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。

长纤维增强聚合物注塑流动纤维取向分布数值模拟

基于Hele-Shaw流动模型及广义牛顿流体本构方程,采用ARD-RSC取向模型,建立了长纤维增强聚合物注塑成型流动数学模型。以方形薄板为研究对象,运用Moldflow对注塑流动过程进行模拟,研究注射时间、熔体温度、模具温度和保压压力对纤维取向及分布的影响。结果表明,注射时间对纤维取向的影响最为显著,随着注射时间延长,纤维取向值增加;随着熔体温度或模具温度的升高,纤维取向值减小;保压压力对纤维取向的影响与速度/压力转换点有关。

短玻璃纤维增强聚合物注塑充填过程及纤维取向数值模拟

基于Hele-Shaw理论及广义非牛顿流体本构方程,建立了纤维增强聚合物三维薄壁注塑成型充填阶段数学模型,根据Folgar-Tucker取向模型,建立了纤维取向张量模型。采用Moldflow对拉伸试样的注塑流动过程进行模拟,研究纤维含量f和纤维间相互作用系数Ci对纤维取向的影响。结果表明,随着Ci增大,平均纤维的取向性呈减小的趋势;试样不同部位的纤维取向不同;f对纤维取向性影响较小,且存在一个最佳含量百分比数值。

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。

凸截面注射成型全三维充填和纤维取向模拟研究

选用15%玻璃纤维增强聚酰胺6(PA6)复合材料,根据Folgar-Tucker理论模型,研究了凸形截面零件全三维注射成型充填流动行为和纤维取向分布规律。结果表明,全三维模拟技术可以有效反映注射成型充填的流动形态和喷泉效应;凸形截面表层纤维沿剪切方向取向分布,且制品大端部分的纤维取向程度比小端部分差;3个坐标方向上的纤维取向分布非常复杂,沿x轴负方向(即充填方向),随充填长度的增加,纤维取向程度先增大后减小;沿y轴方向,随着距中心距离的增大,凸形截面小端部分的纤维取向程度由内向外逐渐增大,而大端部分的纤维取向程度先增大后减少;沿z轴方向,凸形截面小端部分的纤维取向由内向外呈增大趋势,大端部分的纤维取向程度却逐渐减小。

气辅挤出成型技术及口模设计的研究现状

气辅挤出成型可以明显地降低挤出胀大比,在精密挤出制品中具有潜在的应用价值。首次将气辅挤出、纤维纺丝、中空纤维及微孔薄膜技术联系起来,并简要介绍了国内外这些技术的研究现状和口模设计的特点。

复合共挤成型中挤出胀大的三维粘弹数值模拟

采用Phan-Thien and Tanner(PTT)本构方程,建立了矩形截面共挤口模内外两种聚合物熔体流动的三维粘弹数值模型,有限元模拟了聚丙烯/聚苯乙烯(PP/PS)共挤过程中的挤出胀大现象,并用实验验证了模拟结果。研究表明:当入口体积流量相同时,两熔体挤出口模后会朝向黏度较高的PS熔体一侧偏转,型材截面呈非对称畸变。两熔体在垂直挤出方向上的速度分布导致了挤出胀大过程中熔体的偏转流动,而口模出口处的剪切速率分布基本决定了共挤型材截面的形状。实验结果与模拟结果基本相符,模拟所得挤出胀大率比实际值大8.6%。等温假设是影响共挤出胀大数值模拟准确度的主要因素。

短玻纤增强聚丙烯复合材料气体辅助注塑成型真三维模拟

基于广义非牛顿流体和七参数Cross-WLF黏度本构,以矩形平板塑件为研究对象,选用短玻璃纤维增强聚丙烯复合材料,采用Moldflow软件对传统注塑成型和气体辅助注塑成型过程进行真三维模拟,对比研究了两种成型工艺中注射压力、锁模力和塑件变形情况,结果表明,采用气辅注塑成型能有效降低注射压力和锁模力;采用气辅注塑成型能减小塑件的变形,在文中工艺条件下,传统注塑成型塑件的变形量为1.187 mm,而气辅注塑成型塑件的变形量为0.7839mm,变形缩小了51.4%,尤其是采用气辅注塑成型能明显减小塑件的收缩变形量,其收缩变形量从1.042 mm降低至0.6839 mm。

纤维参数对纤维取向及塑件变形影响模拟研究

采用Moldflow软件对短玻纤增强聚丙烯复合材料注塑成型矩形平板塑件的成型过程进行模拟,重点研究纤维含量(A)、纤维长径比(B)和纤维间相互作用系数(Ci)对平均纤维取向(D)和制品变形(E)的影响,进一步探究短纤维增强聚合物注塑成型的特点.研究表明:A、B对D及E的影响较复杂,且存在一个最佳值;随着B的增大,D先增大后减小,再增大;而E随B的增大呈先增大后减小的趋势(B=1除外);随着Ci的增大,D呈减小,E呈先减小后增大的趋势.收缩是引起塑件变形的主要因素.塑件变形在三维空间的Z方向的变形量最大,在熔体流动(X方向)及垂直流动方向(Y方向)的变形量均相对较小.

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。

气辅挤出成型中的挤出缩小问题

对气辅挤出成型过程中存在的挤出物挤出缩小现象进行系统的分析研究。结果表明半固态熔膜现象和熔垂现象是引起气辅挤出物挤出缩小的两个重要原因。口模内的气体温度较低是产生半固态熔膜现象的本质原因,提高气体的温度或减小气辅挤出口模内气室高度可消除半固态熔膜现象;同时指出半固态熔膜的产生与聚合物熔体本身的特性相关,凡是黏度大的,黏度对温度较敏感的聚合物,都容易产生半固态熔膜现象。适当地降低熔体挤出温度可减小熔垂程度。

工艺参数对短玻纤增强聚丙烯气辅注塑成型的影响

以带加强筋的矩形平板塑件为例,基于Moldflow 2010模拟试验平台,对短玻纤增强聚丙烯气辅注塑成型过程进行三维模拟分析,结合正交试验设计方法,选用L25(56)的正交表,研究了不同工艺参数对气道气体穿透长度和塑件翘曲变形的影响。结果表明,纤维含量、纤维间相互作用系数、模具温度、熔体温度、气体延迟时间和气体注塑时间对这两个指标的影响比较复杂,均不呈单调关系;影响两个指标最重要的因素均为纤维含量;两个指标总体上都随纤维含量的增加呈逐渐减小的趋势,但当纤维质量分数为30%时,它们都有一个较大的反常突变。

新型注塑成型工艺

介绍了在传统注射成型工艺的基础上逐渐发展起来的几种新型注塑成型工艺:气体辅助注射成型、多层共注成型和气体辅助多层共注成型,并对其进行了较详细的描述。

气体辅助共注成型流动分析数学模型

根据气体辅助共注成型流动过程的特点,从流体力学基本理论出发,引入合理的假设和简化,建立了描述气体辅助共注成型熔体充模和气体穿透的数学模型。

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。

缝合碳纤维泡沫夹芯复合材料反复低速冲击性能研究

采用真空辅助传递模塑(VARTM)工艺制备了铺层为[45°/-45°/0°/90°]2s的缝合/未缝合泡沫夹芯结构复合材料,并在15 J的冲击能量下对其进行了五种不同冲击次数的落锤反复低速冲击实验,通过Micro-CT扫描对冲击后的纤维面板内部不可见的损伤进行表征,从而揭示其内部损伤机理。结果表明:泡沫夹芯结构复合材料损伤形式主要包括分层损伤、基体开裂和纤维断裂。经历前五次冲击后,泡沫夹芯结构复合材料主要产生分层损伤和基体开裂,纤维断裂仅出现在冲击位置;随着冲击次数的增加,纤维断裂的现象愈加明显。面板层间损伤从冲击表面至材料内部的主要损伤模式不同,其损伤面积呈递增状,靠近泡沫的第7—8层的层间分层所带来的损伤面积最大。缝线树脂柱能够有效改善泡沫夹芯结构的抗冲击性能,与未缝合相比,缝合泡沫夹芯复合材料在相同冲击次数下的残余最大冲击载荷的提升幅度为33.4%~48.1%。此外,还得到了15 J能量下冲击次数及凹坑深度的关系曲线图,并拟合出相应的数学公式,再结合曲线拐点位置,能够实现对复合材料损伤模式的预测。

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。