三种主要光学级树脂材料注射成型制品性能差异化的模拟分析

针对现有的三种光学级注塑树脂材料,运用Moldex3D软件对菲涅尔透镜的注射成型过程进行模拟分析,研究此三种材料在形貌尺寸及光学性能方面的差异化。结果表明:在制品形貌尺寸方面,PC的翘曲和收缩率均为最大,PS的翘曲最低,PMMA的收缩率最低;除了X方向,其他方向三种材料制品由内而外的翘曲呈上升态势;在制品的光学性能方面,PMMA的光程差和双折射接近于0,PC和PS的光程差偏离0,PMMA的折射率最小,PS的折射率最大;在靠近制品的中心处和边缘处,PS的光程差和双折射较PC小,而在其他地方时则反之。

方管短玻纤增强聚合物水辅注射成型穿透模拟及实验

制件的穿透过程一直是水辅助注塑成型(WAIM)研究的热点。基于描述聚合物复合材料的黏弹性方程White-Metzner及流体动力学三大控制方程,采用有限体积法(FVM)开发的软件对由直线构成的方形截面管材短玻璃纤维增强聚合物水辅注射成型的穿透行为进行了数值模拟分析,并通过实验进行验证。分析中主要考虑工艺参数(熔体温度、注水压力、熔体注射量、纤维含量和注水延迟时间)及不同成型方法对制件性能的影响规律。结果表明,熔体温度和注水压力的增加会使制件的中空率增大,而随着延迟时间和注射量的增大,中空率减小;其他工艺参数不变,玻璃纤维含量越高中空率越小,这些现象进一步印证了前人的实验结果。溢流法成型制件的穿透截面形状趋于圆形,玻纤含量越高,圆率越大;短射法成型制件的穿透截面形状趋于型腔截面,且注射量和玻纤含量越高,穿透截面形状越偏离型腔截面;实验结果与模拟相符。

外部气体辅助注射成型制品加强筋表面凹痕实验分析

通过外部气体辅助注射成型(EGAIM)工艺对不同加强筋所造成的平板表面凹痕深度进行实验研究。单因素实验揭示了模具温度、熔体温度、注气延迟时间、注气压力及注气保压时间对不同加强筋制品表面凹痕具有不同程度的影响;正交实验发现,注气延迟时间与注气压力是影响制品表面凹痕的主要因素;在工艺参数最佳化的EGAIM中,与制品厚度比高达1.5的加强筋造成的凹痕深度(1.3μm)小于传统注塑成型中比值为0.6所造成的凹痕深度(2.3μm),表明EGAIM优化工艺能有效改善较大厚度加强筋所造成的表面凹痕、提高制品设计自由度。

水辅助注射成型制品质量的缺陷及工艺优化研究概述

针对水辅助注射制品的质量,从宏观现象(如高压水的第一次穿透过程不稳定性、模具型腔变截面处的熔体堆积现象、制品成型过程中的指状效应)和微观现象(沿制品厚度方向的纤维取向及分布、不同区域的晶体类型及结构)以及其相对应的相关工艺优化进行了综述。

短玻纤增强聚丙烯水辅助注射成型纤维取向数值模拟

基于Folgar-Tucker纤维取向模型,利用Moldex3D对三维长直管件进行溢流法水辅助注射成型可视化研究。结果表明,在制品初始段位置的水道层区域纤维取向倾向于无序状态,而在制品的中间段及末尾段位置的纤维倾向于沿流动方向形成取向;通过适当的增加注水延迟时间可以有效地改善制品初始段位置的纤维沿流动方向的取向。另外,还发现沿流动方向的纤维取向最有序的位置是靠近壳层位置的芯层区域;在制品的末端位置,注水压力、熔体温度显著影响纤维沿流动方向的取向。

注气工艺对外部气体辅助注塑成型制品翘曲与凹痕的影响

注塑制品翘曲变形与凹痕是2种严重缺陷,文中基于带加强筋平板制品实验研究了外部气体辅助注塑成型(EGAIM)中注气工艺参数对制品翘曲与凹痕的影响规律及原因。通过采用单因素方差分析阐明了气体注射延迟时间、气体保压压力及气体保压时间对制品的翘曲与凹痕都有显著影响,其中气体注射延迟时间的影响最显著。制品翘曲与凹痕随注气工艺参数变化呈现不同特征:随着注射延迟时间的延长,制品翘曲与凹痕呈相反的变化趋势,制品翘曲变形减小而凹痕深度增加;提高气体保压压力,制品凹痕深度单调减小而翘曲呈“U”形曲线变化;增长保压时间,制品翘曲与凹痕都有减小的趋势。这些影响规律的总结为减小EGAIM制品的翘曲与凹痕提供了依据。

水辅注塑成型注射方法对方管纤维取向和收缩性的影响

基于聚合物复合材料黏弹性本构方程(White-Metzner方程)和流体动力学三大控制方程,采用改进的iARD-RPR纤维取向模型,以直线构成的方形截面管材为研究对象,运用有限体积法开发的软件,模拟分析了溢流法和短射法对制品纤维取向和收缩率的影响,且有相应实验验证。结果显示,2种注射方法的制件在竖切面(对边中心点连线处切面)上沿流动方向的纤维取向度从表层到水道层逐渐减小,且短射法制件竖切面后段纤维取向的有序区域比前段大;在对角切面(方形截面对角线切面)上,纤维取向度比对应的制件竖切面高;溢流法制件由于穿透截面形状趋于圆形,且壁厚相对较厚,4个直角处及整体收缩率较高,而短射法穿透截面形状趋于截面形状,制件冷却均匀,所以4个直角和整体的收缩率很低,随着注射量增加,收缩率增大。

外部气体辅助注塑成型制品翘曲变形耦合有限元分析

将外部气体辅助注塑成型(EGAIM)的制件作为研究对象,基于耦合有限元分析方法(CFEA),模拟仿真了EGAIM制品翘曲变形。研究发现,EGAIM只采用较低的气压(4.5 MPa),就能够达到CIM相对高压(40 MPa)的保压效果,因此,实验结果与文献结论一致。单因素试验结果表明,注气工艺参数对EGAIM制品翘曲变形的影响规律,在研究的工艺参数范围内,随着气体保压压力增加,制件的翘曲变形量呈先减小,后增大的"U"形曲线变化;随着气体保压时间的增长,制件的翘曲变形量呈减小,并逐渐变化平稳的趋势;随着气体注射延迟时间的增长,制件翘曲变形量逐渐减小,但是影响相对较小。

不同水针口径下的水辅助注射成型数值模拟

使用流体力学软件,对使用溢流法的三维120°~150°弯曲圆管件进行了水辅助注射成型可视化研究。分别改变水针口径尺寸、注水延迟时间、注水压力与熔体温度,分析其对制件内部水穿透行为的影响。结果表明,水针口直径为7 mm时,能显著增加制件的内部穿透长度并得到残余壁厚更薄的制件;受水针结构影响,注水延迟时间为1 s、注水压力为8 MPa、熔体温度为250℃时,水穿透长度最优能增长400%,壁厚减少20%;在注水延迟时间为1 s、注水压力为10 MPa、熔体温度为230℃时,穿透长度最大达到298 mm;注水延迟时间为1 s、注水压力为8 MPa、熔体温度为250℃时,比熔体温度为210℃和230℃的实验组受水针影响严重;缩短注水延迟时间、增加注水压力、升高熔体温度都能有效增大制件的中空率,成型出更薄的管件,但是水针对水辅助注射成型的影响不容忽视,其微小变化能极大地改变成型制件的内部型腔,有效提高水穿透行为的效率。

不同进气角度对片材气辅挤出成型的影响

采用气辅助挤出成型技术,分别以垂直进气和平行进气2种方式进行了片材挤出实验,根据流变学原理建立了片材三维气辅挤出模型,利用有限元方法对0°、15°、30°、45°、60°、90°6个不同进气角度下熔体在口模内的挤出过程进行了数值模拟。结果发现,改变进气角度对片材挤出制品造成了不同的影响,进气角度为90°时熔体在口模内的变形程度最大,随着进气角度的减小,熔体的变形程度减小;15°~30°的进气角度对聚合物片材气辅挤出成型最有利。

不同流道截面型腔的水穿透行为

纤维取向分布直接影响水辅注塑成型制品的使用性能,如冲击强度、屈服强度及拉伸强度等。多样化的流道截面型腔用于满足水辅制品在不同场合中的应用,不同的流道截面型腔势必会影响水辅制品中纤维取向分布。文中旨在研究圆形、上圆下方形及方形的截面流道型腔中短玻纤增强聚丙烯复合材料的水辅助注射成型过程。结果发现,随着熔体温度的升高、注水压力的增大及注水延迟时间的缩短,3种流道截面型腔制品的中间端处残余壁厚减薄及短玻纤沿聚合物熔体流动方向的取向度提高,且在相同加工变量下,圆形截面流道型腔制品的中间端处残余壁厚最薄及短玻纤沿聚合物熔体流动方向的取向度最高,其次是上圆下方形,最后是方形。综合制品的中间端1处及2处残余壁厚可知,聚合物熔体温度在210~230℃、注水压力7~10 MPa及注水延迟时间1~5 s时,上圆下方形截面型腔制品的中间端处残余壁厚及短玻纤沿聚合物熔体流动方向的取向度更趋近于圆形。

纤维增强薄壁注塑件翘曲变形耦合有限元分析

基于耦合有限元分析方法,运用模流分析软件Moldflow和结构分析软件Abaqus进行联合仿真,计算了脱模后薄壁塑件的应力分布和翘曲变形情况,并通过对比验证了该方法的有效性,随后考察了主要工艺参数和壁厚对翘曲变形的影响。研究结果表明:随着翘曲变形的产生塑件内的残余应力随之减小;在考察的工艺参数范围内,壁厚是影响翘曲变形的主要因素,随着壁厚的增加,翘曲变形量减小,而工艺参数对翘曲变形的影响则相对较小;但随着壁厚持续增加,因塑件刚度的增加,壁厚对翘曲变形的影响程度随之减小。该结果与文献结论一致。

注水压力对圆管件水辅注塑填充过程的影响

以开源代码Open FOAM为基础,采用有限体积法和流体体积法构建了粘弹多相流的新求解器,数值模拟了圆管件的溢流法水辅注塑填充过程。基于熔体所固有的粘弹特性,解释了注水压力对熔体残余壁厚的影响,注水压力的变化导致熔体内变形速率的增加或减小,引起熔体抵抗变形能力的增强或减弱,直接影响到水相注入时受到阻力的大小,表现为熔体残余壁厚的多少。最后采用实验的方法进行验证,得出的结论与数值模拟所得的结论一致,并对数值大小的差异进行了解释。

气体流量对管材气辅挤出的影响

将气体简化为广义牛顿流体,并作为单独的内外两层,针对管材型气辅挤出口模,建立了二维有限元模型,并进行了数值模拟,研究了气体流量对口模出口处剪切速率、熔体速度及口模流道中心处熔体压力的影响。研究表明,当气体流入口模流道内,聚合物熔体在口模出口处厚度为-0.85~0.85 mm剪切速率为零,为促使聚合物熔体既满足表面质量不因剪切速率不均引起表面质量缺陷,又满足在厚度方向的尺寸要求(即2 mm),故需将聚合物熔体与气体相汇处的流道沿厚度方向扩大0.3 mm;同时也为了进一步降低因速度梯度大而引起的表面质量缺陷,文中进气体流量为2.512×10-3m/s最佳。因此,当气体作为一种辅助工艺引入到聚合物挤出成型当中,需在两相流相汇处流道沿厚度方向预留足够的空间(本文是预留制品厚度的20%的尺寸)以满足制品的尺寸及表面质量要求。

基于PLC和触摸屏的气辅挤出气体控制系统的设计*

基于PLC和触摸屏设计了一套气体控制系统。其包含的气体加热装置为内含加热棒的容器。该容器上安装有压力与温度传感器。当触摸屏设置的目标控制参数与检测到的值存在偏差,可编程逻辑控制器(PLC)将进行比例积分微分(PID)运算与脉宽调制(PWM),并将转换后的控制信号分别输出到气压电磁阀与固态继电器(控制加热棒),最终实现气体压力与温度的调节。经试验证明,该系统控制精度高,人机界面简洁美观,具有良好的可扩展性,在聚合物气辅挤出实验中运行稳定。

混合稀土镧铈对再生铝合金ADC12的影响

以混合稀土元素镧铈为变质剂,对再生铝合金ADC12变质,探讨镧铈变质对合金铸件微观组织和宏观机械性能的影响规律。结果表明,在变质剂添加量为0.3%时,合金的微观组织中晶粒排列紧密,尺寸细小且相近,基体中二次枝晶臂间距最小,共晶硅缩短,呈现短棒状。同时,试样的显微硬度提高,拉伸断口韧窝结构众多,抵抗塑性变形的能力强,宏观上的抗拉强度大。

挤出流道在UHMWPE挤出过程中的优化分析

在超高分子量聚乙烯柱塞式挤出成型过程中,运用Polyflow软件对挤出流道内熔体流动进行模拟分析,研究了不同几何尺寸流道对熔体的压力场及剪切速率场的影响。结果表明:在挤出流道内,熔体压力降和剪切速率随着缓冲段横截面尺寸和过渡段坡度的减小而减小。因此,设计针对超高分子量聚乙烯在柱塞式挤出过程中的挤出流道时,为了能够减低能耗、增加制品表面质量,应尽量减小缓冲段横截面尺寸和过渡段坡度。

内层熔体预填量对溢流法水辅共注填充过程的影响

基于流体运动基本控制方程和Giesekus黏弹模型,在OpenFOAM流体计算开源平台上采用有限体积法编制了新求解器,同时采用体积分数法追踪多相流中的自由界面,并利用此求解器对溢流法水辅共注填充过程进行了仿真计算。系统地分析了内层熔体预填量对制品最终形态的影响,发现随着内层熔体预填量的增加,制件中空率减小,内层熔体的残余壁厚增加,皮层熔体则变化不明显;另外,基于熔体黏弹特质对结果进行了解释。还系统地进行了相关水辅共注实验,结果表明,其得到的结论和数值模拟所得结论相同。

溢流法水辅助共注塑填充过程中注水压力的影响

采用互不相溶黏弹多相流求解器对溢流法水辅助共注塑填充过程进行模拟。针对注水压力这一重要工艺条件,系统的数值分析后发现,注水压力越大,皮层和内层熔体的残余厚度减小且中空率增大,同时基于熔体本身所固有的黏弹特性对结论进行了解释。最后进行了溢流法水辅助共注塑的实验,结论与数值模拟所得结论保持一致。

聚合物气体辅助挤出中气体流动对熔体截面的影响

将聚合物熔体和低速热空气均视作不可压流体,针对一聚苯乙烯(PS)片材的全气体辅助挤出,建立了描述其气体-熔体两相分层流动的三维有限元模型,采用黏弹应力分离法(EVSS)和非协调流线迎风法(SU)等有限元方法,利用PolyFlow求解器对气体辅助流道中气体和熔体流动进行了计算,分析了熔体截面变化的规律及原因。研究结果表明:气体辅助流道内,气体对熔体有拖曳作用;沿挤出方向,熔体速度逐渐增大,而截面积逐渐减小,都在口模出口面上达到极值,同时截面形状有微小改变;口模出口面上熔体沿挤出方向的速度随入口气体体积流率的增大而近似线性增大,熔体截面积则近似线性减小。