水辅共注成型过程的三维数值模拟研究

水辅共注成型过程的三维数值模拟研究

基于德国亚伦大学机械工程部开发的基于水的辅助雕塑技术，本文首次介绍了一种新型聚合物水的联合加工技术。水袋共注形成技术是水袋共注形成技术与共注形成技术的结合而形成的新技术。其制造工艺是在模腔中同时注射壳体熔，然后注入芯层熔。最后，通过水辅助注射装置将其注入芯层熔中。模型中的聚合物熔断在多个相层中，并以各种相层的形式流出来。最终，聚合物熔断是由国内外光滑的多层复合塑料薄膜组成的。图1为水辅共注成型技术成型的多层复合中空塑料制品。这种成型工艺融合了共注成型和水辅成型的优点,是一种生产高性能、低成本制品的环境友好成型技术。水辅共注成型技术既具有循环时间短、制品表面无缩痕、可成型薄壁和内表面光滑的制品、节省材料等水辅注射成型的特点,又能成型多功能、高性能、低成本多层复合塑料制品。水辅共注成型技术是一种先进的聚合物多组分成型技术,有望解决未来重大工程材料问题。由于该成型工艺属于三维、瞬态、非等温的成型过程,成型机理十分复杂。国内外目前有关于共注成型、气辅共注成型和水辅注射成型工艺和成型理论的研究报道,但迄今为止,尚无有关水辅共注成型工艺和相关成型机理的研究报道。而水辅共注成型工艺属液-熔-熔三相分层流动成型过程,它与上述三种成型有着本质区别,上述三种成型的相关研究成果不能用于水辅共注成型。为此开展水辅共注成型技术的工艺和成型理论的研究就显得尤为重要。1在此基础上，联合注水形成了一个充模型流动过程的理论模型1.1充填过程的运动方程在水辅共注成型过程中,首先注入模腔的是多种熔体,从而形成多种熔体分层结构,对于熔体的注射充填过程,本文的理论模型作如下假设:(1)在熔体充填过程中,不考虑熔体的弹性效应;(2)在相邻的熔体界面上认为熔体没有混合,界面层厚度为零;(3)在熔体充填过程中,不考虑熔体表面张力的影响;(4)认为熔体流动在模壁处黏着无滑移。基于这些假设,通过量纲分析,可以将水辅共注成型过程的熔体充填过程的控制方程简化为:式中u——速度矢量,m/sp——压力,MPar——剪切速率张量,s-1ρ——密度,kg/m3Cp——定压热容,J/(kg·K)k——热传导系数,W/(m·K)水属于不可压缩流体,所以水充填过程中的连续性方程仍可采用熔体的控制方程(1)。而对于水充填过程的运动方程,将无量纲量引入到运动方程之中,则无量纲量运动方程如式(4)所示。式中带有星号(*)的是无量纲量变量,而每个变量可由无量纲量和一个特征量的乘积表示。式中Sr、Re、Fr——分别为特征的Strouhal、Reynolds、Froude数P0——压力特征量,和流体的黏性力有关,p0=η0U/HH——模腔的特征长度,m水的黏度相对熔体来讲很小,其充填过程中可能会导致雷诺数Re很大,从而可忽略水的运动方程中的特征量值最小项——黏性力项,从而简化得到水充填时的运动方程为:然而这个方程是非线性的,对其求解很困难。这里提出一个新的方法来求解充水区,即将水的黏度人为地增大,将水的黏度升高至105左右,使其黏度仅比熔体的黏度小103左右倍,这样,使水流动时的雷诺数大大降低,这样就可以忽略运动控制方程的惯性力项。而对于水区的运动方程而言,其黏度的人为增大,运动方程的黏性力项将远远大于重力项和惯性力项,则保留原运动方程的黏性力项,而忽略惯性项、重力项,这样,非线性的运动方程就可简化为线性方程,如同熔体填充时的运动方程(2)。这样的处理有一定的合理性,因为在未对水假设时,从方程(4)可以看出,水区的压降远小于熔体区的压降(可通过采用压力的无量纲量比较得到),而通过假设、简化后所得出的水区的压降同样的也要比熔体区的压降小的多,从而保证了本文处理方法在水充填过程中的合理性。能量方程同熔体充填过程。由此可见,水和熔体充填过程均可由方程(1)～(3)来描述。熔体的流变特性在聚合物加工中是一个很重要的因素,本文采用Cross-WLF型本构方程。七参数CrossWLF型本构方程表达式如下:式中τ*——材料常数,Pan——非牛顿指数η0——零剪切黏度,Pa·s式中T*——参考温度,KD1、D2、D3、A1、——材料常数1.2边境条件根据水辅共注成型的假设条件和成型特点,可以确定边界条件。(1)模型内壁的边界条件在模腔内壁,认为熔体无滑移,则熔体在模壁处的速度为零,则有:式中um——m处熔体的速度,m/s(2)地壳层熔合线的边界条件在水辅共注充填过程中,壳层熔体前沿始终和大气相接触,它属于自由表面,前沿处的压力为零,则有:式中pm——m处熔体的压力,MPa(3)流体的界面单位法在相邻流体的界面法向方向上,流体的流速、剪切应力和热流量是连续的,则有:式中第一个下标i——第i相流体,流体编号从芯部开始,向外部依次递增第二个下标——流体的上下表面,1表示流体的下表面,2表示流体的上表面q——热流量,Wσ——总应力张量,MPan——界面单位法向矢量对于熔体和水(统称为流体),在浇口处的边界条件有:流体的速度和浇口处设定的注射速度值相等或流体的压力与浇口处设定的压力值相等,并且温度相等:2由于水的共注过程中参数的影响，数值模拟2.1材料模型和过程参数水辅共注成型采用图2所示的FB110-C共注成型机,由台湾富强鑫公司提供。水辅共注成型充模流动过程模拟主要采用长方体形状的模型,其截面形状为12mm×12mm的正方形,长度方向为60mm,实体模型形状及尺寸见图3(a),注射口在模型左端面的中心处(图中左端面的小圆柱)。有限元离散模型见图3(b)所示。模拟壳层熔体材料为PE-LD,芯层熔体材料为PE-HD,它们的Cross-WLF本构方程流变性能参数见表1。充模流动过程所采用的过程参数见表2。模拟的水温分别取285、300、325、340、350K。水辅共注成型充模流动全过程的模拟结果见图4,模拟结果反映了不同充填时间下芯层熔体和水充模过程的三维流动形貌。2.2浇注温度对芯层和水的穿透过程的影响注水温度是影响成型的一个重要的工艺参数,注水温度变化必然引起模腔温度场的变化,从而使芯层熔体黏度变化,会导致芯壳层熔体黏度比的变化,因而注水温度对芯层熔体和水的穿透过程有影响。本数值模拟在保持其他工艺参数不变的情况下,着重研究注水温度对水辅共注成型过程的影响规律和影响机理。本研究保证芯层和水的填充体积相同,通过不断改变注水温度来研究其对芯层和水的穿透过程的影响。注水温度对芯层熔体和水的穿透深度影响的模拟结果如图5和图6所示,研究结果表明,当注水温度由285K增至350K时,在水和芯层熔体体积分数不变的条件下,芯层熔体三维前沿界面重合,不变化(见图5),由此可见,注水温度对芯层熔体的穿透深度和穿透宽度无影响。而随着注水温度的升高,水的穿透深度增加,而穿透宽度稍微减小。2.3水的注射温度对模腔内熔体温度场的影响综上所述,注水温度对芯层的穿透深度和宽度基本没有影响,而水的穿透深度随着注水温度增加而增加。从流变学的角度来讲,产生这一规律的机理主要是:由于水辅共注成型所用水的温度远低于熔体温度,因此注入模腔的水与高温熔体接触的界面会因熔体温度迅速降低而立即形成一层光滑的高黏度固化膜层,高黏度固化膜层对水的推进产生流动阻力,随着注水温度增加,高黏度固化膜层厚度减小,这必然导致高黏度固化膜层对水推进产生的流动阻力减小,从而使水的前沿界面相对于芯层熔体前沿界面的推进速度增加,在相同时间内,水在芯层熔体内的穿透深度增加。水的注射温度对模腔内熔体温度场的影响模拟结果如图7所示,研究结果表明,水的注射温度仅对水与芯层熔体分层界面附近区域有影响,而不影响整体芯层和壳层熔体温度场分布,主要原因是水的注射时间短,热量来不急传递。因此芯层和壳层熔体的黏度基本不变化,这说明壳层熔体对芯层熔体流动的阻力基本不变,从而使得芯层熔体前沿界面相对于壳层熔体前沿界面推进速度基本不变,这必然导致水温对芯层的穿透深度和宽度基本没有影响的结果。3浇注温度的影响机理(1)针对聚合物水辅共注成型过程的特点,采用体积加权平均的指导思想,建立了描述其成型过程的全三维、纯黏性、瞬态、非等温理论模型;(2)注水温度是影响聚合物水辅共注成型过程重要参数之一,研究结果表明注水温度对芯层的穿透