水輔共注成型過程的三維數(shù)值模擬研究

水輔共注成型過程的三維數(shù)值模擬研究

基于德國亞倫大學(xué)機械工程部開發(fā)的基于水的輔助雕塑技術(shù)，本文首次介紹了一種新型聚合物水的聯(lián)合加工技術(shù)。水袋共注形成技術(shù)是水袋共注形成技術(shù)與共注形成技術(shù)的結(jié)合而形成的新技術(shù)。其制造工藝是在模腔中同時注射殼體熔，然后注入芯層熔。最后，通過水輔助注射裝置將其注入芯層熔中。模型中的聚合物熔斷在多個相層中，并以各種相層的形式流出來。最終，聚合物熔斷是由國內(nèi)外光滑的多層復(fù)合塑料薄膜組成的。圖1為水輔共注成型技術(shù)成型的多層復(fù)合中空塑料制品。這種成型工藝融合了共注成型和水輔成型的優(yōu)點,是一種生產(chǎn)高性能、低成本制品的環(huán)境友好成型技術(shù)。水輔共注成型技術(shù)既具有循環(huán)時間短、制品表面無縮痕、可成型薄壁和內(nèi)表面光滑的制品、節(jié)省材料等水輔注射成型的特點,又能成型多功能、高性能、低成本多層復(fù)合塑料制品。水輔共注成型技術(shù)是一種先進的聚合物多組分成型技術(shù),有望解決未來重大工程材料問題。由于該成型工藝屬于三維、瞬態(tài)、非等溫的成型過程,成型機理十分復(fù)雜。國內(nèi)外目前有關(guān)于共注成型、氣輔共注成型和水輔注射成型工藝和成型理論的研究報道,但迄今為止,尚無有關(guān)水輔共注成型工藝和相關(guān)成型機理的研究報道。而水輔共注成型工藝屬液-熔-熔三相分層流動成型過程,它與上述三種成型有著本質(zhì)區(qū)別,上述三種成型的相關(guān)研究成果不能用于水輔共注成型。為此開展水輔共注成型技術(shù)的工藝和成型理論的研究就顯得尤為重要。1在此基礎(chǔ)上，聯(lián)合注水形成了一個充模型流動過程的理論模型1.1充填過程的運動方程在水輔共注成型過程中,首先注入模腔的是多種熔體,從而形成多種熔體分層結(jié)構(gòu),對于熔體的注射充填過程,本文的理論模型作如下假設(shè):(1)在熔體充填過程中,不考慮熔體的彈性效應(yīng);(2)在相鄰的熔體界面上認為熔體沒有混合,界面層厚度為零;(3)在熔體充填過程中,不考慮熔體表面張力的影響;(4)認為熔體流動在模壁處黏著無滑移?；谶@些假設(shè),通過量綱分析,可以將水輔共注成型過程的熔體充填過程的控制方程簡化為:式中u——速度矢量,m/sp——壓力,MPar——剪切速率張量,s-1ρ——密度,kg/m3Cp——定壓熱容,J/(kg·K)k——熱傳導(dǎo)系數(shù),W/(m·K)水屬于不可壓縮流體,所以水充填過程中的連續(xù)性方程仍可采用熔體的控制方程(1)。而對于水充填過程的運動方程,將無量綱量引入到運動方程之中,則無量綱量運動方程如式(4)所示。式中帶有星號(*)的是無量綱量變量,而每個變量可由無量綱量和一個特征量的乘積表示。式中Sr、Re、Fr——分別為特征的Strouhal、Reynolds、Froude數(shù)P0——壓力特征量,和流體的黏性力有關(guān),p0=η0U/HH——模腔的特征長度,m水的黏度相對熔體來講很小,其充填過程中可能會導(dǎo)致雷諾數(shù)Re很大,從而可忽略水的運動方程中的特征量值最小項——黏性力項,從而簡化得到水充填時的運動方程為:然而這個方程是非線性的,對其求解很困難。這里提出一個新的方法來求解充水區(qū),即將水的黏度人為地增大,將水的黏度升高至105左右,使其黏度僅比熔體的黏度小103左右倍,這樣,使水流動時的雷諾數(shù)大大降低,這樣就可以忽略運動控制方程的慣性力項。而對于水區(qū)的運動方程而言,其黏度的人為增大,運動方程的黏性力項將遠遠大于重力項和慣性力項,則保留原運動方程的黏性力項,而忽略慣性項、重力項,這樣,非線性的運動方程就可簡化為線性方程,如同熔體填充時的運動方程(2)。這樣的處理有一定的合理性,因為在未對水假設(shè)時,從方程(4)可以看出,水區(qū)的壓降遠小于熔體區(qū)的壓降(可通過采用壓力的無量綱量比較得到),而通過假設(shè)、簡化后所得出的水區(qū)的壓降同樣的也要比熔體區(qū)的壓降小的多,從而保證了本文處理方法在水充填過程中的合理性。能量方程同熔體充填過程。由此可見,水和熔體充填過程均可由方程(1)～(3)來描述。熔體的流變特性在聚合物加工中是一個很重要的因素,本文采用Cross-WLF型本構(gòu)方程。七參數(shù)CrossWLF型本構(gòu)方程表達式如下:式中τ*——材料常數(shù),Pan——非牛頓指數(shù)η0——零剪切黏度,Pa·s式中T*——參考溫度,KD1、D2、D3、A1、——材料常數(shù)1.2邊境條件根據(jù)水輔共注成型的假設(shè)條件和成型特點,可以確定邊界條件。(1)模型內(nèi)壁的邊界條件在模腔內(nèi)壁,認為熔體無滑移,則熔體在模壁處的速度為零,則有:式中um——m處熔體的速度,m/s(2)地殼層熔合線的邊界條件在水輔共注充填過程中,殼層熔體前沿始終和大氣相接觸,它屬于自由表面,前沿處的壓力為零,則有:式中pm——m處熔體的壓力,MPa(3)流體的界面單位法在相鄰流體的界面法向方向上,流體的流速、剪切應(yīng)力和熱流量是連續(xù)的,則有:式中第一個下標(biāo)i——第i相流體,流體編號從芯部開始,向外部依次遞增第二個下標(biāo)——流體的上下表面,1表示流體的下表面,2表示流體的上表面q——熱流量,Wσ——總應(yīng)力張量,MPan——界面單位法向矢量對于熔體和水(統(tǒng)稱為流體),在澆口處的邊界條件有:流體的速度和澆口處設(shè)定的注射速度值相等或流體的壓力與澆口處設(shè)定的壓力值相等,并且溫度相等:2由于水的共注過程中參數(shù)的影響，數(shù)值模擬2.1材料模型和過程參數(shù)水輔共注成型采用圖2所示的FB110-C共注成型機,由臺灣富強鑫公司提供。水輔共注成型充模流動過程模擬主要采用長方體形狀的模型,其截面形狀為12mm×12mm的正方形,長度方向為60mm,實體模型形狀及尺寸見圖3(a),注射口在模型左端面的中心處(圖中左端面的小圓柱)。有限元離散模型見圖3(b)所示。模擬殼層熔體材料為PE-LD,芯層熔體材料為PE-HD,它們的Cross-WLF本構(gòu)方程流變性能參數(shù)見表1。充模流動過程所采用的過程參數(shù)見表2。模擬的水溫分別取285、300、325、340、350K。水輔共注成型充模流動全過程的模擬結(jié)果見圖4,模擬結(jié)果反映了不同充填時間下芯層熔體和水充模過程的三維流動形貌。2.2澆注溫度對芯層和水的穿透過程的影響注水溫度是影響成型的一個重要的工藝參數(shù),注水溫度變化必然引起模腔溫度場的變化,從而使芯層熔體黏度變化,會導(dǎo)致芯殼層熔體黏度比的變化,因而注水溫度對芯層熔體和水的穿透過程有影響。本數(shù)值模擬在保持其他工藝參數(shù)不變的情況下,著重研究注水溫度對水輔共注成型過程的影響規(guī)律和影響機理。本研究保證芯層和水的填充體積相同,通過不斷改變注水溫度來研究其對芯層和水的穿透過程的影響。注水溫度對芯層熔體和水的穿透深度影響的模擬結(jié)果如圖5和圖6所示,研究結(jié)果表明,當(dāng)注水溫度由285K增至350K時,在水和芯層熔體體積分數(shù)不變的條件下,芯層熔體三維前沿界面重合,不變化(見圖5),由此可見,注水溫度對芯層熔體的穿透深度和穿透寬度無影響。而隨著注水溫度的升高,水的穿透深度增加,而穿透寬度稍微減小。2.3水的注射溫度對模腔內(nèi)熔體溫度場的影響綜上所述,注水溫度對芯層的穿透深度和寬度基本沒有影響,而水的穿透深度隨著注水溫度增加而增加。從流變學(xué)的角度來講,產(chǎn)生這一規(guī)律的機理主要是:由于水輔共注成型所用水的溫度遠低于熔體溫度,因此注入模腔的水與高溫熔體接觸的界面會因熔體溫度迅速降低而立即形成一層光滑的高黏度固化膜層,高黏度固化膜層對水的推進產(chǎn)生流動阻力,隨著注水溫度增加,高黏度固化膜層厚度減小,這必然導(dǎo)致高黏度固化膜層對水推進產(chǎn)生的流動阻力減小,從而使水的前沿界面相對于芯層熔體前沿界面的推進速度增加,在相同時間內(nèi),水在芯層熔體內(nèi)的穿透深度增加。水的注射溫度對模腔內(nèi)熔體溫度場的影響模擬結(jié)果如圖7所示,研究結(jié)果表明,水的注射溫度僅對水與芯層熔體分層界面附近區(qū)域有影響,而不影響整體芯層和殼層熔體溫度場分布,主要原因是水的注射時間短,熱量來不急傳遞。因此芯層和殼層熔體的黏度基本不變化,這說明殼層熔體對芯層熔體流動的阻力基本不變,從而使得芯層熔體前沿界面相對于殼層熔體前沿界面推進速度基本不變,這必然導(dǎo)致水溫對芯層的穿透深度和寬度基本沒有影響的結(jié)果。3澆注溫度的影響機理(1)針對聚合物水輔共注成型過程的特點,采用體積加權(quán)平均的指導(dǎo)思想,建立了描述其成型過程的全三維、純黏性、瞬態(tài)、非等溫理論模型;(2)注水溫度是影響聚合物水輔共注成型過程重要參數(shù)之一,研究結(jié)果表明注水溫度對芯層的穿透