术的注射成型流动模拟软件应用的时间晟长、范围也最广，其典型代表如 国外m o l d f l o w 公司的m f 软件、原a c t e c h 公司( 被m o l d f l o w 公司并购) 的c m o l d 软件。 国内华中科技大学国家模具技术国家重点试验室的h s c a e - - f 3 0 软件。基于中面流技术的 6 注塑成型流动软件在应用中具有很大的局限性，具体表现为：( 1 ) 用户必须构造出中面模型， 采用手工操作直接由实体，表面模型构造中面模型十分困难；( 2 ) 独立开发的注塑成型流动模 拟软件( 如上述的m f 、c - - m o l d 和h s c a e - - f 3 0 软件) 造型功能较差，根据产品模型构造中 面往往需要花费大量的时间；( 3 ) 由于注塑产品的干变万化，由产品模型直接生成中面模型 的c a d 软件的成功率不高、覆盖面不广；( 4 ) 由于c a d 阶段使用的产品模型和c a e 阶段使 用的分析模型不统一，使二次建模不可避免，c a d 与c a e 系统的集成也无法实现。 z h o u 和“”“1 提出了一种既保留中面流全部技术特点又基于实体表面技术模型的注 射成型流动模拟新方法一一双面流技术。所谓双面流是指将模具型腔或制品在厚度方向上分 成两部分，有限元网格在型腔或制品的表面产生，而不是在中面。相应的，与基于中面的有 限差分法是在中面两侧进行不同，厚度方向上的有限差分仅在表面内侧进行。在流动过程中 上下两表面的塑料熔体同时并且协调的流动。双面流技术所应用的原理与方法与中面流没有 本质上的差别，所不同的是双面流采用了一系列相关的算法，将沿中面流动的单股熔体演变 为沿上下表面协调流动的双股流。由于上下表面处的网格无法一一对应，而且网格形状、方 位与大小也不可能完全对称，如何将上下对应表面的熔体流动前沿所存在的差别控制在工程 上所允许的范围内是实施双面流技术的难点所在。y w y u 等人1 6 9 1 对聚合物熔体在复杂型腔 中的流动模拟提出了一种混合的三维二维有限元技术。该技术将模腔分为二维- - 维区，认 为流体在2 维区的流动遵循h e l e s h a w 流动模型。二维与三维区域通过质量守恒、压力连续 等条件统一起来，并采用标准伽辽金有限元方法求解。通过对两个实例的计算发现该方法能 够获得全三维模拟的精度，并且能够节省时间。蔡军辉【_ ”】采用a l e 有限元算法对具有喷泉 效应的注射成型、气辅注射成型的充模流动进行了数值模拟。该算法适合于非牛顿流动和大 变形流动。并采用集中质量迎风有限元方法求解温度场。模拟结果与前人的实验段数值计算 结果吻合良好，对工程实践具有重要的指导意义。不过该方法在计算过程中要进行网格的重 划。 综上所述，基于广义h e l e s h a w 流动模型的有限元，有限差分控制体积算法在注射成型 的二维二维半充填模拟中广为采用，并被拓展到共注射成型、气辅注射成型以及增强性纤 维材料的注射成型的充填模拟中。该方