基于變溫模具的無紡織物熱模壓成型

孫亮　倪俊芳

摘要：為了解決傳統(tǒng)熱模壓過程中無紡織物受熱不均勻的問題，文章通過對熱模壓加熱結(jié)構(gòu)和變溫模具進(jìn)行改進(jìn)與理論分析，根據(jù)實際需要設(shè)計并選擇合理可行的變溫模具加熱裝置，即采用可控?zé)犸L(fēng)加熱方式。采用ANSYS軟件對變溫模具進(jìn)行熱場分析，并仿真了變溫模具的溫度場狀況。結(jié)果表明，采用可控?zé)犸L(fēng)加熱方式，可以提高無紡織物的拱度，改善無紡織物的手感和柔軟度；采用有限元分析，對確定和驗證模具工藝參數(shù)具有指導(dǎo)性的作用。

關(guān)鍵詞：熱模壓；無紡織物；變溫模具加熱；溫度場

中圖分類號：TH16

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號：1009-265X（2017）05-0023-05

Abstract：To solve the problem of nonuniform heating of nonwoven fabrics in traditional thermally compression molding process， this paper is intended to make theoretical analysis of the heating structure of thermally compression molding and variothermal mold. A reasonable and feasible variothermal mold was designed and selected according to actual needs， namely controllable hotblast heating method. ANSYS software was adopted for thermal field analysis of variothermal mold， and simulating the temperature field of variothermal mold. The results show that the controllable hotblast heating method helps enhance the camber of nonwoven fabrics， and improve the hand feeling and softness of nonwoven fabrics； finite element analysis is of instructional significance to determination and verification of the technological parameters of the mold.

Key words：thermally compression molding； nonwoven fabrics； variothermal mold； temperature field

傳統(tǒng)熱模壓是一種使無紡織物一次壓制成型的工藝，熱模壓的無紡織物材料是聚氨酯（PU）軟泡材料，如圖1所示，其透氣好。由于熱模壓時，無紡織物的空間尺寸是曲線變化的過程，且受熱是非線性的，有些部位已達(dá)到所需溫度，但是有的部位還未達(dá)到所需溫度。模壓溫度過高會導(dǎo)致模壓出來的無紡織物出現(xiàn)發(fā)黃、走形、容積變大等問題；模壓溫度過低會導(dǎo)致模壓出來的無紡織物出現(xiàn)拱度不夠、或者容積變小等問題。

目前，Yick等[1]對聚氨酯泡沫材料模壓的性能進(jìn)行了研究，其研究了在不同溫度下聚氨酯泡沫材料軟化程度，但是并沒有研究模具在模壓過程中是否受熱均勻。Yip等[2]對間隔織物的物理機(jī)械性能進(jìn)行了研究，但是并沒有研究在不同時間和溫度作用下，間隔織物的物理機(jī)械性能變化，沒有做對比試驗。段強(qiáng)[3]為了提高高深徑比塑件微注塑成型質(zhì)量，提出了采用近紅外加熱與循環(huán)水加熱結(jié)合的方式，將模具溫度快速提高至高于聚合物的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度的方法，用紅外加熱的方法固然很快，但是并沒有研究在模壓過程中如何保證聚合物處于恒定的溫度環(huán)境中。李冬梅[4]對熱模壓模具的加熱系統(tǒng)進(jìn)行了改造，以若干內(nèi)熱式電烙鐵芯并聯(lián)安裝在柱形蓄熱元件中，可以較大幅度增加模具的加熱效率，降低加熱時間，但是電烙鐵芯并聯(lián)安裝時較困難，而且很難控制其熱慣性。

本文基于無紡織物熱模壓成型的理論模型，通過對原有模具熱傳遞過程進(jìn)行分析，利用無紡織物的透氣性特點，重新設(shè)計上、下模的熱傳遞的路徑，通過改變模具加熱結(jié)構(gòu)，采用可控?zé)犸L(fēng)加熱方式，主要解決無紡織物熱模壓過程中受熱不均勻的問題。

1熱模壓成型的理論模型

無紡織物在熱模壓的過程中，無紡織物和上、下模具是完全接觸的，所以無紡織物和上、下模具之間由于溫度梯度，從而引起了內(nèi)能的交換。由于上、下模具和無紡織物之間主要是固體與固體之間的傳熱，根據(jù)熱傳遞的方式可知[5]，選用熱傳導(dǎo)進(jìn)行理論分析。

熱傳導(dǎo)的表達(dá)式：q*=-KnnTn，其中，q*為熱流密度（W/m2）；Knn為導(dǎo)熱系數(shù)（W/m·℃）；Tn為沿向的溫度梯度，負(fù)號表示熱量流向溫度降低的方向。

因此，上、下模在合模的過程中會損失一定的能量，無紡織物尺寸變化加劇了受熱不均勻問題，這樣就無法保證上、下模具受熱均勻，所以需要通過改變模具加熱結(jié)構(gòu)，采用可控?zé)犸L(fēng)加熱方式，來彌補(bǔ)模具在模壓過程中損失的熱量，使得模具合模后受熱均勻。

即：W1+W2=0，其中W1表示模具的熱量損失，W2表示吹入熱風(fēng)的能量。

2變溫模具加熱系統(tǒng)設(shè)計

無紡織物熱模壓成型時，在上、下模模壓過程中不能保持恒定的溫度，這就影響了模具傳熱的均勻性及有效性。圖2為設(shè)計的變溫模具結(jié)構(gòu)，圖3為改進(jìn)后加熱系統(tǒng)工作示意圖，圖4為改進(jìn)后加熱系統(tǒng)工況。

設(shè)計采用在原有電加熱板加熱的基礎(chǔ)上，通過改變模具加熱結(jié)構(gòu)，采用可控?zé)犸L(fēng)加熱方式，模具四周開了很多個小孔，無紡織物是內(nèi)部通氣，通過控制熱風(fēng)吹出的溫度，無紡織物在熱模壓過程中能始終處在恒溫的模壓環(huán)境中。

3基于ANSYS溫度場仿真分析

3.1有限元熱分析理論

設(shè)計的變溫模具加熱系統(tǒng)的溫度場隨時間在發(fā)生變化，所以采用瞬態(tài)熱分析計算溫度場[5]。

其控制方程是熱存儲項的計入將靜態(tài)系統(tǒng)轉(zhuǎn)變?yōu)樗矐B(tài)系統(tǒng)，矩陣形式如下：

[C]{T·}+[K]{T}={Q}

式中：[C]為比熱矩陣，考慮系統(tǒng)內(nèi)能的增加；{T·}為溫度對時間的導(dǎo)數(shù)；[K]為傳導(dǎo)矩陣，包含導(dǎo)熱系數(shù)、對流系數(shù)及輻射率和形狀系數(shù)；{T}為節(jié)點溫度向量；{Q}為節(jié)點熱流率向量，包含熱生成。

3.2變溫模具有限元溫度場分析

為驗證此加熱裝置的加熱效果，采用有限元法分析該變溫模具的溫度場狀況，根據(jù)物體傳熱的狀況，其物體邊界上的熱流密度已知，判斷此類邊界條件為第二邊界條件[6]，用公式表示為：

-kTnΓ=q；-kTnΓ=g（x，y，z，t）

式中：k為熱導(dǎo)率，W/（m·K）；Tn為等溫面法線方向上的溫度變化率；Γ為物體邊界；q為熱流密度（常數(shù)）；g（x，y，z，t）為熱流密度函數(shù)。

采用Solid Works軟件建立變溫模具實體模型，然后將之導(dǎo)入ANSYS14.0軟件中進(jìn)行模型分析。在ANSYS14.0分析軟件中，選擇Thermal（熱），Structural（結(jié)構(gòu)），采用Thermal Mass Solid（熱固體）模塊中的Brick 20 node 279（適用于三維劃分）進(jìn)行模型網(wǎng)格劃分，Key points（關(guān)鍵點）423，Lines（線）634，Areas（面）210，Volumes（體）1，Size（網(wǎng)格單元）劃分大小是0.006 5，一共劃分51 430個單元，其中節(jié)點83 685個，網(wǎng)格模型，如圖5所示。實驗室氣動熱模壓成型機(jī)所用的變溫模具材料是鋁，鋁的彈性模量70GPa；泊松比0.3；導(dǎo)熱系數(shù)96.2 W/（m·℃）；熱膨脹系數(shù)24×10-6 m/℃；密度2.7×103 kg/m3；比熱容880 J/（kg·℃）；設(shè)置邊界變溫模具的初始溫度24 ℃，自然對流傳熱系數(shù)20 W/（m2.K），加熱棒加熱功率為1根500 W，4根2 kW，加熱板的橫截面積0.08 m2，傳熱效率80%，熱流密度2.0×104 W/m2。

由此可知，ANSYS仿真出來的溫度曲線和實驗測得的溫度曲線基本一致，約需加熱40 min能達(dá)到實驗時所需的熱模壓溫度。

4實驗驗證與分析

4.1加熱結(jié)構(gòu)改進(jìn)后無紡織物表面溫度分布狀況

對于改進(jìn)后的變溫模具加熱系統(tǒng)來說，無紡織物在熱模壓的過程中是否處在恒定的溫度，需要用多路溫度測試儀器來試驗無紡織物表面溫度分布狀況。通過對改進(jìn)后的變溫模具加熱系統(tǒng)進(jìn)行反復(fù)的試驗，得出了無紡織物表面不同位置點的溫度分布狀況，實測數(shù)據(jù)如表1所示。

由表1可知，位置1、2、3、4點所能達(dá)到的最高溫度不同，但是基本能保持在一條直線上，不同位置點的溫度變化不大。

4.2加熱結(jié)構(gòu)改進(jìn)前和改進(jìn)后無紡織物杯深差

在模具加熱結(jié)構(gòu)改進(jìn)前對無紡織物進(jìn)行熱模壓，模具加熱結(jié)構(gòu)改變之后，采用可控?zé)犸L(fēng)加熱方式，以相同的模壓溫度和模壓時間，再對無紡織物進(jìn)行模壓，改變熱模壓溫度和可控?zé)犸L(fēng)溫度進(jìn)行多組實驗，把標(biāo)準(zhǔn)的膠碗放在一個由三根支柱組成的支架上，測量出每次對應(yīng)模壓出來無紡織物的杯深差，所測實驗數(shù)據(jù)如表2所示。

由表2可知，無紡織物在加熱結(jié)構(gòu)改進(jìn)后的模具中進(jìn)行熱模壓時，杯深差相比改進(jìn)前均有所下降，前幾組測得無紡織物杯深差下降明顯，后面幾組杯深差漸漸趨于相等，這是因為隨著模壓溫度的升高，無紡織物各處均達(dá)到玻璃化的溫度。

4.3加熱結(jié)構(gòu)改進(jìn)前和改進(jìn)后無紡織物壓縮率

對于無紡織物手感的柔軟度用壓縮率來反映，計算公式如下：

l′/%=l0-l1l0×100

式中：l0為測量點的原平均厚度，mm；l1為測量點在50 cN壓力下的厚度，mm；

用改裝的厚度儀所測得的l1實驗數(shù)據(jù)如表3所示，加熱結(jié)構(gòu)改進(jìn)前和改進(jìn)后的無紡織物壓縮率如圖8所示。

通過實驗所得的數(shù)據(jù)可知，無紡織物在加熱結(jié)構(gòu)改進(jìn)后的模具中進(jìn)行熱模壓時，壓縮率相比改進(jìn)前均有所提高，前幾組測得無紡織物壓縮率上升明顯，后面幾組壓縮率漸漸趨于相等，這是因為隨著模壓溫度的升高，無紡織物各處均達(dá)到玻璃化的溫度。

5結(jié)論

通過對改進(jìn)后的加熱結(jié)構(gòu)和變溫模具進(jìn)行理論分析以及實驗驗證得到了：

a）采用多路溫度測試儀器測得無紡織物表面不同位置的溫度分布，證實了無紡織物在加熱結(jié)構(gòu)改進(jìn)后的模具中進(jìn)行熱模壓時，各處基本能處在恒定的溫度中。

b）無紡織物在加熱結(jié)構(gòu)改進(jìn)后的模具中進(jìn)行熱模壓時，無紡織物的杯深差相比改進(jìn)前均有所減少，證實了采用可控?zé)犸L(fēng)加熱方式可以提高無紡織物的拱度。

c）無紡織物在加熱結(jié)構(gòu)改進(jìn)后的模具中進(jìn)行熱模壓時，無紡織物的壓縮率相比改進(jìn)前均有所提高，證實了采用可控?zé)犸L(fēng)加熱方式可以改善無紡織物的手感和柔軟度。

d）采用有限元對變溫模具進(jìn)行溫度場分析，能夠準(zhǔn)確的計算出變溫模具內(nèi)各點溫度和整個加熱系統(tǒng)的熱效率，對確定和驗證模具工藝參數(shù)具有指導(dǎo)性的作用。

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（責(zé)任編輯：張會巍）