可持续性材料与技术
持续注射成型：材料和浇口的位置选择对塑件翘曲变形和注射压力的影响
摘要：
本文提出了一种如何通过选择最佳的热塑性材料和浇口位置（通过将熔融塑料进入型腔流动）将翘曲（即部分偏转）和复杂的几何形状的塑件的喷射压力最小化。模具填充的数值分析考虑了四种浇口位置以及聚丙烯、聚苯乙烯和纤维填充聚丙烯材料（分别具有不同的收缩特性、力学性能和粘度）。充模腔的结果与PP和PS分别预测了最大的和最小的翘曲。纤维填充聚丙烯材料的翘曲表现出对浇口位置最大的依赖性的行为。此外，纤维填充聚丙烯材料的注射压力最小，在减少压力方面，最佳和中等的浇口位置的选择是在顶部和中间的位置。此外，注意鉴别纤维取向也是考虑翘曲变形的最重要因素之一。在试图最大限度地提高零件的刚度问题上，纤维填充聚丙烯也被考虑在内。它清楚地表明，浇口位置影响熔体流动的演变以及纤维取向。模拟结果表明，双向流动和非对称光纤分布与定位在部分中间部分的栅极实现。因此对称纤维分布可以通过将栅极在该部分的顶端部分单向流动来实现。注射成型实验利用具有上述两个浇口位置沿纤维填充的聚丙烯。它被发现翘曲是在施加左右不逢源栅极，但使用顶栅位置时它被成功地消除。它可以说明差动纤维取向没有造成翘曲，但纤维取向的非对称分布的那样。在本文所讨论的信息可能是在早期的模具/零件的设计阶段特别有用，当任何修改仍然可以轻松且经济高效地实现。一个重要的发现是，最终的浇口位置应仅将热塑性材料的特性选择和熔体流动方向考虑在内。翘曲和喷射压力的成功减少可以有助于减少生产废料和能源消耗的量，以确保无缺陷的可持续制造。
- 简介和文献综述
热塑性塑料注射成型被视为一个最可用于生产塑料产品的重要方法。它可以将固体塑料材料（通常是颗粒）通过料斗放到加热的喷射筒里。在塑化阶段，注射螺杆旋转并输送熔融材料到螺杆前端的螺钉腔室。当制备熔融材料量足够时，塑化停止。
在填充阶段，所形成的塑料一部分被注入，实现熔融材料进入模腔的过程。其中浇口的位置是非常重要的，因为它可以影响流动方向和熔融期间的填充[3]。当型腔几乎被充满后开始凝固，注射阶段之后是填充阶段，在此期间额外的压力迫使更多的熔融材料进入模腔来补偿材料的收缩。然后，在冷却阶段中冷却熔体将半模的开口端部和固化部分剩下的热量用顶针装置除去。在图1概略给出，详细的描述了模具制造过程中的一些步骤。
这个循环过程已被广泛认为是一种快速和有效的技术，其中生产复杂几何形状的功能是可以实现的。整个过程是通过许多物理参数控制的，它认识到过程参数，材料，部件几何形状和模具零件质量之间的相关性。
在一项研究中，空腔平衡是作为填补分析，用以改善模制零件质量的一个重要标准。如果存在不平衡流动，将导致包装的困难和部件翘曲。而且，浇口位置的适当选择将有助于减少填充时间和平衡模塑部件的温度分布。不正确的工艺条件选择将导致收缩率和翘曲性的不恰当，以及不平衡的填充或机械和光学性能的劣化。
在前述的成型问题中，本文的重点部分是弯曲和注入压力。在讨论翘曲之前，有必要来描述下热塑性材料的收缩特性和原则差异。这个压力 - 体积 - 温度（PVT）图提供了相对于特定体积来改变熔融加工温度和压力的函数信息。显示了无定形物质和结晶物质在熔融范围内比热容随温度的线性变化。当对熔体施加压力，特定体积减小，因此，它的倒数值，密度值增加。在达到或低于该材料被认为是固体的转变温度时，无定形和结晶物质收缩特性不同。非晶体材料表现出线性变化，而结晶等级显示出了比热容对温度刚刚低于转变温度的指数依赖性。由于这样的事实，该结晶等级分为晶相和非晶相，在凝固过程中的结晶现象导致有序而密集的微观结构。相对于非晶质等级，有更大的密度和更大的收缩率，这是结晶相形成的结果。
应当指出的是均匀的收缩不会造成翘曲，但是在收缩不均匀变化时。以下几大因素或这些组合是发生这个质量问题的主要原因。
不同的收缩率可以由部分壁厚变化造成。一些凝固较大的厚岬发生的收缩率较高。如果较厚区域冷却之前的部分被排出，在厚和薄区域之间会出现收缩增加的变化。与此相关，熔体冷却速率（在部分的温度分布偏差）的变化可引起结晶含量的变化，从而增加翘曲的可能性。
成型工艺条件也可引起收缩率的变化。控制冷冻层和翘曲，注射时间的适当选择，熔融温度，保压压力和保压时间是必要的。不仅已加工条件在减少翘曲的问题上起到了作用，而且部分设计也起到了重要的角色。翘曲可能通过引入这些对增强部分的结构完整性加以改进。此外，选择具有低硬度的材料可能会使变形阻力较小，而更大的刚性可能有助于改善整体翘曲。为纤维填充材料，更大的翘曲可以增加纤维体积分数变化的可能。
另外，差动模具冷却条件可引起模芯和模腔表面间的温度偏差。熔体在较高温度区域受到更大的收缩率，而较低的收缩率是在温度较低的区域观察到的。这里，由热量引起的残余应力产生的弯曲力矩将导致部分朝向较热区域翘曲。要解决这一问题，冷却时间和熔体温度的精心选择是十分有必要的。加上注射成型在模具辊（表面装饰）技术可能产生进一步的困难。对于这一点，该薄膜的热（例如热相位差）效果也可以影响模具的温度分布和最终部件翘曲的关键参数。
此外,微分分子取向可能引起收缩方面的变化。在剪切流驱动下,在更高层次的收缩观察到平行于流动方向的垂直流。然而,对于纤维填充的材料，纤维方向的作用比分子取向有更多的影响。如果纤维垂直于流动方向，在相当于流动方向上平行取向纤维流动会发生无限制的收缩而限制收缩的凝固。因此,热收缩主要是平行于纤维方向，而垂直于主要纤维取向的大约有一半。因此,由于微分弯矩纤维取向是生成的。所以该部分将朝向无限制的收缩存在的地方变弯。
实际上，由于部分并不总是统一的厚度,因此冷却速率会发生变化,纤维取向在处理过程中也可能发生改变。最终的结果将是形成一个地区与地区之间的部分分布收缩的复杂变量，导致翘曲。
除了弯曲部分,注射压力也是重要的。在制造业,因为它可能决定成型窗口(即成型过程边界)的部分。如果注射压力不足，腔充填和包装不可能使用，即使在特定的工艺条件下, 也有可能导致不良延迟或中断生产。
2．材料和方法
上述评论表明, 设计和质量成型条件之间有一个复杂的分配关系。总结这些研究结果,发现考虑的关键，不但有热塑材料的机械性能,而且还有熔体流动方向和以任何改变来减少翘曲的纤维取向。
为了进一步获得关于部分质量如何改善的知识,需要扩展现有的研究，对目前的案例进行研究，发现了有关于材料选择和门位置选择的系统调查研究缺陷。该工作是为了减少翘曲和注射压力，因此需要考虑一些关键热塑性材料的属性(如弹性和剪切模,线性热膨胀和粘度)。
本文从不同的实验技术的利用统计出发，旨在说明，通过它是可以实现翘曲和降低注射压力的改进的。
弯曲部分可以是关键的几个工程应用程序。例如,塑料封面和外壳在一起可以形成更复杂的组件。即使是最小的部分偏差也可能会导致不完整，影响承载能力,导致过载组件失败。因此，消除这一问题是至关重要的，也是为了生产高质量的产品。此外,注射压力确定成型窗口(即成型过程边界)的部分。例如,如果注入压力不足，可用的空腔填充和包装可能不在特定的工艺条件下,这将导致不良的延迟或中断制造。
因为任何修改或替换现有的模具都可能过于昂贵,因此利用仿真工具在实际生产之前就可以有效地确定注入塑造未来设计的可行性。
仔细选择浇口位置的热塑性材料,对降低注射压力是有帮助的，这有助于延长成型窗口,在允许范围内，设置成型过程中的相关条件。其中一个直接的好处,就是可能有助于减少能源消耗和生产浪费。这被视为在工程公司的战略目标，这样的与可持续制造有关的问题已越来越多的被注视。在早期设计阶段，不当门位置、翘曲、注入压力和其他问题等问题如果都可以解决,那么就可以缩短整体发展时间和更好的改进部分质量。计算工作利用模塑仿真分析见解的“填补 包装 弯曲”造型特征序列进行调查，分析部分的对称性,空心几何使用四个潜在的门如图2中所示的位置。这部分总长度是48毫米,最大宽度分别为20毫米。顶部，前,中间和底部门的位置离顶端部分沿着YZ分割面,分别是4,19,30,43毫米。
数值分析基于与执政方程三维纳维 - 斯托克斯流动求解。分别为质量，动量和能量：
其中rho;是密度，U，V和w是速度矢量，x，y和z的笛卡尔坐标，p是压力，t是时间，g是重力，T是温度，C p是热容量，k和gamma;分别是热电导率和剪切速率。 正如式（6），熔体流动前的跟踪由水平集实施方法（LSM）[5]（这是流体的体积的替代（VOF）技术）来确定：
其中phi;是水平集函数的计算域（定义为熔体流动前方的距离，在任何地方phi;= 0是熔体/空气界面的位置，而phi;lt;0和phi;gt;0分别是熔体和空气中的任何点 ）。此外，由于设置了由方程。 （7） - （8）[5]是基于熔体粘度，eta;是基于交叉WLF模型：
其中eta;0是零剪切速率粘度，tau;*，N，D1，A 1，A2和T g分别材料常数。此外，由于设置了由公式。 （9）[24]，整体计算数值分析是在非等温传热条件下通过瞬态3D泊松方程得到的：
应力受力平衡方程描述，设置了下式： （10）：
其中sigma;是柯西应力张量。方程 （1） - （5）和（7） - （9）均耦合来求解三维压力，温度和速度分量在每一个节点[9]使用代数多重网格（AMG）的计算技术。然后，通过利用方程（9） - （10），热传递和压力分析（被忽视的身体力量）的求解，模拟部分翘曲[5]。计算考虑了以下初始和边界条件，如由方程限定。 （11） - （15）[4,5,23,25]：
关于材料的选择，一些牌号的相关属性在表1中（由于长度约束PVT数据没有内列出的，但参照该第1被做）两个栅极的位置和材料被选择以确保良好的对比到每个设计选择的弯曲和流动特性。根据下列机械性能（即拉伸和剪切模量，热膨胀和泊松比[5]）评估部分的抗变形阻力对翘曲结构分析是至关重要的。关于流动特征，（零剪切速率）粘度（它的温度依赖性特征由式（7） - （8）给出）被视为影响喷射压力的基准参数需求最重要的性质之一。对于每个分析以下初始（处理）条件设定：ŧ熔体=240℃熔体温度，1秒注射时间与包装设定为保持5秒的填充压力的80％。 为了模具，一件T墙= 40℃的稳态模具的壁温由边界条件确定，确保由于不同的翘曲模具冷却效应可以消除。此外，为确保完全固化，冷却期间的持续时间是在一部分喷射标准的基础上定义的（40℃的模具温度，80℃，90℃和95℃的温度弹射。对于PP，PS和PP，分别是30％的纤维填充和100％的冷冻体积)
对于PP30％的纤维填充级，纤维取向分析也基于Moldflow的Folgar - 塔克模式进行，按照用公式。 （16）[5]：
其中ij和一个IJKL是第二和第四阶张量，W是涡张量，其特征是纤维的纵横比，C I是纤维相互作用系数[27]和delta;分别是单位张量。分析退火纤维取向张量等高线图，其可以解释为从区域定位到部分区域的概率（上等高线的结果高概率为1，低概率为0）。 对于翘曲的数值逼近，结构载荷的案例被应用于分析完成“填充 包”。仿真结果的实验验证了专注于光纤取向和部件翘曲对一个单腔进行原型模具（完整的设计布局是专有）与PP30％的纤维填充级。试点工作的进一步细节将在3.3节中讨论。
3．结果与讨论
为了确保由于网格被衰减的计算不稳定性，对网状衔接进行研究，以便于在本研究中选择最合适的网格。下面的部分，将按照前后顺序呈现分析结果。
3.1．正如材料和浇口位置的函数，浇口位置和材料选择对翘曲的影响，计算翘曲（偏转）的分析周期后示于图3. 分析考虑表1中总结了材料特性，并且翘曲是根据收缩和纤维取向总变异（只为PP30％级）计算的。
所有偏转结果由偏转在XYZ方向的和表示。研究发现对于PP，PS和PP30％填充纤维级所有的挠度分别平均为0.45，0.25和0.33毫米。据推测，该部分将翘曲朝向浇口位置，因此，也会沿Z方向偏转。这种假设被证明是正确的，因为平均Z方向偏转作出了贡献，顺序如下：55％，49％，和62％的所有偏转相对于PP，PS和PP30％填充纤维的等级。从PP观察每个栅偏的转值位置是最伟大的偏转值。偏转的这个大小可以归于结晶性，高的热膨胀和这个档次的（表1）低弹性和剪切模量。PS和PP相比可以有效地用于减少翘曲高达50％，作为是无定形级，收缩和热膨胀的变化较小，而它具有较高的弹性和剪切模量（见表1），相对于PP具有对偏转更大的阻力。
然而，对于PP及PS没有明确的倾向可以被用来改善与不同浇口位置的翘曲。 在这点上，可以指出，PS相比于PP将是基于翘曲特点最好的选择。平均的，PP30％填充纤维级（也称结晶材料）和与此相反的PS相比显示出更大的偏转，虽然小于聚丙烯。如果那样使用，浇口位置的影响将变得更加显眼。这表明，翘曲特性可以表示纤维取向有关的行为。这种效应将详细在3.3节中讨论。
然而，应该强调的是最低的热膨胀和最高的弹性和剪切模量与30％PP相关联，因此减少翘曲和结构最大化只能用这个档次定位在该部分的顶部的门来实现。
3.2．注射压力和空腔填充图案的评价
为了能够提高成型过程，调查是扩展相对于熔体流动特性的评估。对于这一点，材料的粘度也被用来作为参考材料性能（表1），将其作为相关数值预测注入压力。如材料和栅极的功能位置，数据被绘制在图4。对于PP，PS和PP30％的纤维填充材料的作用，在此顺序增大注射压力，卡、底部、中部和顶部的浇口位置会降低，这与熔体的粘度直接相关，并且指出粘度越低，熔体的流动阻力越低，因此需要更少的注射压力填充空腔。
不讨论其他的材料性能如热导率和比热容的影响，方程（17）可以用
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