短切纤维复合材料动态注射成型工艺研究

短切纤维复合材料动态注射成型工艺研究短切纤维复合材料动态注射成型工艺研究 2019 31 2 MODERN PLASTICSPROCESSINGAND APPLICATIONS观X更科加坯用2019年4月短切纤维复金材料劲念删成 型周业望钱应平高创彭帅高杰 湖北工业大学 湖北武汉 430068 摘要采用动态注射成型T艺 利用活动型芯控制注射过程中的型腔 厚度 以较薄的型腔进行注射 达到优化产品中纤维分布的目的 利用Moldflow软件对不同丁艺参数组合分别进行了模拟 采用正交 试验方法 对模拟结果进行了统计分析 结果显示型腔厚度对纤维 分布有着显著影响 型腔厚度每减小1mm 其纤维取向张量提升4 9 同时验证了动态注射成型工艺的可行性 关键词动态注射成型纤维复合材料Moldflow软件正交试验DOI10 196 90 j issn1004 3055 20180200Dynamic InjectionMolding Processof Short cut FiberComposites andOptimization ofProcess ParametersZhou YewangQian YingpingGao ChuangPeng ShuaiGao Jie Hubei Universityof Technology Wuhan Hubei 430068 Abstract During thedynamic injectionprocess the movablecore wasused tocontrol thetllickness of the cavityand makeinjection moldingin athin cavityto optimizethe fiberdistribution inthe product The Moldflow software wasused tosimulate differentprocess parameterbinations and theorthogonal testmethod wasused toanalyze thesimulation results The resultsshow thatthe cavitythickness hasa significanteffect onthe fiberdistribution For every1mm reductionof cavitythickness the fiberorientation tensoris increasedby4 9 The feasibilityofthedynamic injectionmolding processwas verified Key words dynamic injectionmolding fiber posite Moldflowsoftware orthogonal test纤维复合材料在它的纤维方向有较高的强度和模量 如果一个 零部件的应力状态可以精确地确定 就可以利用纤维复合材料的这 一特性 使纤维方向与这个应力状态完全匹配 从而得到性能优越 的各向异性产品 然而在短切纤维复合材料的注射成型工艺中 纤维取向受诸多因素 影响 纤维方向的随机性较大 产品的性能无法得到保障 为解决这一问题 下面提出了动态注射成型工艺来优化产品内部纤 维分布 论述了动态注射成型工艺的基本原理 并对动态注射成型 工艺中的工艺参数进行了分析和优化 1动态注射成型强化理论根据非牛顿流体Hele Shaw流动理论基础 由于模腔侧壁的摩擦力和速度梯度 在侧壁附 近的纤维都趋于平行侧壁 但是在流动渠道中央 在与流动方向垂直的平面内 纤维的走向是 随机的 因此 这样注塑出来的制件 在表面附近有一个高度定向的边界层 而在模腔中心层各截面上 2018 10 18 修改稿收到日期 2019 01 20 作者简介周业望 工程硕士 主要从事材料成型工艺及模具设计 制造研究 44 周业望等 短切纤维复合材料动态注射成型工艺研究机械模具横 截面上纤维是随机取向的月刃为得到各向异性的复合材料产品 即 纤维尽可能的在产品中定向分布 从而使产品在沿纤维取向方向上 得到较大的性能强化 模腔厚度越小 其侧壁的摩擦力和速度梯度越明显 那么模腔内的 定向层越多 随机层越少 因此 动态注射成型工艺旨在增加产品 中的定向层 模腔的边界层 减少产品中的随机层 模腔的中心 层 来达到控制纤维取向强化产品性能的目的 2动态注射成型原理动态注射成型原理如图1所示 图1动态注射成型原理 d 保用加热冏化后脱出产品BMC材料 团状 树脂基玻璃纤维复合材料 在一定温度下 被注塑机螺杆以高压推 入初始模腔 材料充满初始模腔后 腔内压力使得活动型芯向右移 动 模腔的形状会随腔内压力的变化而变化 直到模腔到达最终状 态时完成注射 经过一段时间的保压加热固化后 开模分型便可从模 腔中脱出具有一定形状和尺寸的复合材料产品 动态注射成型工艺的关键在于利用活动型芯 使初始型腔保持在 较小厚度 在熔体充满初始型腔后 纤维在初始型腔内初步形成定 向层和随机层 随着腔内压力变化 活动型芯产生一定位移 直至熔 体充满剩余型腔 并在剩余型腔内形成定向层及随机层 最终达到 产品厚度 实现动态过程 得到具有更优纤维分布的产品 其纤维 分布如图2所示 图2动态注射成型纤维分布示意3基于M Qfl空的注射成型模拟3 1模 型前处理此处选用标准拉伸试件作为模型进行分析 将三维模型导入 到Moldflow软件中 然后采用实体3D网格对导入的模型进行网格划 分 并建立浇注系统 与热塑性材料不同 对于热固性材料其温度控制是利用加热棒来完 成 因此需要在模架中根据设计需要布置加热棒 并建立柱体单元 浇注系统及加热棒的布置如图3所示 接下来 就能进行完整的模流 分析了 因为加热棒的直接作用对象为型芯和型腔 所以在对模具外框进行网 格处理时仅对型芯板和型腔板部分划分3D网格I 经网格处理后 的模具外框如图4所示 图3加热棒布置方案图4模具外框 45 2019 31 2 MODERN PLASTICSPROCESSINGAND APPLICATIONS2019年4月观A鉗彳加2新3 2分析计算在完成前处理后 设置材料及其参数 设定成型工艺参数 并选择分析序列 最终分 析结果包括充填时间 流动前沿温度 注射位置压力 纤维取向张 量 模具 型腔界面处瞬态温度等等 其中纤维取向张量分析结果如图5所示 图5纤维取向张量结果度 模具温度 注塑周期及注射压力都能不同 程度的对塑件中的纤维取向带来影响 2 除了这些因素外 决定纤维取向的最重要的影响模型的几何形状 然而动态注射成型工艺旨在通过控制成型过程中的型腔厚度 来 达到优化产品性能的目的 因此 除上述试验因子外 引入初始型 腔厚度作为试验因子之一 正交实验因子及水平如下表1所示 表1影响纤维取向张量的试验因子及水平因素水平初始型腔厚度 mm 熔体温度 模具温度 注塑周期 注射压力 r匸SMPa1225140301102330 150351203435160401304540170451404 2正交试验方案及结果4动态 洼射成型工艺参数正交试验设计4 1确定试验指标及试验因子动态注 射成型旨在让产品拥有更好的纤维取向 从而大幅提高产品在纤维 取向方向的性能 因此 定量衡量纤维取向程度的数值一一纤维取 向张量作为试验指标最为合适 成型过程中熔体温根据试验因子及水平表 在表1中选取了5个因素 作为试验因子 每个试验因子对应4个因素水平 因此采用正交表U 45 并按照表2设置的参数做模拟试验 在Moldflow软件中的工 艺设置中 依次输出试验1 16的工艺参数 分别分析求解 取得试 验指标纤维取向张量 试验结果 最终得到相应正交表 如下表2 所示 表2试验指标纤维取向张量试验初始型腔厚度 mm熔体温度 C模具 温度 C注塑周期 S注射压力 MPa纤维取髙隶堀1225140301100 812 52230150351200 82433235160401300 82764240170451400 83965325 150401400 69546330140451300 76547335170301200 7863834016035 1100 76819425160451200 692110430170401100 69691143514035140 0 702312440150301300 691513525170351300 672114530160301400 665515535150451100 671216540140401200 67494 3正交试验结果分 析因子在4个不同因素水平下对短切复合材料的纤通过表2里的分析 数据 可以反映出5个试验维取向的影响 此次正交试验设计总共安 排16次 46 周业望等 短切纤维复合材料动态注射成型T 艺研究机械 模具试验 通过这16次试验可以找到对纤维取向张量影响最大的某 个工艺参数 并可以通过数据分析将不同工艺参数对纤维取向张量 的影响程度进行排序 最后得出最佳参数组合 为确定试验因子对试验指标的影响程度 需对数据进行极差分析 即分别求出5个因素在4个因素水平下试验结果的均值并进行分析 若极差越大 则该试验因子对试验指标的影响越大 反之 则影响 就小 图6是5个试验因子在4个不同水平下纤维取向张量结果的均值0 9r趋 势图 从图6可以明显地看出 在初始型腔厚度的影响下 纤维取向张量的 极差最大 初始型腔厚度为2 5mm时 纤维取向张量的均值约为0 82 0 75 0 70 0 67 其极差约为0 15 将初始型腔厚度依次由5mm调整 至2mm时 纤维取向张量的均值分别提升4 6 9 由极差关系 可 以看出各因素对纤维取向张量的影响由大到小顺序为初始型腔厚度 注射压力 模具温度 熔体温度 注塑周期 06 I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I 41A2 A3A4B B2B3B4C1C2C3C4DID2D3D4E1E2E3E4图6各因素指标趋势A 初始型腔厚度 B熔体温度 模具温度 D 注塑周期 E 注射压力为保证数据分析的准确性 同时对数据进行方差分析 方 差分析法可验证多目标均值是否有显著性差异 其中偏差平方和 自由度 F比 F临界值如表3所示 表3各因素数据分析因素偏差平方和自由度F比F临界值初始型腔厚度 0 01833 8103 290熔体温度0 00130 2383 290模具温度0 00130 238 3 290注塑周期0 00130 2383 290注射压力0 00230 4763 290误差0 02155结论1 影响纤维取向张量的最重要的因子是初始型腔厚度和 注射压力 而其他参数 熔体温度 模具温度和注塑周期对纤维取 向张量的影响有限 2 以2mm型腔厚度进行注塑时 其产品的纤维取向张量明显优于其 他较大型腔厚度 型腔厚度每减小1mm 其纤维取向张量提升4 9 参考文献口 沈观林 胡更开 刘彬 复合材料力学 M 北京清华大 学出版社 xx 2 马兰 注射成型充填数值模拟中Hele Shaw假设适用性分析 D 郑州郑州大学 xx M屈华昌 塑料成型工艺 与模具设计 M 北京 机械丁业出版社 xx 4 丁浩亮 王树浩 严 波 等 基于Moldflow的玻纤增强聚醯瞇酮支撑架模流分析 J 上海 塑料 2018 3 32 37 5 WANG Xiaoxin ZHAO Guoqun WANG Guilong Research onthe reductionof sinkmark andwarpage ofthe moldedpart inrapid heatcycle moldingprocess J Materials andDesign xx 47779 792 6 丁建波 曹将栋 基于Moldflow的复杂产品注射成型数值模 拟 J 塑料 xx 42 1 97 100 7 SUBRAMANIAN NR LIN TY SENG YA Optimizing warpageanalysisfor anoptical housing J Mechatronics xx 2 111 127 8 HAKIMIAN E SULONG AB Analysis ofwarpage andsh