夹芯注射成型的计算机模拟研究

夹芯注射成型零件由2种塑料组合而成,表层塑料要有好的表面性能,而芯层材料则有高的力学性能。由于涉及的工艺参数多、成型机理复杂,夹芯注射成型时易出现芯层材料突破壳层的现象,导致成型制品报废。本文以模流分析软件M P I为工具,以桶形制件为试验模型,通过正交试验的方法,研究了夹芯注射成型工艺参数对芯层熔体突破的条件,并得到了最佳的成型工艺参数。研究结果表明,夹芯注射成型时,对芯层熔体突破影响最大的工艺参数是芯层熔体的注射温度,其次分别是芯层熔体的注射速率和壳层熔体的注射速率,而模具温度和壳层熔体注射温度的影响最小。

夹芯注射成型芯/壳层熔体黏度比对芯层分布的影响

夹芯注射成型产品的芯层材料分布影响着最终产品的性能和质量。利用Moldflow Plastics Insigh的coinjection模块,基于Cross-WLF黏度模型控制芯/壳层熔体黏度比R,通过数值模拟实验观察芯层材料穿透距离、浇口处芯层分布、芯层厚度极值、芯层分布均匀性等指标的变化,并进一步分析R值对上述指标的影响规律。

工艺条件对夹芯注射制品残余应力的影响

采用Moldflow公司MPI软件中的Co-injection分析模块,对ABS／PS夹芯注射成型过程进行动态模拟分析,以揭示工艺参数对夹芯注射成型过程中残余应力影响的规律。结果发现:在各种成型工艺参数中,保压条件对残余应力影响较为突出,模温条件对残余应力影响次之;最大残余应力主要分布在浇口位置和芯层最厚处,芯层前缘处残余应力次之,壳层最厚处残余应力最小。

材料种类对夹芯注射制品残余应力的影响

采用Moldflow公司MPI软件中的Co-injection分析模块,对夹芯注射成型过程进行动态模拟分析；揭示不同材料种类组合对夹芯注射成型过程中残余应力的影响规律。结果发现,夹芯注射体系中两种物料相容性的好坏对芯/壳层界面处残余应力的分布有较大影响,芯层为结晶型材料时会导致残余应力有较大的跃迁。

板厚对夹芯注射成型芯层物料填充能力的影响

基于Cross-WLF黏度控制方程,构建了3种典型夹芯注射成型芯/壳层物料组合,并研究了不同物料组合时板厚对芯层物料填充能力的影响。研究表明,调整板厚将使芯、壳层熔体流动状态和黏度发生变化,但上述变化因物料组合不同而呈现显著的差异性:当芯层熔体流动指数相对壳层熔体更大时,随板厚增大,芯/壳层熔体黏度比(R)减小,芯层物料填充能力降低;当芯层熔体流动指数相对壳层熔体更小时,随板厚增大,R增大,芯层物料填充能力升高;当芯、壳层熔体流动指数相当时,上述现象均不明显。

夹芯注射成型塑件厚度对芯层物料分布影响

为了探究夹芯注射成型塑件厚度对芯层物料分布的影响,分别选取聚丙烯(PP)/PP,PP/低密度聚乙烯(PE-LD)两种物料组合,对一组不同厚度的夹芯注射成型塑件进行了模流分析,表征、测试和分析了芯层物料穿透深度、平均相对厚度、分布均匀度的变化规律。研究结果表明,塑件厚度由5 mm增大到10 mm时,两种物料组合对应的评价指标变化趋势相同,芯层物料穿透深度减小、平均相对厚度增大、分布均匀度变差;PP/PE-LD物料组合较PP/PP物料组合对应的评价指标变化趋势更为明显,前者芯层物料穿透深度、平均相对厚度、平均相对厚度标准差的极差值较后者分别提升了112.71%,134.82%,108.16%;塑件厚度变化时,熔体沿各向流动阻力差异性、芯/壳层熔体黏度比均发生变化,但PP/PE-LD物料组合中芯/壳层熔体黏度比变化显著,而PP/PP物料组合中芯/壳层熔体黏度比则相对稳定。

基于层次分析法的夹芯注射成型多目标优化

以圆盘形夹芯注射成型塑件的芯层物料穿透距离、最大翘曲变形、最大体积收缩率为评价指标,基于层次分析法构建了多目标综合评价体系,联用正交实验法获取了最优解决方案。结果表明,实验所选工艺条件对3种评价指标的影响规律不同,无法直接获得最优解决方案;基于层次分析法和标准化评分,可构建多目标综合评价体系,将多目标优化转化为单目标寻优;综合评价体系联用正交实验法可获得最优工艺组合方案,且该方案的实验结果优于所有16组正交实验。

基于CAE的夹芯注射成型物料配比与层间界面优化

以高密度聚乙烯(HDPE)为夹芯注射成型工艺的壳层物料、低密度聚乙烯(LDPE)为芯层物料,在工艺参数固定的前提下,基于CAE研究了不同物料配比时最终塑件的芯、壳层树脂界面分布情况。研究表明,壳层物料增多,越不易发生芯层物料裸露现象,且层间界面越向中心位置靠拢;对于本实验,在工艺参数固定的情况下,壳层、芯层物料配比为66∶34时,层间界面分布情况较为合理;基于CAE,可以快速且直观的分析夹芯注射成型工艺的层间界面分布情况,从而恰当的调整原材料配比。

基于正交实验法的夹芯注射成型层间界面前沿调整

夹芯注射成型的工艺参数影响着最终塑件的层间界面前沿位置。实验分别以聚苯乙烯(PS)、高密度聚乙烯(HDPE)为夹芯注射成型的壳层物料、芯层物料,基于正交实验法分析不同工艺参数对夹芯注射成型层间界面前沿位置的影响情况,并获取最优工艺参数组合。研究表明,对于本实验指标而言,其最优工艺参数组合为:PS注射温度255℃、注射速率60 cm^3·s^-1,HDPE注射温度215℃、注射速率60 cm^3·s^-1;基于正交实验法,可以快速而恰当的调整夹芯注射成型工艺参数,达到最优实验结果。

工艺条件对夹芯注射制品残余应力的影响

采用Moldflow公司MPI软件中的Co-injection分析模块对ABS/PS夹芯注射成型过程进行动态模拟分析,以揭示工艺参数对夹芯注射成型过程中残余应力影响的规律。结果发现:在各种成型工艺参数中,保压条件对残余应力影响较为突出,模温条件对残余应力影响次之;最大残余应力主要分布在浇口位置和芯层最厚处,芯层前缘处残余应力次之,壳层最厚处残余应力最小。

塑料夹芯注射成型技术研究进展

介绍了夹芯注射成型技术,阐述了夹芯注射成型的研究现状,主要包括夹芯注射成型流动模型的建立、工艺控制的研究等方面,总结了现有研究成果及研究进展,提出了下一步的重点研究方向。

塑料黏度和制品壁厚对夹芯注射芯层穿透效果的影响研究

通过Moldflow软件对桶形塑件进行了夹芯注射模拟仿真分析,研究了芯/壳层材料黏度比和制品壁厚对夹芯注射制品芯层穿透长度、芯层厚度和芯层分布均匀性的影响。结果表明,在成型工艺参数相同的情况下,随着芯/壳层黏度比的增大,芯层穿透长度比按照1.41%~1.67%的倍率对应减小,芯层厚度因子均值按照1.76%~2.28%的倍率对应增大,芯层厚度因子偏差按照1.91%~2.66%的倍率对应增大,芯层厚度分布均匀性有所下降;制品壁厚每增加1 mm,芯层穿透长度比减小1%~2%,芯层厚度因子均值增大6%左右,芯层厚度因子偏差增大10%左右。

基于Moldflow软件的夹芯注射工艺优化及塑件开发

在对夹芯注射成型流变行为进行分析的基础上,以方盒形塑件为研究对象,通过Moldflow软件对待成型塑件进行夹芯注射成型工艺仿真分析和参数优化,并进行了生产验证。结果表明,开发的夹芯注射工艺成型的方形盒状塑件具有较好的芯层穿透效果,塑件具有完整的芯/壳层结构且芯层材料分布均匀,综合性能良好,满足生产和使用要求。

注射温度和速率对夹芯注芯层熔体冲破趋势的影响

调整芯、壳层熔体的注射温度、速率均可降低夹芯注射成型中芯层熔体冲破趋势。利用Moldflow软件的coinjection模块和正交实验法,分析评价如何调整熔体的注射温度和速率可以最有效地降低芯层熔体冲破趋势。实验发现,芯层熔体冲破趋势对芯/壳层熔体黏度比(R)极敏感,通过减小芯层熔体注射温度、增大壳层熔体注射温度或增大壳层熔体注射速率,均可显著降低芯层熔体冲破趋势,且熔体注射温度的影响更为显著;选取的芯、壳层物料假塑性不同,芯层熔体注射速率对芯层熔体冲破趋势的影响效果不同,甚至相反。

芯层熔体注射流率对夹芯注芯层熔体前沿冲破的影响

芯层熔体前沿冲破是夹芯注射模塑常见的缺陷之一。利用Moldflow软件,模拟分析芯层熔体注射流率对芯层熔体前沿冲破的影响,探讨熔体假塑性、注射流率和芯层熔体前沿冲破之间的关系;建立了反映芯层熔体冲破趋势影响因素的数学方程,并借助此方程探讨上述实验结果。实验表明:对于壳/芯层物料组合,芯层熔体注射流率的提高对前沿冲破的影响随物料组合的不同而不同。

浇口位置对夹芯注塑芯层填充及分布的影响

以聚丙烯(PP)/丙烯腈-丁二烯-苯乙烯共聚物(ABS)为夹芯注射成型芯/壳层物料,研究了不同浇口位置时的差异化多层复合填充过程和芯层物料分布情况。研究结果表明,当壳层物料的浇注温度为240℃、壳层物料的浇注速率为200cm^3/s,芯层物料的浇注温度为200℃、芯层物料的浇注速率为240cm^3/S时,芯层熔体穿透壳层的熔体能力最弱,并可获得最大芯层物料的填充量。此工艺条件下,采用侧面、中心浇口的芯层物料的最大填充量分别为46.5%、41.5%。采用侧面浇口能获得更多芯层物料的填充量,但芯层物料堆积于塑件一侧;采用中心浇口时,芯层物料的填充量较小,但芯层物料的分布更合理。

夹芯注壳层熔体最小预注量的计算与验证

在夹芯注射成型中为了更多地填充价格较低的芯层材料,需在不发生芯层熔体前沿冲破的前提下,找到壳层熔体最小预注量。从运动学角度探讨芯层熔体前沿冲破过程,建立了快速计算壳层熔体最小预注量的数学方程;利用Co-Injection模块,针对具体塑料件进行试验验证,并利用二次迭代法可大幅减少计算值与实际值的偏差。

注射速率对芯层熔体前沿冲破的影响

芯层熔体前沿冲破是夹芯注射模塑常见的缺陷之一。利用 Moldflow 软件,模拟分析壳层和芯层熔体注射速率对芯层熔体前沿冲破的影响,探讨熔体假塑性、注射速率和芯层熔体前沿冲破之间的关系。实验表明,对于本研究涉及的壳/芯层物料组合,芯层熔体注射速率的提高对前沿冲破的影响随物料组合而异,而壳层熔体注射速率的提高均降低前沿冲破趋势。

基于贝叶斯正则化神经网络的夹芯注层间界面控制

鉴于夹芯注射成型充模流动过程属多相分层流动,其影响因素错综复杂,很难用线性关系将工艺参数与层间界面形状关联起来;人工神经网络具有很强的信息综合能力,具有良好的非线性逼近功能两方面的情况。针对具体层间界面形状,基于贝叶斯正则化神经网络预测工艺参数,并借助MPI软件的co-injection模块检验。结果表明其误差完全达到了工程实用的精度,证明提出的贝叶斯正则化神经网络可应用于研究夹芯注塑中的非线性函数映射问题。