熔體注射次序?qū)λo共注成型工藝的影響

章凱，余忠，黃益賓，上官元碩，李廳，董添文

(上饒師范學(xué)院 物理與電子信息學(xué)院 江西省塑料制備成型重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江西 上饒 334001)

熔體注射次序?qū)λo共注成型工藝的影響

章凱，余忠，黃益賓，上官元碩，李廳，董添文

(上饒師范學(xué)院 物理與電子信息學(xué)院 江西省塑料制備成型重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江西 上饒 334001)

基于有限體積法和流體體積法，在OpenFOAM開(kāi)源平臺(tái)上編制了互不相溶粘彈多相流的新求解器，將之用于溢流法水輔共注填充過(guò)程的數(shù)值模擬中。針對(duì)皮層、內(nèi)層熔體注射次序這一重要的工藝條件，進(jìn)行了系統(tǒng)的數(shù)值分析，得出了結(jié)論：由于皮層、內(nèi)層熔體零剪切粘度中彈性分量的不同，兩熔體層的注射次序?qū)λo共注成型制件產(chǎn)生巨大影響，不恰當(dāng)?shù)膬扇垠w層注射次序會(huì)導(dǎo)致制件被穿透而導(dǎo)致成型失敗。最后進(jìn)行了水輔共注成型的實(shí)驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證，得到的結(jié)論與數(shù)值模擬所得的結(jié)論保持了一致。

溢流法；水輔共注；粘彈模型；注射次序

水輔共注工藝是一種新型的注塑工藝，兼具水輔注塑和共注兩種工藝的優(yōu)點(diǎn)同時(shí)還打破了原來(lái)的技術(shù)限制[1]。按照水相注入時(shí)兩熔體是否完全填滿(mǎn)模腔又可分為溢流法和短射法，其中溢流法水輔共注是將A、B兩種熔體順序注入模腔，填滿(mǎn)模腔后將高壓水C注入，同時(shí)將模腔末端的溢流閥門(mén)打開(kāi)，水相推動(dòng)熔體進(jìn)入溢料腔，待保壓冷卻之后將水排出就可得到具有雙層包覆結(jié)構(gòu)的中空制件。熔體注射次序是影響制品質(zhì)量最重要的工藝條件之一，直接影響制品中的皮層和內(nèi)層熔體的分布。

迄今為止，在對(duì)水輔注塑或者水輔共注的填充過(guò)程模擬中，基本上都采用純粘模型對(duì)熔體的流動(dòng)行為進(jìn)行描述。Pudpong T[2]等人采用MoldFlow軟件中的純粘模型對(duì)聚丙烯進(jìn)行了水輔注塑填充過(guò)程模擬，研究了工藝參數(shù)對(duì)水輔注塑制品殘余壁厚分布的影響，發(fā)現(xiàn)注水延遲時(shí)間和注水壓力是影響制品中空率的主要因素。Polynkin[3]等人借助FLUENT軟件采用純粘模型對(duì)水輔注塑填充過(guò)程進(jìn)行了仿真，討論了注水壓力對(duì)制品的影響，并且同實(shí)驗(yàn)進(jìn)行了對(duì)比。匡唐清、鄧洋[4]采用冪律純粘模型和有限體積法對(duì)水輔共注的填充過(guò)程進(jìn)行了數(shù)值模擬，研究了熔體注射量、注水溫度、注水速度等工藝參數(shù)對(duì)填充過(guò)程的影響規(guī)律，同時(shí)從流變學(xué)理論給出了解釋。KUANG等人[5]還采用純粘模型對(duì)不同截面以及彎角制件的水輔共注的填充過(guò)程進(jìn)行了仿真，運(yùn)用正交法對(duì)工藝參數(shù)因素影響制品質(zhì)量進(jìn)行了研究。Li[6]等人采用純粘模型以及無(wú)量綱法對(duì)短射法水輔注塑填充過(guò)程進(jìn)行了模擬研究，研究發(fā)現(xiàn)單純只考慮一次穿透，其模擬結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果不吻合，只有同時(shí)考慮一次穿透和二次穿透才能更好的提高準(zhǔn)確度。章凱[7]等人采用冪律純粘模型對(duì)水輔共注填充過(guò)程進(jìn)行了模擬，研究了注水延遲時(shí)間對(duì)皮層熔體和內(nèi)層熔體厚度以及水相穿透距離的影響，發(fā)現(xiàn)注水延遲時(shí)間越長(zhǎng)，內(nèi)層熔體厚度增加且均勻度更好，同時(shí)水相的穿透距離增加。而且，章凱[8]等人還基于Giesekus粘彈模型編制了粘彈兩相流的新求解器，對(duì)水輔注塑的填充過(guò)程進(jìn)行了模擬，解釋了注水速度對(duì)水相穿透距離及熔體殘余壁厚的影響。Kim[9]等人則采用有限元/有限差分/控制體積法編制的求解器對(duì)順序共注進(jìn)行了模擬，其中熔體采用的是粘彈本構(gòu)，著重分析了填充過(guò)程中的熔體自由界面以及流動(dòng)引起的殘余應(yīng)力分布，同時(shí)也進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，與模擬結(jié)果吻合度較好。

雖然純粘本構(gòu)可較為準(zhǔn)確的模擬熔體的粘性特征，但難以描述水輔共注過(guò)程中熔體所固有的彈性特征。在填充過(guò)程中彈性特質(zhì)對(duì)熔體層厚和殘余應(yīng)力的分布有著較大的影響，最終決定制品的翹曲程度[10]，所以采用粘彈本構(gòu)更符合熔體粘彈的固有特質(zhì)，對(duì)溢流法水輔共注工藝的指導(dǎo)也更權(quán)威。

1 數(shù)值模擬部分

1.1 制件幾何模型

本文擬針對(duì)一個(gè)圓管制件的溢流法水輔共注填充過(guò)程進(jìn)行研究，由于其幾何形狀的特殊性，可以將其簡(jiǎn)化為二維軸對(duì)稱(chēng)圖形，如圖1所示。

圖1 溢流法水輔共注成型制件的幾何模型

圖1中AC=10 mm，為制件半徑；AB=4 mm，為流體入口半徑；AE`=200 mm，為制件長(zhǎng)度。E`IH`E為溢流腔區(qū)域，其中EE`=5 mm，為溢流腔半徑；E`I=20 mm，為溢流腔的長(zhǎng)度；FG是溢氣孔。

1.2 水輔共注填充過(guò)程的基本控制方程

對(duì)溢流法水輔共注填充過(guò)程做如下假設(shè)：(1)流體不可壓縮，忽略慣性項(xiàng)，流體流動(dòng)皆為層流；(2)假設(shè)整個(gè)填充過(guò)程沒(méi)有熱量交換，即為等溫過(guò)程[8]；(3)不考慮其結(jié)晶效應(yīng)以及分子取向、流體表面張力帶來(lái)的影響；(4)緊靠模壁的熔體層位移為零?？梢缘玫秸硰椓黧w流動(dòng)過(guò)程的基本控制方程：

①

②

式①、②中，u為速度，ρ為密度，p為壓力。τS為偏應(yīng)力張量的粘性分量，表述為

τS=2ηSD

③

式③中，D為變形速率張量。對(duì)于偏應(yīng)力張量中彈性分量τP的定義，本文采用應(yīng)用較廣的Giesekus粘彈模型，其表述為

④

⑤

1.3 邊界條件和模型處理

本文擬重點(diǎn)分析在不同熔體注射次序條件下，熔體粘彈本質(zhì)對(duì)溢流法水輔共注成型的影響，可假設(shè)模腔內(nèi)已充滿(mǎn)皮層熔體[3]，數(shù)值模擬計(jì)算將從內(nèi)層熔體注入時(shí)開(kāi)始。基于開(kāi)源平臺(tái)OpenFOAM的新求解器采用較為廣泛、適合流體流動(dòng)的有限體積法編譯，結(jié)合了多相流求解器和粘彈求解器兩個(gè)基本求解器的特點(diǎn)，同時(shí)采用PISO法對(duì)速度—壓力耦合場(chǎng)進(jìn)行處理，采用Crank-Nicolson隱式方案對(duì)時(shí)間進(jìn)行離散，DEVSS法保證求解過(guò)程的穩(wěn)定性。其數(shù)值模擬還涉及水相前沿自由界面的追蹤，在此采用體積分?jǐn)?shù)法對(duì)其進(jìn)行處理，針對(duì)第i相流體：

θ=γ1θf(wàn)luid1+γ2θf(wàn)luid2+γ3θf(wàn)luid3

⑥

γ1+γ2+γ3=1

⑦

式⑥、⑦中，γn為流體n的體積分?jǐn)?shù)。θf(wàn)luidn是fluidn的模型參數(shù)。當(dāng)單元網(wǎng)格內(nèi)第n相流體的體積分?jǐn)?shù)為γn為0時(shí)，該網(wǎng)格沒(méi)有第n相流體；當(dāng)單元網(wǎng)格內(nèi)第n相流體的體積分?jǐn)?shù)為γn為1時(shí)，該網(wǎng)格充滿(mǎn)了第n相流體。由溢流法水輔共注成型過(guò)程的特點(diǎn)可以知道，皮層、內(nèi)層熔體和水相之間都是兩兩接觸，即在單元網(wǎng)格計(jì)算中任一網(wǎng)格不會(huì)同時(shí)出現(xiàn)三種流體。圖2是采用新求解器模擬的溢流法水輔共注填充過(guò)程中流體流動(dòng)示意圖。

圖2 溢流法水輔共注填充過(guò)程流體流動(dòng)示意圖

1.4 數(shù)值模擬熔體注射次序的影響

采用的高聚物分別是高密度聚乙烯(HDPE，昆侖牌，牌號(hào)DMDA-8008)和聚丙烯(PP，昆侖牌，牌號(hào)1102K)，它們的Giesekus模型參數(shù)如表1所示。

表1 HDPE和PP的Giesekus模型參數(shù)

相關(guān)的工藝參數(shù)如表2所示。

表2 溢流法水輔共注填充過(guò)程工藝參數(shù)(模擬)

為了研究熔體注射次序?qū)σ缌鞣ㄋo共注填充過(guò)程的影響，現(xiàn)分別按照HDPE-PP-水和PP-HDPE-水的注射順序進(jìn)行數(shù)值模擬，其他工藝參數(shù)保持不變。當(dāng)水輔共注填充過(guò)程結(jié)束時(shí)，模擬后可分別得到形態(tài)圖，如圖3所示。

(a) 按照HDPE-PP-水注射順序;注水時(shí)間3.5秒

在圖3(b)中可以看到熔體層有被穿透的現(xiàn)象，靠近入口處皮層熔體(PP)已然被內(nèi)層熔體(HDPE)穿透，并且在中段附近內(nèi)層熔體(HDPE)甚至有被水相穿透的趨勢(shì)，而圖3(a)中則不會(huì)出現(xiàn)此類(lèi)現(xiàn)象。同時(shí)，按照PP-HDPE-水注射順序所用的注水時(shí)間明顯更長(zhǎng)。究其原因，主要是因?yàn)閮扇垠w層間零剪切粘度比發(fā)生變化所引起的。水輔工藝制品的中空部分在注塑填充過(guò)程中是由水相填滿(mǎn)的，水柱前端的徑向尺寸主要由水相前沿的回流效應(yīng)所引起。當(dāng)按PP-HDPE-水順序(圖3b)進(jìn)行水輔共注工藝時(shí)，由于HDPE的零剪切速率時(shí)彈性分量ηP比PP的更大，同時(shí)作為內(nèi)層熔體與水相直接接觸，變形速率比皮層熔體(PP)明顯更大，所以熔體抵抗變形的能力更為明顯，水相所受到的“阻力”更大，進(jìn)而水相前端的回流效應(yīng)就大，水柱的徑向尺寸就大大增加了，進(jìn)而兩熔體層分布就不均勻，甚至可能被水相穿透。而當(dāng)按HDPE-PP-水順序(圖3a)進(jìn)行注射工藝時(shí)，具有較大零剪切速率時(shí)彈性分量ηP的皮層(HEPE)與水相沒(méi)有直接接觸，變形速率等相關(guān)變化都由內(nèi)層熔體(PP)傳遞，熔體抵抗變形的能力就弱了許多，水相所受到的“阻力”就更小，水相前端的回流效應(yīng)就更弱，水柱的徑向尺寸相對(duì)來(lái)說(shuō)就更小，所以熔體層分布更為均勻。也正是由于水相所受到“阻力”更大，按照PP-HDPE-水注射順序所用的注水時(shí)間就更長(zhǎng)。

2 溢流法水輔注塑的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

利用水輔注塑平臺(tái)進(jìn)行溢流法水輔共注實(shí)驗(yàn)，其工藝參數(shù)如表3所示。熔體的預(yù)填量以?xún)陕輻U塑化抽膠位置為準(zhǔn)，數(shù)值越大說(shuō)明預(yù)填量越多；注射速度以共注機(jī)最大注射速度的百分比為準(zhǔn)。

表3 溢流法水輔共注填充過(guò)程工藝參數(shù)(實(shí)驗(yàn))

參照表3中的相關(guān)工藝參數(shù)進(jìn)行溢流法水輔共注成型實(shí)驗(yàn)時(shí)，最終可以得到溢流法水輔共注成型的一個(gè)樣品，如圖4所示，其中黑色為皮層熔體HDPE(先注入)，紅色為內(nèi)層熔體PP(后注入)。

圖4 溢流法水輔共注制品

為了驗(yàn)證數(shù)值模擬的結(jié)果，也分別按照HDPE(黑)-PP(紅)-水和PP(紅)-HDPE(黑)-水的注射順序進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，其他工藝參數(shù)保持不變，得到制品縱剖后得到圖5。

(a) HDPE-PP-Water

(b) PP-HDPE-Water

以看出，圖5(a)中的制品質(zhì)量明顯優(yōu)于圖5(b)中的制品質(zhì)量。圖5(b)中熔體層殘余壁厚的均勻度較差，在靠近入口的A處尤其明顯，同時(shí)熔體層被穿透的現(xiàn)象，尤其在遠(yuǎn)離入口的B處尤為明顯，這與數(shù)值模擬獲得的結(jié)果保持了一致。圖5(b)與模擬所獲得的最終形態(tài)圖3(b)出現(xiàn)差異的主要原因是數(shù)值模擬中沒(méi)有考慮皮層熔體和模壁的熱傳導(dǎo)因素，現(xiàn)實(shí)中由于皮層熔體(PP)和常溫下的模壁接觸，緊貼模壁處的熔體立刻降溫固化，熔體粘度增加，水相難以穿透。同時(shí)由于內(nèi)層熔體HDPE的流動(dòng)性能優(yōu)異，水相與其接觸很難形成較為穩(wěn)定的固化層，其殘余壁厚波動(dòng)較大，甚至在B處出現(xiàn)了被水相穿透的現(xiàn)象。

3 結(jié)論

基于熔體的粘彈本質(zhì)，新求解器對(duì)溢流法水輔共注成型的填充過(guò)程進(jìn)行了數(shù)值模擬。針對(duì)熔體注射次序這一重要的工藝條件，分析了其對(duì)溢流法水輔共注制品最終形態(tài)的影響，主要是由于兩熔體層間零剪切粘度比造成的。再通過(guò)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行研究驗(yàn)證，分析結(jié)果與模擬保持一致，同時(shí)也解釋了與數(shù)值模擬出現(xiàn)些許差異的原因。所以在真正的溢流法水輔共注生產(chǎn)工藝中，應(yīng)選擇ηP較小的高分子材料作為內(nèi)層熔體而選擇ηP較大的高分子材料作為皮層熔體，這樣就可避免熔體層被穿透且能有效的縮短生產(chǎn)周期。

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Analysis on the Influence of Melt Injection Order in Overflow Water-assisted Co-injection Molding Filling Process

ZHANG Kai, YU Zhong, HUANG Yi-bin，SHANGGUAN Yuan-shuo，LI Ting，DONG Tian-wen

( School of Physics and Electronic Information, Shangrao Normal University, Jiangxi Province Key Laboratory of Polymer Preparation and Processing, Shangrao Jiangxi 334001,China)

Based on the finite volume method and the volume of fluid method, a new solver was built on the open source platform named OpenFOAM for the flow problems of viscoelastic fluids which repel each other. The solver can simulate the overflow water-assisted co-injection molding filling process. This paper systematically analyzed the influence of skin and inner melt injection order. The results showed the melt injection order have a giant effect on the product because of elastic component in zero shear viscosity of melts, a wrong melt injection order can lead to fail of molding because of being penetrated. Finally, the experiments of overflow water-assisted co-injection were carried out and the conclusion of numerical simulation has been verified.

water-assisted co-injection；numerical simulation；the viscoelastic model；injection order

2016-06-22

江西省塑料制備成型重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室開(kāi)放課題(jxsr201501)

章凱(1980-)，男，江西上饒人，講師，博士，主要從事聚合物加工成型及理論方面的研究。E-mail:zk19800414@126.com

TQ320.66

A

1004-2237(2016)06-0033-05

10.3969/j.issn.1004-2237.2016.06.007