短玻纖增強(qiáng)復(fù)合材料RHCM注塑件纖維取向的數(shù)值模擬

李 姣 孟昭興 張榮芳 孟維云/山東協(xié)和學(xué)院

短玻纖增強(qiáng)復(fù)合材料RHCM注塑件纖維取向的數(shù)值模擬

李 姣 孟昭興 張榮芳 孟維云/山東協(xié)和學(xué)院

本文使用Moldflow系列產(chǎn)品MPI模塊對聚合物基短玻纖維增強(qiáng)復(fù)合材料的快速熱循環(huán)注塑（RHCM）成型進(jìn)行數(shù)值模擬分析，通過對熔體充填、流動過程的模擬計算，能夠有效的地預(yù)測纖維取向和分布情況，得到RHCM注塑過程中模具溫度對纖維取向的影響，為得到高質(zhì)量高性能的纖維增強(qiáng)復(fù)合材料注塑制品提供可靠的依據(jù)。

快速熱循環(huán)注塑；玻璃纖維增強(qiáng)ABS；數(shù)值模擬；模具溫度

引言

將動態(tài)模溫控制方法應(yīng)用到注塑成型中形成的快速熱循環(huán)注塑技術(shù)(RHCM)[1,2]，能夠在熔體注射前快速加熱模具，使模具型腔保持在較高的溫度，然后型腔中注射塑料熔體。料流分析軟件MoldFlow中的MPI/Fiber模塊是專門用于纖維增強(qiáng)復(fù)合材料注塑成型過程的模擬分析。它是在MPI/Flow即常規(guī)流動分析的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步預(yù)測復(fù)合材料熔體和制件中纖維的取向。目前對RHCM注塑成型得到的纖維增強(qiáng)制品內(nèi)部纖維取向方面的研究較少[3,4]。為此，本文利用該模塊在計算機(jī)上模擬分析整個注塑過程，預(yù)測熔體在模具內(nèi)部的充填、流動、保壓和冷卻情況，對模具或制件的結(jié)構(gòu)設(shè)計起到指導(dǎo)作用。

1.注塑成型有限元建模

本文選取的模型是根據(jù)快速熱循環(huán)注塑工藝要求和ASTM試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)，設(shè)計的包含有標(biāo)準(zhǔn)沖擊、彎曲和沖擊的試樣，同時將每種模型設(shè)計成單澆口和雙澆口注塑成型兩組，在三維造型軟件UG中造型，得到模具型腔、澆注系統(tǒng)及試樣結(jié)構(gòu)。通過接口程序Moldflow Design Link，簡稱MDL，將CAD模型讀入Moldflow，在Moldflow中進(jìn)行網(wǎng)格劃分及修復(fù)，修復(fù)之后網(wǎng)格劃分模型及澆注系統(tǒng)分別如圖1和圖2所示。

圖1 網(wǎng)格劃分模型圖

圖2 澆注系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

2.工藝條件的設(shè)定

在Moldflow中設(shè)定材料為短玻纖維增強(qiáng)ABS，纖維含量為20％。選定注塑機(jī)中注塑機(jī)最大注射速率為5000cm3/s，模具溫度分別設(shè)置為60℃，120℃，160℃三個其它成型工藝參數(shù)設(shè)定實(shí)際快速熱循環(huán)注射成型時的數(shù)值，列其具體情況如表1。

表1 Moldflow中工藝參數(shù)

3.注塑過程的模擬實(shí)驗(yàn)及結(jié)果分析

為研究快速熱循環(huán)技術(shù)下可控的模具型腔表面溫度對制品內(nèi)部纖維取向的影響，在Moldflow中分別設(shè)定模具溫度為60℃、120℃、160℃，進(jìn)行充填模擬。對三種模具溫度下的單澆口標(biāo)準(zhǔn)彎曲試樣模型，在試樣長度方向的中間截面沿厚度方向平均取12個測試點(diǎn)，對各個點(diǎn)處纖維取向張量進(jìn)行記錄，得到圖3沿單澆口標(biāo)準(zhǔn)彎曲試樣厚度方向的纖維取向張量路徑圖。

圖3 沿單澆口標(biāo)準(zhǔn)彎曲試樣厚度方向的纖維取向張量路徑圖

從圖3可以看出，在不同模具溫度下，沿試樣厚度方向的纖維取向呈明顯的層狀分布。在靠近型腔壁面，有一個取向程度較低的很薄的層，即表層?？拷韺拥囊欢ê穸确秶鷥?nèi)，纖維出現(xiàn)較高程度的取向，而在中心部位，纖維取向程度較低。纖維取向出現(xiàn)分層結(jié)構(gòu)的原因表現(xiàn)在：由于型腔壁面溫度低于復(fù)合材料熔體的溫度，當(dāng)高溫熔體流入模具時，與型腔壁面接觸的一部分熔體溫度下降，流動性能降低，該部分熔體凝結(jié)后，內(nèi)部纖維縱橫交錯，基本沒有規(guī)則，形成一個纖維取向程度較低的薄殼層；之后，在薄殼層內(nèi)部流動的熔體會受到薄殼層的剪切作用，復(fù)合材料熔體內(nèi)部的短玻纖維在剪切力的作用下會沿著流動方向取向，形成一個較厚的高度取向?qū)樱辉谌垠w中心部位受到的剪切作用較小，而會受到注射壓力等拉伸作用，因此中心部位熔體中纖維易沿拉伸方向取向，但是取向程度較輕。由以上分析可知，短玻纖維增強(qiáng)復(fù)合材料注射成型件在試樣厚度方向上形成表層-剪切層-中心層-剪切層-表層的分層結(jié)構(gòu)。

4.結(jié)論

本文利用Moldflow料流分析軟件對不同模具溫度下的纖維增強(qiáng)復(fù)合材料快速熱循環(huán)注塑成型的充模過程進(jìn)行了模擬研究，得到了其纖維取向分布規(guī)律，提出了試樣在厚度方向上的表層-剪切層-中心層-剪切層-表層的纖維取向分層結(jié)構(gòu)，隨著模具溫度的變化，成型試樣厚度方向上不同的纖維取向?qū)雍癞a(chǎn)生較大變化。通過分析不同模具溫度下試樣的纖維取向張量分布，發(fā)現(xiàn)當(dāng)模具溫度升高到一定程度時，纖維取向程度明顯下降。

[1]劉斌，趙春振. 薄壁注塑成型中的變模溫控制技術(shù). 塑料科技，2008，36（9）：44-48.

[2]李熹平, 趙國群, 管延錦, 李輝平. 快速熱循環(huán)注塑模具加熱與冷卻過程分析及其結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計. 塑性工程學(xué)報, 2009, 16 (1): 196-201.

[3]李熹平.快速熱循環(huán)注塑模具及工藝關(guān)鍵技術(shù)研究[D].山東大學(xué),博士學(xué)位論文, 2011.

[4]楊揚(yáng), 董斌斌, 劉春太. 成型溫度對纖維增強(qiáng)注塑熔接線拉伸性能的影響. 鄭州大學(xué)學(xué)報(工學(xué)版),2004,25 (1):102-104.

課題項(xiàng)目：

2015年山東協(xié)和學(xué)院校級科研計劃項(xiàng)目（項(xiàng)目編號：XHXY201503）

李姣（1987-），女 ，山東省章丘市人，碩士研究生，主要研究方向：注塑成型工藝和模具。