章凱，余忠，黃益賓，上官元碩，李廳，董添文

(上饒師范學院 物理與電子信息學院 江西省塑料制備成型重點實驗室，江西 上饒 334001)

熔體注射次序?qū)λo共注成型工藝的影響

章凱，余忠，黃益賓，上官元碩，李廳，董添文

(上饒師范學院 物理與電子信息學院 江西省塑料制備成型重點實驗室，江西 上饒 334001)

基于有限體積法和流體體積法，在OpenFOAM開源平臺上編制了互不相溶粘彈多相流的新求解器，將之用于溢流法水輔共注填充過程的數(shù)值模擬中。針對皮層、內(nèi)層熔體注射次序這一重要的工藝條件，進行了系統(tǒng)的數(shù)值分析，得出了結(jié)論：由于皮層、內(nèi)層熔體零剪切粘度中彈性分量的不同，兩熔體層的注射次序?qū)λo共注成型制件產(chǎn)生巨大影響，不恰當?shù)膬扇垠w層注射次序會導致制件被穿透而導致成型失敗。最后進行了水輔共注成型的實驗進行驗證，得到的結(jié)論與數(shù)值模擬所得的結(jié)論保持了一致。

溢流法；水輔共注；粘彈模型；注射次序

水輔共注工藝是一種新型的注塑工藝，兼具水輔注塑和共注兩種工藝的優(yōu)點同時還打破了原來的技術(shù)限制[1]。按照水相注入時兩熔體是否完全填滿模腔又可分為溢流法和短射法，其中溢流法水輔共注是將A、B兩種熔體順序注入模腔，填滿模腔后將高壓水C注入，同時將模腔末端的溢流閥門打開，水相推動熔體進入溢料腔，待保壓冷卻之后將水排出就可得到具有雙層包覆結(jié)構(gòu)的中空制件。熔體注射次序是影響制品質(zhì)量最重要的工藝條件之一，直接影響制品中的皮層和內(nèi)層熔體的分布。

迄今為止，在對水輔注塑或者水輔共注的填充過程模擬中，基本上都采用純粘模型對熔體的流動行為進行描述。Pudpong T[2]等人采用MoldFlow軟件中的純粘模型對聚丙烯進行了水輔注塑填充過程模擬，研究了工藝參數(shù)對水輔注塑制品殘余壁厚分布的影響，發(fā)現(xiàn)注水延遲時間和注水壓力是影響制品中空率的主要因素。Polynkin[3]等人借助FLUENT軟件采用純粘模型對水輔注塑填充過程進行了仿真，討論了注水壓力對制品的影響，并且同實驗進行了對比?？锾魄?、鄧洋[4]采用冪律純粘模型和有限體積法對水輔共注的填充過程進行了數(shù)值模擬，研究了熔體注射量、注水溫度、注水速度等工藝參數(shù)對填充過程的影響規(guī)律，同時從流變學理論給出了解釋。KUANG等人[5]還采用純粘模型對不同截面以及彎角制件的水輔共注的填充過程進行了仿真，運用正交法對工藝參數(shù)因素影響制品質(zhì)量進行了研究。Li[6]等人采用純粘模型以及無量綱法對短射法水輔注塑填充過程進行了模擬研究，研究發(fā)現(xiàn)單純只考慮一次穿透，其模擬結(jié)果與實驗結(jié)果不吻合，只有同時考慮一次穿透和二次穿透才能更好的提高準確度。章凱[7]等人采用冪律純粘模型對水輔共注填充過程進行了模擬，研究了注水延遲時間對皮層熔體和內(nèi)層熔體厚度以及水相穿透距離的影響，發(fā)現(xiàn)注水延遲時間越長，內(nèi)層熔體厚度增加且均勻度更好，同時水相的穿透距離增加。而且，章凱[8]等人還基于Giesekus粘彈模型編制了粘彈兩相流的新求解器，對水輔注塑的填充過程進行了模擬，解釋了注水速度對水相穿透距離及熔體殘余壁厚的影響。Kim[9]等人則采用有限元/有限差分/控制體積法編制的求解器對順序共注進行了模擬，其中熔體采用的是粘彈本構(gòu)，著重分析了填充過程中的熔體自由界面以及流動引起的殘余應力分布，同時也進行了實驗驗證，與模擬結(jié)果吻合度較好。

雖然純粘本構(gòu)可較為準確的模擬熔體的粘性特征，但難以描述水輔共注過程中熔體所固有的彈性特征。在填充過程中彈性特質(zhì)對熔體層厚和殘余應力的分布有著較大的影響，最終決定制品的翹曲程度[10]，所以采用粘彈本構(gòu)更符合熔體粘彈的固有特質(zhì)，對溢流法水輔共注工藝的指導也更權(quán)威。

1 數(shù)值模擬部分

1.1 制件幾何模型

本文擬針對一個圓管制件的溢流法水輔共注填充過程進行研究，由于其幾何形狀的特殊性，可以將其簡化為二維軸對稱圖形，如圖1所示。

圖1 溢流法水輔共注成型制件的幾何模型

圖1中AC=10 mm，為制件半徑；AB=4 mm，為流體入口半徑；AE`=200 mm，為制件長度。E`IH`E為溢流腔區(qū)域，其中EE`=5 mm，為溢流腔半徑；E`I=20 mm，為溢流腔的長度；FG是溢氣孔。

1.2 水輔共注填充過程的基本控制方程

對溢流法水輔共注填充過程做如下假設：(1)流體不可壓縮，忽略慣性項，流體流動皆為層流；(2)假設整個填充過程沒有熱量交換，即為等溫過程[8]；(3)不考慮其結(jié)晶效應以及分子取向、流體表面張力帶來的影響；(4)緊靠模壁的熔體層位移為零。可以得到粘彈流體流動過程的基本控制方程：

①

②

式①、②中，u為速度，ρ為密度，p為壓力。τS為偏應力張量的粘性分量，表述為

τS=2ηSD

③

式③中，D為變形速率張量。對于偏應力張量中彈性分量τP的定義，本文采用應用較廣的Giesekus粘彈模型，其表述為

④

⑤

1.3 邊界條件和模型處理

本文擬重點分析在不同熔體注射次序條件下，熔體粘彈本質(zhì)對溢流法水輔共注成型的影響，可假設模腔內(nèi)已充滿皮層熔體[3]，數(shù)值模擬計算將從內(nèi)層熔體注入時開始?；陂_源平臺OpenFOAM的新求解器采用較為廣泛、適合流體流動的有限體積法編譯，結(jié)合了多相流求解器和粘彈求解器兩個基本求解器的特點，同時采用PISO法對速度—壓力耦合場進行處理，采用Crank-Nicolson隱式方案對時間進行離散，DEVSS法保證求解過程的穩(wěn)定性。其數(shù)值模擬還涉及水相前沿自由界面的追蹤，在此采用體積分數(shù)法對其進行處理，針對第i相流體：

θ=γ1θfluid1+γ2θfluid2+γ3θfluid3

⑥

γ1+γ2+γ3=1

⑦

式⑥、⑦中，γn為流體n的體積分數(shù)。θfluidn是fluidn的模型參數(shù)。當單元網(wǎng)格內(nèi)第n相流體的體積分數(shù)為γn為0時，該網(wǎng)格沒有第n相流體；當單元網(wǎng)格內(nèi)第n相流體的體積分數(shù)為γn為1時，該網(wǎng)格充滿了第n相流體。由溢流法水輔共注成型過程的特點可以知道，皮層、內(nèi)層熔體和水相之間都是兩兩接觸，即在單元網(wǎng)格計算中任一網(wǎng)格不會同時出現(xiàn)三種流體。圖2是采用新求解器模擬的溢流法水輔共注填充過程中流體流動示意圖。

圖2 溢流法水輔共注填充過程流體流動示意圖

1.4 數(shù)值模擬熔體注射次序的影響

采用的高聚物分別是高密度聚乙烯(HDPE，昆侖牌，牌號DMDA-8008)和聚丙烯(PP，昆侖牌，牌號1102K)，它們的Giesekus模型參數(shù)如表1所示。

表1 HDPE和PP的Giesekus模型參數(shù)

相關(guān)的工藝參數(shù)如表2所示。

表2 溢流法水輔共注填充過程工藝參數(shù)(模擬)

為了研究熔體注射次序?qū)σ缌鞣ㄋo共注填充過程的影響，現(xiàn)分別按照HDPE-PP-水和PP-HDPE-水的注射順序進行數(shù)值模擬，其他工藝參數(shù)保持不變。當水輔共注填充過程結(jié)束時，模擬后可分別得到形態(tài)圖，如圖3所示。

(a) 按照HDPE-PP-水注射順序;注水時間3.5秒

在圖3(b)中可以看到熔體層有被穿透的現(xiàn)象，靠近入口處皮層熔體(PP)已然被內(nèi)層熔體(HDPE)穿透，并且在中段附近內(nèi)層熔體(HDPE)甚至有被水相穿透的趨勢，而圖3(a)中則不會出現(xiàn)此類現(xiàn)象。同時，按照PP-HDPE-水注射順序所用的注水時間明顯更長。究其原因，主要是因為兩熔體層間零剪切粘度比發(fā)生變化所引起的。水輔工藝制品的中空部分在注塑填充過程中是由水相填滿的，水柱前端的徑向尺寸主要由水相前沿的回流效應所引起。當按PP-HDPE-水順序(圖3b)進行水輔共注工藝時，由于HDPE的零剪切速率時彈性分量ηP比PP的更大，同時作為內(nèi)層熔體與水相直接接觸，變形速率比皮層熔體(PP)明顯更大，所以熔體抵抗變形的能力更為明顯，水相所受到的“阻力”更大，進而水相前端的回流效應就大，水柱的徑向尺寸就大大增加了，進而兩熔體層分布就不均勻，甚至可能被水相穿透。而當按HDPE-PP-水順序(圖3a)進行注射工藝時，具有較大零剪切速率時彈性分量ηP的皮層(HEPE)與水相沒有直接接觸，變形速率等相關(guān)變化都由內(nèi)層熔體(PP)傳遞，熔體抵抗變形的能力就弱了許多，水相所受到的“阻力”就更小，水相前端的回流效應就更弱，水柱的徑向尺寸相對來說就更小，所以熔體層分布更為均勻。也正是由于水相所受到“阻力”更大，按照PP-HDPE-水注射順序所用的注水時間就更長。

2 溢流法水輔注塑的實驗驗證

利用水輔注塑平臺進行溢流法水輔共注實驗，其工藝參數(shù)如表3所示。熔體的預填量以兩螺桿塑化抽膠位置為準，數(shù)值越大說明預填量越多；注射速度以共注機最大注射速度的百分比為準。

表3 溢流法水輔共注填充過程工藝參數(shù)(實驗)

參照表3中的相關(guān)工藝參數(shù)進行溢流法水輔共注成型實驗時，最終可以得到溢流法水輔共注成型的一個樣品，如圖4所示，其中黑色為皮層熔體HDPE(先注入)，紅色為內(nèi)層熔體PP(后注入)。

圖4 溢流法水輔共注制品

為了驗證數(shù)值模擬的結(jié)果，也分別按照HDPE(黑)-PP(紅)-水和PP(紅)-HDPE(黑)-水的注射順序進行實驗，其他工藝參數(shù)保持不變，得到制品縱剖后得到圖5。

(a) HDPE-PP-Water

(b) PP-HDPE-Water

以看出，圖5(a)中的制品質(zhì)量明顯優(yōu)于圖5(b)中的制品質(zhì)量。圖5(b)中熔體層殘余壁厚的均勻度較差，在靠近入口的A處尤其明顯，同時熔體層被穿透的現(xiàn)象，尤其在遠離入口的B處尤為明顯，這與數(shù)值模擬獲得的結(jié)果保持了一致。圖5(b)與模擬所獲得的最終形態(tài)圖3(b)出現(xiàn)差異的主要原因是數(shù)值模擬中沒有考慮皮層熔體和模壁的熱傳導因素，現(xiàn)實中由于皮層熔體(PP)和常溫下的模壁接觸，緊貼模壁處的熔體立刻降溫固化，熔體粘度增加，水相難以穿透。同時由于內(nèi)層熔體HDPE的流動性能優(yōu)異，水相與其接觸很難形成較為穩(wěn)定的固化層，其殘余壁厚波動較大，甚至在B處出現(xiàn)了被水相穿透的現(xiàn)象。

3 結(jié)論

基于熔體的粘彈本質(zhì)，新求解器對溢流法水輔共注成型的填充過程進行了數(shù)值模擬。針對熔體注射次序這一重要的工藝條件，分析了其對溢流法水輔共注制品最終形態(tài)的影響，主要是由于兩熔體層間零剪切粘度比造成的。再通過實驗進行研究驗證，分析結(jié)果與模擬保持一致，同時也解釋了與數(shù)值模擬出現(xiàn)些許差異的原因。所以在真正的溢流法水輔共注生產(chǎn)工藝中，應選擇ηP較小的高分子材料作為內(nèi)層熔體而選擇ηP較大的高分子材料作為皮層熔體，這樣就可避免熔體層被穿透且能有效的縮短生產(chǎn)周期。

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Analysis on the Influence of Melt Injection Order in Overflow Water-assisted Co-injection Molding Filling Process

ZHANG Kai, YU Zhong, HUANG Yi-bin，SHANGGUAN Yuan-shuo，LI Ting，DONG Tian-wen

( School of Physics and Electronic Information, Shangrao Normal University, Jiangxi Province Key Laboratory of Polymer Preparation and Processing, Shangrao Jiangxi 334001,China)

Based on the finite volume method and the volume of fluid method, a new solver was built on the open source platform named OpenFOAM for the flow problems of viscoelastic fluids which repel each other. The solver can simulate the overflow water-assisted co-injection molding filling process. This paper systematically analyzed the influence of skin and inner melt injection order. The results showed the melt injection order have a giant effect on the product because of elastic component in zero shear viscosity of melts, a wrong melt injection order can lead to fail of molding because of being penetrated. Finally, the experiments of overflow water-assisted co-injection were carried out and the conclusion of numerical simulation has been verified.

water-assisted co-injection；numerical simulation；the viscoelastic model；injection order

2016-06-22

江西省塑料制備成型重點實驗室開放課題(jxsr201501)

章凱(1980-)，男，江西上饒人，講師，博士，主要從事聚合物加工成型及理論方面的研究。E-mail:zk19800414@126.com

TQ320.66

A

1004-2237(2016)06-0033-05

10.3969/j.issn.1004-2237.2016.06.007