嵌入膜对模内装饰注塑成型PP零件非对称模温和翘曲的影响
摘要
在模内装饰技术（IMD）中，注塑成型是一种相对较新的工艺，用于改善零件表面质量并可得到具有多彩光滑表面的注塑件。在进行IMD处理时，首先将与模腔形状相同的膜贴到模具上，然后将熔融聚合物注入模腔中。由于薄膜的低导热性，腔表面的热传递明显受到阻碍。由于熔体温度和模具温度不对称，容易导致部件翘曲。本文研究了在聚丙烯（PP）零件IMD注射成型过程中嵌入膜对于不对称模温度场的影响。实验在不同的模具温度、熔体温度和薄膜厚度条件下进行，探究由不对称模具温度引起相关零件的翘曲和结晶度。实验发现传热延迟导致模腔表面的薄膜-模具界面处模具温度下降延迟，与没有嵌入薄膜的常规注塑相比，该温差最高可达10℃。温度下降延迟引起的模具温度差和零件翘曲随着熔体温度和膜厚的增加而增加，而随着模具温度的增加而减小。薄膜的嵌入增加了注塑成型PP零件的结晶度。通过数值分析可预测使用IMD工艺注塑成型零件翘曲的模具温度场，预测值与实验结果一致。非对称冷却系统的设计减少了使用IMD技术成型的零件翘曲。
关键词：模内装饰注，塑成型，传热延迟，薄膜嵌入，翘曲，聚合物加工，传热
1. 前言
注塑成型[1]是一种使用广泛且较为复杂的聚合物加工技术，可以用相对低的成本快速生产具有复杂几何形状的产品。模内装饰注塑成型（IMD）也称为薄膜嵌入注塑成型，是一种相对较新的且具有成本效益的注塑成型技术，其中在将装饰薄膜预成型为模腔的形状之后将熔融树脂注入腔中，并放置在模具壁的一侧，通常位于型腔表面。这种技术的主要优势在于将几个生产步骤（模具的生产和装饰）整合到一个生产操作中[2]。这项技术可以减少生产阶段和零部件的数量，同时减少生产时间、降低成本，同时可能改善成品质量、复杂性和耐用性。IMD技术在没有任何后处理操作（如丝网印刷或喷涂）的情况下能获得高表面质量的薄膜注塑零件，因此，与传统的注塑成型相比，IMD是一种非常先进的方法[1-4]。此外，可能会有部分注入的热熔树脂连接到薄膜上，使得薄膜和冷却后的注塑件之间的粘合力增强[5,6]。近些年来，IMD已被用于生产各种注塑成型产品，用来改进表面质量，如汽车仪表板，手机外壳和印有徽标的塑料制品。
IMD技术虽然具有一些优点，但不足之处在于薄膜定位困难、冲墨和制件存在翘曲。在模具填充阶段，存在薄膜被冲离正确位置和薄膜表面预先印刷好的油墨被冲走的质量风险。另外，在冷却阶段，由于制件两侧的散热不均衡，存在翘曲问题。使用IMD生产的零件与模腔壁垂直方向的热传递受阻，类似于模腔表面涂层[7]，因为膜附着在模腔壁上。此外，沿着流动路径的传热导致腔表面（带有膜）和芯表面（不带膜）具有不同温度边界。在填充和冷却阶段，空腔中的不均匀传热会导致沿间隙方向的温度分布不均匀（图1）。腔壁内不对称的温度分布导致熔体流动前沿不均匀流动，严重的翘曲和应力以及其他的影响--例如结晶和取向不匀[3-9]。所有这些研究主要集中在加工特性上。虽然已有关于嵌入薄膜的热效应的研究[3,4,10-12]，但在文献中没有关于成型条件（包括熔体温度，模具温度，薄膜材料和厚度）对薄膜传热受阻引起的温度下降和零件翘曲的综合研究。同时，还没有研究通过模拟或测量来详细研究模具温度场和翘曲特性。了解由嵌入膜引起的模具-聚合物和熔体-薄膜-模具界面处的传热情况是非常重要的，通过研究可以获得高质量的IMR（模内转印）产品。
图1 （a）薄膜导致不对称流动前沿推进的示意图（b）不对称的熔体和温度分布图
在研究中，IMD处理的关键问题是单侧膜附着导致垂直于腔壁的方向上的非对称模具温度曲线。为了研究嵌入膜对IMD注塑成型的模具温度场和翘曲的影响，在不同的模具温度、熔体温度、薄膜材料和膜厚度的条件下完成聚丙烯（PP）注塑成型，测量模具-聚合物（无膜侧），聚合物-薄膜和薄膜-模具（膜侧）界面的温度。为了解处理过程中聚合物-薄膜界面处的温度变化，还进行了IMD过程的热仿真分析，探究了由不对称模具温度引起的相关零件翘曲和结晶度变化。此外，还将实验结果与仿真分析结果进行了比较。
2.实验结果
2.1实验材料
用于注塑成型实验的聚合物材料是PP（Globalene 7533，台湾李长荣化工有限公司），密度为897 kg/m3，导热率为0.255 W/mK，比热为3100 J/kgK。模具采用P20钢，密度为7850 kg/m3，导热系数为31.5 W/mK，比热为501.6 J/kgK。
PC薄膜厚度为0.125和0.175mm, PET薄膜厚度为0.036和0.05mm,将其贴到模具内表面的一侧，来研究模具温度，翘曲以及相关因素的影响。PET膜的密度为1405 kg/m3，导热率为0.2745 W/mK，比热为1924 J/kgK，而PC膜的密度为1250 kg/m3，导热率为0.207 W/mK，比热为1224 J/kgK。
2.2嵌入膜注塑成型
使用注塑机（日本沙迪克公司，型号HSP100EH2）成型四个尺寸为98.5times;98.5times;1.2mm的方形板。模具有一个20mm长的扇形浇口，入口尺寸为27times;1mm，起始长度为5.5mm，浇道的终端直径为7mm（图2）。为了研究相关影响，使用模具温度控制器（台湾，BYCW-021410FS），使模具温度从40℃升高至60℃，同时熔体温度以30℃的温差从200℃升高至260℃。此外，注射速度、填充时间、保压压力和保压时间分别设定为100mm / s、0.306s、100MPa和1s。
图2 注塑成型零件以及翘曲的定义
如图1（b）所示，在IMD工艺中沿模腔空隙方向选取三个位置作为参考点，测量其温度研究薄膜对模具表面温度的阻滞效应[3,7,13]。 第一个位置的温度称TB，是模具和聚合物熔体界面处的温度。TB与无薄膜的传统注塑成型模具表面温度大致相同。 第二个位置的温度为Tc，是聚合物-薄膜界面处的温度，在IMD工艺中，这个界面温度难以测量。还有一个位置（TD）位于薄膜-模具界面。IMD工艺中的特殊温度边界与传统注塑成型的温度边界有所不同，前者Tc值只能通过模拟方法来确定，而TB和TD可以通过实验测量和数值仿真来获得。
使用温度传感器（瑞士PRIAMUS公司，型号4003B）测量模具表面温度或模具-熔体界面温度和薄膜-模具界面温度。两个直径为1mm的温度传感器嵌入模腔表面和中心位置的模芯表面，以监测IMD成型过程中两个位置的温度变化。图3是常规注塑成型和IMD工艺的腔体和型芯表面的典型温度分布图。模芯和型腔温度曲线存在轻微不匹配是由模具零件的不同引起的。例如，即使冷却系统在两个模具基座上对称设计，流道系统的存在也会导致模腔表面温度较高。尽管存在这种不匹配，但通过观察有/无薄膜的型腔表面上的最大温度偏移可以确定薄膜的影响。图3清楚地显示，在传统的注塑成型中，当熔体在熔体填充阶段与模具表面接触时，模具表面温度升高；而在IMD成型的情况下，薄膜阻止热量传到模具表面，导致模具表面温度上升缓慢。因此，进行注塑成型时有/无薄膜使得模腔表面的温度峰值存在差异。在图4中，该温度差称为延迟引起的温度下降（RTD）。
图3 注塑成型过程中模腔和型芯表面的温度分布
图4 嵌入薄膜IMD和传统注塑中模腔表面处的延迟引起的温度下降
2.3测试技术
2.3.1翘曲的测量
在本文中，样品的翘曲值定义为零件中心到底部参考平面的距离，如图2所示。每组的五个样品使用注塑成型，并且样品的翘曲使用2D坐标测量机（镁佳机械工业股份有限公司，型号TIM-2515）测量，采用五次测量的平均值来分析。
2.3.2 X射线衍射（XRD）
使用Bruker D8 DISCOVER高分辨率X射线衍射仪进行XRD实验，在40kV和25mA条件下进行Cu Kalpha;辐射。为了定量评估有/无嵌入膜的PP零件中不同结晶形式的含量，采用文献[14,15]提出的高斯方法对XRD峰解卷积以获得相对结晶度指数，从分析中获得峰的面积来估计结晶度。此外，使用Debye-Scherrer公式[16] 计算微晶尺寸,
其中d是平均微晶尺寸，lambda;是CuKalpha;的波长（1.5416 Aring;），B是在最大反射强度的一半强度下的加宽宽度，theta;是最大反射程度。
2.4仿真
根据加工条件，使用热分析软件COMSOL设置相似的边界和初始条件来模拟薄膜对薄膜注塑成型过程中温度变化的影响。此外，还模拟了在各种加工条件下进行薄膜注塑成型的零件翘曲情况。
3. 结果与讨论
图5展示了在熔融温度为230℃和模具温度为50℃时，RTD上嵌入膜厚度的测量效果，对比了具有薄膜和不具薄膜零件的RTD和翘曲情况，以及测量和模拟的薄膜厚度对RTD和翘曲的影响之间的差异。图5清楚地表明，随着膜厚度增加，热延迟变得显着，RTD和翘曲随之而增加。对于厚度为0.036mm的PC膜，翘曲量可以从0.24mm增加到到0.33mm；对于厚度为0.175mm的PET膜，翘曲量可以从0.53mm增加到到0.62mm。
图5 不同薄膜厚度下延迟引起的温度和翘曲变化
图6展示了模具温度为50°C时，熔体温度对PC和PET薄膜的RTD影响的实验结果。观察这个图发现，RTD随着熔体温度的升高而增加。在处理窗口内，对于PC和PET薄膜，RTD分别在7至10°C和3.5至6°C范围内变化。由于PC薄膜比PET薄膜厚，因此可预计其热阻比PET薄膜大，具有更大的RTD。图7所示为测得的由熔体温度变化引起嵌入膜成型零件翘曲的变化，并与模拟结果进行比较。随着熔体温度的升高，RTD增加，因此翘曲增加。同时，仿真结果与实验测量值吻合较好，在处理窗口内，两者差异仅在5-11％的范围内。对于熔体-薄膜界面温度，需要借助于仿真模拟。图8显示了当熔体温度为230℃和模具温度为50℃时，厚度分别为0.036和0.05mmPET膜的TB，TC和TD模拟分布图。
图6 不同熔体温度下延迟引起的温度变化
图7 不同熔体温度下零件翘曲的变化
图8 厚度为0.036mm和0.05 mmPET薄膜的TB，TC和TD模拟温度分布图
图9和图10分别展示了RTD和零件翘曲与模具温度的关系。结果表明，RTD和翘曲随着模具温度的增加而降低。同时，在处理窗口内，观察到模拟结果和实验结果之间的差异仅在5-20％的范围内。
图9 不同熔体温度下延迟引起的温度变化
图10 不同熔体温度下零件翘曲的变化
图11显示了在熔体温度为230°C和模具温度为50°C的条件下，用厚度为0.175mm的PC薄膜注塑成型的PP零件的XRD光谱。 很明显，薄膜注塑成型的零件由于传热延迟引起较慢的冷却速率，从而与无薄膜成型零件相比，具有更大的结晶度。换言之，图12显示了模具温度变化引起模塑部件的结晶度和结晶尺寸变化，并与无薄膜膜的注塑成型零件进行比较。在这个图中可观察到，对于注塑成型的零件而言，结晶度和结晶尺寸都随着模具温度的升高而略有增加。此外，与有薄膜注塑成型的零件相比，没有嵌入薄膜的零件具有更大的结晶度和结晶尺寸，原因可能是传热阻滞降低聚合物熔体的冷却速率。
图11 熔体温度为230℃和模具温度为50℃的条件下PP零件的XRD谱图（PC膜厚0.175mm）
图12 模具温度变化引起的注塑零件结晶度和结晶尺寸的对比
根据前面的实验结果可以发现，与传统的无膜注塑成型相比，由于传热延迟，嵌入薄膜注塑成型的模腔表面侧-模具间存在温度差异并引起最大温度差异，这可导致更大的翘曲。因此，本文选择厚度为0.175mm的PC膜，熔体温度为230℃，型腔模具温度为50℃，型芯温度为65℃，以降低TRD，然后研究不对称冷却系统设计对零件翘曲的影响。结果表明，在实验和模拟结果中，翘曲值分别从0.62mm显著降低到0.29mm和从0.54mm降低到0.20mm。当芯模温度从50℃上升到65℃时，翘曲值降低53%-63％。
4.结论
IMD成型工艺可能会引入熔体不对称的流动前沿、模芯和型腔不均匀的温度分布，这会导致严重的残余应力和零件翘曲。而这些现象是因为在注射过程之前，附着的装饰膜中断了模腔表面的热传递。本文进行了不同厚度的PC和PET薄膜的PP零件注塑成型， 通过使用位于适当位置的传感器进行温度测量，研究IMD工艺中薄膜的影响和温度分布特性，并探究了由不对称模具温度引起的相关零件的翘曲和结晶度。基于实验和模拟结果，可以得到以下结论：
1.对于PC膜而言，传热延迟导致腔体表面侧与嵌入膜的模具温度存在差异，与无嵌入膜的传统注塑成型相比，在选定的成型窗口中可看到最大温差可能高达10℃。对于PET薄膜而言，最大温差约为6°C。
2.传热延迟引起的模具温度差（RTD）和零件翘曲都随着熔体温度和膜厚的增加而增加，而随着模具温度的增加而减小。
3.随着PET膜厚度从0.036mm增加到0.05mm和PC膜从0.125增加到0.175mm，传热延迟引起的翘曲分别增加了30-33％和28-33％。无膜注塑成型的PP零件的结晶度为45％，通过在模具中嵌入0.175mm厚的PET膜，零件的结晶度增加到52％。
4.RTD和
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