基于Moldflow軟件的夾芯注射工藝優(yōu)化及塑件開發(fā)

0 引言

隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，塑料制品逐漸向著具有多功能復(fù)合結(jié)構(gòu)的同時(shí)還具有優(yōu)良性能和綠色環(huán)保特點(diǎn)的方向發(fā)展，夾芯注射工藝作為一種新的注射工藝應(yīng)運(yùn)而生。該工藝能夠?qū)? 種材料進(jìn)行3 次注射制造出具有芯/殼結(jié)構(gòu)的塑件

。與傳統(tǒng)注射成型相比，夾芯注射成型可以將表層材料注射為高性能塑料，芯層材料注射為廉價(jià)塑料或廢舊塑料，從原材料上為企業(yè)節(jié)省成本；也可以在表面注射高光塑料，芯層注射含玻纖塑料以替代原先金屬嵌件加注射成型的方式，節(jié)省成本的同時(shí)也能簡(jiǎn)化后處理工藝

。該工藝能夠?qū)⑺芗亩喙δ軓?fù)合結(jié)構(gòu)、高性能及綠色環(huán)保的特點(diǎn)實(shí)現(xiàn)有機(jī)統(tǒng)一。

目前，關(guān)于夾芯注射成型工藝的研究主要集中在模流仿真分析優(yōu)化方面，實(shí)際生產(chǎn)驗(yàn)證較少，缺乏夾芯注射成型塑件開發(fā)的實(shí)例

。以下在夾芯注射成型流變機(jī)理分析的基礎(chǔ)上，借助Moldflow 軟件對(duì)方盒形塑件進(jìn)行夾芯注射工藝優(yōu)化和塑件開發(fā)，用于指導(dǎo)夾芯注射塑件的實(shí)際生產(chǎn)，提高夾芯注射工藝的生產(chǎn)效率和質(zhì)量，減少生產(chǎn)成本，促進(jìn)夾芯注射工藝在注射行業(yè)中的應(yīng)用。

1 夾芯注射成型流變機(jī)理分析

與傳統(tǒng)注射成型工藝采用單一材料一次注射成型的方式不同，夾芯注射成型過程一般采用2 種材料進(jìn)行注射，其主要包括3 個(gè)步驟，如圖1 所示。首先注入殼層熔體（A 料），當(dāng)殼層熔體注射量達(dá)到工藝要求后再注射芯層熔體（B 料），先注入的殼層熔體在芯層熔體的推動(dòng)下繼續(xù)向前充填型腔；當(dāng)芯層熔體注射量接近充滿型腔時(shí)，可根據(jù)工藝要求選擇再次注射殼層熔體，以封閉澆口區(qū)域。

夾芯注射成型是一種特殊的塑料注射成型工藝，高分子材料在成型過程中受到外力的作用，包括剪切應(yīng)力和拉伸應(yīng)力。由于在夾芯注射成型中，不但包含熔體在型腔內(nèi)的流動(dòng)，還包含芯層熔體在殼層熔體中的流動(dòng)及殼層熔體和芯層熔體之間的相對(duì)流動(dòng)，熔體流動(dòng)情況相對(duì)較復(fù)雜，需要進(jìn)一步分析和探討夾芯注射成型中聚合物熔體的流變行為。

如圖2所示，在初始注射殼層熔體時(shí)，殼層熔體受到澆口和型腔的剪切應(yīng)力與拉伸應(yīng)力作用，在后續(xù)注射芯層熔體時(shí)，芯層熔體推動(dòng)殼層熔體繼續(xù)向前流動(dòng)，此時(shí)芯層熔體與殼層熔體產(chǎn)生相對(duì)流動(dòng)和相互的剪切力。

針對(duì)方盒形塑件進(jìn)行相應(yīng)模具結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，模具結(jié)構(gòu)如圖4所示。型腔設(shè)定為1模1腔，分型面依據(jù)“最大橫截面”原則，選擇方盒開口面為分型面，澆口形式為直澆口。模具結(jié)構(gòu)包括定模板、動(dòng)模板、型芯、型腔板、推桿等基本結(jié)構(gòu)，無斜頂、滑塊結(jié)構(gòu)。

不同切換體積的“B 料厚度因子”結(jié)果如圖5 所示。由圖5 可知，在第1 次切換體積設(shè)置為40%時(shí)，型腔充填末端出現(xiàn)了深紅色區(qū)域（見圖5（a）圓圈處），即芯層熔體前沿穿破了殼層熔體前沿，熔體流動(dòng)末端芯層材料厚度占比接近100%，這種現(xiàn)象不僅破壞塑件外觀質(zhì)量，在一定程度上也會(huì)影響塑件的力學(xué)性能。在第1 次切換體積設(shè)置為50%時(shí)，塑件芯層熔體流動(dòng)末端穿透性較好，且無熔體前沿突破現(xiàn)象發(fā)生；在第1次切換體積設(shè)置為60%時(shí)，熔體流動(dòng)前沿雖無突破現(xiàn)象發(fā)生，但是整體芯層熔體穿透不充分，穿透性較差，塑件中芯層熔體含量較少。

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由此可見，在模具因素固定的情況下，第1次注射殼層熔體時(shí)的流動(dòng)狀態(tài)僅與能夠影響殼層熔體流動(dòng)行為的因素有關(guān)，如殼層熔體溫度、黏度、注射速率（即剪切力）和黏度對(duì)剪切力變化的敏感性等；在模具狀態(tài)與殼層熔體材料均不變的情況下，其流動(dòng)狀態(tài)僅與熔體溫度和注射速率有關(guān)。而在第2次注射時(shí)，芯層熔體與殼層熔體均在向前流動(dòng)的同時(shí)也有相對(duì)流動(dòng)，此時(shí)，影響其流動(dòng)狀態(tài)的因素除了模具溫度和熔體溫度之外，芯/殼層熔體的相對(duì)黏度及相對(duì)體積也是重要的影響因素。因?yàn)樵诘?次注射即生成芯殼層結(jié)構(gòu)的過程中，芯層熔體與殼層熔體的流動(dòng)狀態(tài)相互影響。一方面，殼層熔體的流動(dòng)狀態(tài)及堆積量決定芯層熔體向前流動(dòng)所受到的阻力大小；另一方面，芯層熔體的流動(dòng)狀態(tài)也決定了殼層熔體被穿透及被攜帶向前的作用力大小。因此，在夾芯注射成型加工方面，除注射工藝參數(shù)外，芯/殼層黏度比及注射切換體積也是需要重點(diǎn)考慮的參數(shù)。

2 夾芯注射成型塑件分析及工藝優(yōu)化

2.1 塑件信息及模具設(shè)計(jì)

針對(duì)以上總結(jié)的夾芯注射成型流變行為特點(diǎn)，以方盒形塑件為研究對(duì)象，進(jìn)行夾芯注射塑件開發(fā)。該塑件模型如圖3 所示，塑件外形尺寸為130 mm×90 mm×58 mm，壁厚為2.25 mm。該塑件要求除了具有較好的強(qiáng)度和良好的外觀外，芯層的穿透距離應(yīng)盡量充分，芯層厚度分布也要均勻一致，以保證塑件具有較好的綜合性能。

通過分析夾芯注射成型流變行為，得出夾芯注射成型的切換體積是一個(gè)重要的工藝參數(shù)，不合適的切換體積可能造成芯層熔體前沿穿破殼層熔體前沿，導(dǎo)致塑件成型質(zhì)量不合格。采用Moldflow 軟件的Co-injection 模塊，針對(duì)該塑件不同的第一次切換體積參數(shù)進(jìn)行夾芯注射成型仿真分析，得出合適的第1 次切換體積參數(shù)，保證所開發(fā)方盒形塑件的成型質(zhì)量。不同切換體積參數(shù)設(shè)置如表2 所示，其他基本成型工藝參數(shù)如表3所示。

考核完畢后發(fā)放自行設(shè)計(jì)的調(diào)查問卷，包括兩種考核方法的滿意度和效果等內(nèi)容，具體如下：非常滿意：符合教學(xué)大綱、評(píng)分標(biāo)準(zhǔn)合理、難易程度合適、時(shí)間安排恰當(dāng)；能明顯提高溝通交流、分析問題、臨床操作、理論聯(lián)系實(shí)踐。滿意：接近教學(xué)大綱、評(píng)分標(biāo)準(zhǔn)基本能接受、時(shí)間安排和難易程度一般；對(duì)溝通交流、分析問題、臨床操作、理論聯(lián)系實(shí)踐能力提高不明顯。不滿意：大部分偏離教學(xué)大綱、評(píng)分標(biāo)準(zhǔn)不夠合理、難易程度不夠合適、時(shí)間安排不夠恰當(dāng)；對(duì)溝通交流、分析問題、臨床操作、理論聯(lián)系實(shí)踐能力無提高。

2.2 工藝參數(shù)優(yōu)化

依據(jù)塑件上述特點(diǎn)和要求，考慮夾芯注射成型的特點(diǎn)，該方盒的芯、殼層材料都選擇PP 材料。其中殼層材料選擇牌號(hào)為PP-TC16G80 的聚丙烯，芯層材料選擇回收的PP塑料，材料信息如表1所示。

綜上所述，肝細(xì)胞癌腎上腺轉(zhuǎn)移瘤伴下腔靜脈癌栓臨床罕見，術(shù)前易被誤診，手術(shù)難度大，需要給予積極的治療和密切的隨訪。

廣州得改革開放風(fēng)氣之先，伴隨著經(jīng)濟(jì)持續(xù)快速健康發(fā)展，文化建設(shè)也走在前列并不斷開拓發(fā)展新局面。改革開放四十年來，廣州的文化建設(shè)和發(fā)展讓這座傳統(tǒng)意義上的歷史文化名城躍升為充滿活力的現(xiàn)代文化之都，它是當(dāng)代中國(guó)推動(dòng)中國(guó)特色社會(huì)主義文化建設(shè)和發(fā)展的重要縮影?；仡櫤涂偨Y(jié)廣州文化建設(shè)和發(fā)展的基本歷程，不僅可以看到文化建設(shè)的歷史性巨變以及對(duì)城市發(fā)展所起到的重要引領(lǐng)和推動(dòng)功能，而且更有利于增強(qiáng)文化自信和文化自覺，為新時(shí)代推動(dòng)社會(huì)主義文化繁榮興盛凝聚強(qiáng)大的精神動(dòng)力。

（1）碩士及以上學(xué)歷，主治醫(yī)師及以上職稱；（2）熟練掌握一門外語，達(dá)到熟練閱讀、翻譯和基本會(huì)話能力，尤其是英語；（3）在三級(jí)醫(yī)院骨科工作5年及以上；（4）有國(guó)外留學(xué)經(jīng)歷者優(yōu)先。

綜上所述，在后續(xù)塑件開發(fā)過程中選擇第1 次切換體積50%、第2 次切換體積90%的切換體積設(shè)置，并根據(jù)B料穿透情況進(jìn)一步優(yōu)化塑件設(shè)計(jì)，以保證塑件的成型質(zhì)量。

2.3 塑件設(shè)計(jì)參數(shù)優(yōu)化

圖6 所示為方盒原壁厚的B 料穿透分析結(jié)果，從圖6 可以看出，熔體從底面進(jìn)料流向待成型塑件側(cè)面，塑件長(zhǎng)側(cè)面的芯層熔體基本穿透到末端，效果較好，但在短側(cè)面上穿透距離有所欠缺，而在拐角面上的穿透效果較差，導(dǎo)致塑件芯層厚度分布和芯層穿透效果不均勻。這是因?yàn)槿垠w在長(zhǎng)側(cè)面和短側(cè)面上的流動(dòng)長(zhǎng)度不一致，這種現(xiàn)象會(huì)對(duì)塑件的力學(xué)性能和使用強(qiáng)度造成不良影響。針對(duì)這種現(xiàn)象，在不改變塑件形狀設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上，對(duì)該方盒形塑件進(jìn)行壁厚優(yōu)化設(shè)計(jì)，提高方盒形塑件的熔體流動(dòng)平衡性，改善芯層材料分布的均勻性和芯層熔體的穿透效果，提高塑件的性能和強(qiáng)度。

針對(duì)原壁厚在長(zhǎng)側(cè)面和短側(cè)面上芯層熔體穿透不一致的情況，進(jìn)行了表4 所示的方案優(yōu)化設(shè)計(jì)。4 個(gè)方案的B 料穿透長(zhǎng)度分析結(jié)果如圖7 所示，通過對(duì)塑件壁厚進(jìn)行調(diào)整，主要是對(duì)拐角面和短側(cè)面進(jìn)行加厚處理，方案1 到方案4 逐步實(shí)現(xiàn)了芯層熔體均勻分布，其中方案4 的芯層熔體分布均勻性最好，達(dá)到了該塑件的工業(yè)生產(chǎn)要求。

2.4 方盒形塑件試模驗(yàn)證

針對(duì)該方盒形塑件的優(yōu)化結(jié)果，以方案4 為塑件優(yōu)化方案，進(jìn)行夾芯注射生產(chǎn)。夾芯注射樣件如圖8 所示。結(jié)果表明，優(yōu)化的方盒形樣件表面質(zhì)量良好，無飛邊、翹曲、熔體前沿突破等現(xiàn)象，塑件表面材料均為A料，芯層材料分布均勻，基本穿透到塑件邊緣處。樣件總質(zhì)量為77 g，其中殼層材料約45.8 g，占比約59.5%，芯層材料約31.2 g，占比約40.5%。

3 結(jié)束語

分析了夾芯注射成型的流變行為，根據(jù)夾芯注射成型流變行為特點(diǎn)，以方盒形塑件為研究對(duì)象，通過Moldflow 軟件對(duì)其進(jìn)行了工藝參數(shù)和設(shè)計(jì)優(yōu)化，得到芯層厚度分布較均勻一致的塑件設(shè)計(jì)方案，并以最終工藝參數(shù)和設(shè)計(jì)方案對(duì)該塑件進(jìn)行實(shí)際試模驗(yàn)證。結(jié)果表明，開發(fā)的夾芯注射工藝成型的方盒形塑件具有較好的芯層穿透效果，塑件具有完整的芯/殼層結(jié)構(gòu)，綜合性能良好。該工藝方案采用回收塑料作為塑件芯層材料，能夠提高塑料的回收利用率，節(jié)約生產(chǎn)成本。

[1]OXLEY D F,SANDIFORD D J.Sandwich molding[J].Plas?tic and Polymer,1971,39(8):288-292.

[2]HUANG C T,CHEN X W,FU W W.Investigation on the fi?ber orientation distributions and their influence on the me?chanical property of the co-injection molding products[J].Polymers(Basel),2019,12(1):1-19.

[3]厲 邵,王小新,周樂輝,等.塑料夾芯注射成型技術(shù)研究進(jìn)展[J].塑料工業(yè),2021,49(5):24-28.

[4]張 琰,魯 勇,姜開宇.截面尺寸對(duì)PP 共注射成型性能影響的仿真分析[J].模具工業(yè),2019,45(5):1-6.

[5]王 濤,胡麗華,孔勝午.夾芯注射成型塑件厚度對(duì)芯層物料分布影響[J].工程塑料應(yīng)用,2020,48(4):56-61,68.

[6]厲 邵,王小新,周樂輝,等.塑料黏度和制品壁厚對(duì)夾芯注射芯層穿透效果影響研究[J].中國(guó)塑料,2021,35(10):83-87.