基于模流分析的树脂基体注射成型工艺研究

基于模流分析的树脂基体注射成型工艺研究

有机材料的优点是，其微观结构的可设计性可以为宏观性能提供灵活的选择。由于其强性能，它被用作纤维增强材料的树脂基质材料，发展速度很快。大多数学者对纤维增强复合材料的研究都集中在力学性能和传热分析上我们旨在研究纤维增强树脂基热塑性复合材料在注塑过程中各个工艺参数、浇口位置、浇口数量以及SIM对于其翘曲变形量的影响，其难点在于产品壁厚极薄，且属于层合结构(共4层),每一层的内部结构也极其复杂，有非常多的筋肋，导致在注射过程中出现短射和剪切速率过大的现象。1基于mol逻辑的模型流分析1.1mold具有模流分析的模型基于大型商用软件Catia进行建模，模型总体尺寸200mm×200mm×14.26mm,再以STP格式导入模流分析软件Moldflow中，纤维增强复合材料的产品模型见图1。产品的每一层都有独立的树脂基体，每个树脂基体内部存在许多筋肋结构并穿插着纤维编织体，且每层的壁厚也不同，详细尺寸见表1,不含编织体结构的模型见图2。1.2材料的粘度和pvt曲线该模型每层的树脂基体均采用热塑性PP(聚丙烯)材料，牌号GenericPP,制造商GenericDefault,材料的粘度曲线见图3,材料的PVT曲线见图4。在模流分析时选取PP材料的工艺参数的合理范围见表2。1.3初步分析方案(1)d网格的确定Moldflow网格类型分为中性面网格、双层面网格、3D网格，由于该研究对于分析精度要求严格，故选用3D网格。网格5.85mm,四面体网格数量4690603,平均纵横比21.84,最大二面角179.3,符合翘曲分析要求。(2)模型模拟注射时间由于本次为初始设计方案，故工艺参数均采用默认值，模具表面温度为50℃,熔体温度为220℃,保压压力为最大压力的80%,保压时间10s,注射时间为自动。(3)纤维织物组织体结构基于Moldflow对每一层纤维编织复合材料的树脂基体进行了最佳浇口位置分析，分析结果见图5。因为仅对树脂基体的翘曲变形做研究，故将内部铺设的纤维编织体结构在Moldflow中赋予嵌件属性。根据图5可知，每一层的最佳浇口位置在上层面的中心位置，其次是每一层侧边的中心位置，由于最终的翘曲分析需对4层材料进行整体翘曲分析，故将浇口设置在每一层侧边的中心位置，浇口位置的设置见图6。(4)冷却均引起的变形收缩不均引起的翘曲变形，成型后制件各个部位的体积收缩率相差较大，会导致收缩不均而引起制件变形；冷却不均引起的翘曲变形，在冷却过程中因为在厚度方向上模腔两边温度差异使得制件内外表面的温度不同，导致内外表面收缩不一致而引起制件产生变形；取向原因引起的翘曲变形，塑料取向的平行与垂直方向之间的收缩差异导致的产品翘曲变形。(5)产品初始稳定性分析由于纤维编织增强复合材料的树脂基体属于壁厚非常薄的制件，首次默认的工艺参数无法满足熔体充满型腔，短射结果见图7。一般对于短射的解决办法为：在可行的范围内增大产品壁厚、多浇口注射、提高模具表面温度和熔体温度。由图7观察到，在产品的末端位置出现明显的短射现象，初步判断由于产品壁厚很薄导致熔体流动缓慢，使得前沿熔体在未达到产品末端时就已凝固，进而使后面的熔体无法进入型腔而导致短射现象。因此，提高模具表面温度和熔体温度能够改善熔体在型腔中的流动情况，研究将模具表面温度提高到235℃,熔体温度提高到65℃,最终短射现象得到明显改善，改善后的充填结果见图8。(6)翘曲分析结果调整工艺参数之后，短射得到了改善，翘曲总体变形量为1.043mm,首次分析的翘曲结果见图9。根据图9的翘曲变形结果可知，产品主要的变形位置位于产品的四周，最大翘曲变形量1.043mm,位于两侧的中间部位，其余位置的变形量在0.5mm左右，此次分析仅为初步分析，在后述章节中将着重优化产品的翘曲变形量。2正交试验的构建与结果分析2.1正交实验的方法：注射时间和保压时间熔体温度：熔体温度对其流动性影响较大。当熔体温度降低时，注塑机需要更大的压力来进行充填，所以压力对于模腔的作用会加大，而且模腔内的剪切应力也会增大；当熔体温度增高时，意味着相应的剪切应力会下降，但是过高的熔体温度也会导致剪切速率增加，加速聚合物的降解，使得最后成型出来的制件质量偏差，故在正交实验中设置熔体温度的取值范围为235～250℃。模具表面温度：在制件成型过程中，模具表面温度对于制件的影响也是十分明显。由于模具表面温度的升高或者降低，使得制件内外表面的温度不一致，会导致制件内外表面的体积收缩率不同，最后引起制件内外表面收缩不均而产生过大的翘曲变形量，所以在正交实验中设置模具表面温度的取值范围为65～80℃。注射时间：注射时间对制件翘曲变形量的控制有着显著的影响。通常比较长的注射时间会延长浇口的开启时间，对于保压的效果会有极大的提高，使得制件的体积收缩率减小，相应的翘曲变形量也会得到改善，但是过长的注射时间会导致流动前沿温度相差较大；当注射时间减小时，会极大地缩短生产周期，提升生产效率，但是过短的注射时间会导致剪切速率过高，使材料降解，影响制件品质，所以在正交实验中设置注射时间的取值范围为1.1～1.4s。保压时间：在成型过程中，对于翘曲的变形量保压时间是一个极其重要的工艺参数。适当的保压时间会得到较好的翘曲变形量，当保压时间过短时，制件还没有完全凝固，就会导致熔体从型腔中倒流，影响制件外观，所以要选择适当的保压时间，对于本次正交实验，保压时间的取值范围为10～16s。保压压力：保压压力是成型过程中非常重要的一项工艺参数，保压压力可以减小制件的体积收缩率，改善翘曲变形，但是对于过保压和欠保压都会导致翘曲变形量增大。过保压会对制件产生过大的压力使得制件内应力增大；欠保压会使得产品得不到充足的收缩，导致体积收缩率过大，引起较大的翘曲变形量，所以在正交实验中设置保压压力的取值范围为最大压力的80%～95%。2.2正交试验方案设计普遍运用的工艺优化设计试验和分析方法是正交试验设计和分析方法，正交试验以科学的、快捷的优势得到广大研究者的认可。概率论、数理统计和实践经验是正交试验能够合理使用的基础，使用标准化的正交表来设计试验，并且运用科学的公式计算分析试验结果，最终得到目标值的优化方案，正交试验是一种能够高效快捷解决多因素优化问题的科学计算方法在正交试验中，对于翘曲变形量影响最大的因素有注射时间、模具表面温度、熔体温度、保压压力和保压时间，故采用五因素四水平，根据每个因素的取值范围平均分成4个水平，试验因素与水平见表3,试验方案与结果见表4。试验后分析结果的方法一般有2种：直观分析法和方差分析法。直观分析法就是把试验结果各列的极差计算出来，根据极差的结果来判断各个因素对试验的影响。极差越大，说明对应的因素对试验的目标值影响越大根据正交试验的极差分析计算得出，在注塑过程中对纤维增强复合材料的热塑性树脂基体影响最大的工艺参数是保压压力D,之后依次是注射时间C、熔体温度B、模具表面温度A和保压时间E,最佳工艺参数的组合为A为了将各工艺结果对翘曲变形量的影响更直观地显现出来，特将极差结果绘制成折线图(见图10)。由图10可知模具表面温度、熔体温度和保压时间对产品翘曲变形的影响趋势为先下降到1个最佳水平后转而上升，其最佳水平为模具表面温度70℃、熔体温度240℃、保压时间14s;而注射时间与翘曲变形量成正比，保压压力与翘曲变形量成反比，最佳参数为注射时间1.4s、保压压力为最大压力的95%,最终产品的翘曲变形量得到了极大的改善，由最初的1.043mm降低到0.5856mm,正交试验优化后的翘曲结果见图11。3选择合适的填充量和灌溉位置3.1确定浇口的中间位置根据图5已经得出了最佳浇口位置在每一层的上层面中心位置，其次最佳浇口匹配位置位于每层4条边的中间位置，由于要对层合结构进行整体翘曲分析，故将浇口位置设置在每一层4条边的中间位置；对于浇口数量，因为数量设置的越多会导致模具结构越复杂，成型成本会越高，所以对于本次纤维增强树脂基热塑性复合材料成型过程的浇口数量设置为每层最多4个浇口，详细浇口位置与浇口数量的设计方案见表6。3.2浇口变形量的确定对纤维增强树脂基热塑性复合材料进行模流分析，不同的浇口数量和浇口位置对于最终的翘曲量有显著的影响，每层3个浇口且浇口位置位于正边位置时翘曲变形量最小，为0.5591mm。浇口优化后的产品翘曲变形量见图12,较之前正交试验改善的翘曲变形量0.5856mm改善了5%左右。不同浇口数量的不同位置对产品翘曲变形的影响见图13,可以得出当浇口数量和浇口位置为三浇口正边位置C4sim在最佳模式下进行了优化4.1生物压力法wolmalding顺序注射成型(SIM,sequentialinjectionmolding)是通过设置针阀热浇口来控制各个浇口的开启顺序和开启时间，以改善制件不同位置保压效果不一致，从而减小制件各个位置较大的收缩率差异，最终达到改善翘曲变形量的目的4.2保压阶段的变形结果和分析通过使用SIM工艺来改善产品的翘曲变形量。根据3.2中纤维增强树脂基热塑性复合材料的模流分析结果，可知产品不同位置顶出时的体积收缩率差异很大，这种情况是由保压效果不一致引起的，进而增大了收缩率的差异，使得最终的翘曲变形量增大。模流分析的充填结果见图14,由图14可知产品在1.757s填充完毕，开始进入保压阶段。顶出时的体积收缩率结果和冻结层因子结果见图15和图16,由图15和图16可知每个浇口的冻结时间不同，导致保压时间长短不一，第三层两边和第二层左边的3个浇口位置处的体积收缩率最大，达到16.39%,其他位置也有不同程度的收缩率过大，为了改善保压效果不一致的情况，研究通过SIM技术在保压阶段延迟其浇口位置的开启时间，从而减少保压时间，达到了减小收缩率的目的。在使用SIM技术后，产品翘曲结果得到了明显的改善(见图17),得出最终的翘曲变形量为0.436mm,翘曲变形量较浇口优化时减小了22%左右。根据图17的分析结果可得，产品使用顺序注塑工艺可以有效地改善产品不同位置的收缩率差异，进而改善产品的翘曲变形量。5最佳工艺参数的组合(1)根据正交试验可得，在纤维增强树脂基热塑性复合材料的注塑成型过程中保压压力对其翘曲量影响最大，其次是注射时间、熔体温度、模具表面温度和