1、气体辅助注射成型的优化设计多气体注入系统D.M. Gao *, K.T. Nguyen, A. Garcia-Rejon, G. Salloum Industrial Materials Institute, National Research Council Canada, 75, De Mortagne. Boucherviile. Que J4B 6Y4. Canada Received 21 December 1995摘 要：气体辅助注射成型技术在内部具有复杂空心形状的塑料零件生产中表现出了相当大的优势。气体辅助注射成型技术的应用可以降低注射压力，减少收缩变形和缩短成型周期。由于在气体
2、注射阶段气体与聚合物的相互作用，使得该技术与传统的注射成型技术相比具有显著的特点，并且气体辅助注射成型工艺的控制需要在材料加工处理方面具有雄厚的技术知识基础。在这项研究中，作者开发了一种利用多气体注射系统能够观察的气体穿透情况的数值模型。该系统的压力和气体持续注入时间能够独立控制，这样可以获得最佳的气体穿透效果和避免薄壁处发生不必要的气体穿透。该系统的主要优势主要体现在使用了三个独立的气体通道分析实验进行分析。关键字：气体辅助注射成型；多气体注射系统；塑料；聚合物1多气体辅助注射成型技术概述在过去的几年中，由于气体辅助注射成型技术在成型复杂空心塑件中所表现出的巨大优势，使其得到了迅速的发展。由
3、于在气体注射阶段气体与聚合物发生相互作用，大大减少了注射压力和塑件的收缩变形。典型的气体辅助注射成型工艺主要包括以下几个步骤：（1）塑料填充阶段：向模腔内注射入预设量的塑料熔体，预先设定注射的塑料熔体体积主要是为了避免薄壁出发生不必要的气体穿透，以达到最佳的气体注射量。（2）气体注射阶段：在塑料熔体填充的最后阶段或填充结束后的短暂延时后开始注入气体，树脂由于冷却收缩而让出一条通道，气体沿着通道进行穿透直到完全填满型腔。（3）气体保压阶段：当填充过程完全结束后，由气体继续提供保压压力，并通过气体二次穿透从熔体内部补偿因熔体冷却凝固带来的体积收缩，从而可以减少制品变形。在实际生产中，由于一般零件都
4、具有复杂几何形状，通常会使用多个独立气体通道来保持整个成型过程中的压力均衡。因此，多气体注射系统能够很好地实现气体通道的独立控制。另外，使用多气体注射系统比单气体注射系统排出的总体积大得多。鉴于多气体辅助注射成型技术的显著特点，其对注射过程与材料相互作用的科学技术的要求是比较高的，为此作者开发了一种利用多气体注射系统能够观察的气体穿透情况的数值模型。为了优化气体通道尺寸的设计和操作条件，该系统的压力大小和注射时间可以进行独立的控制，可以避免薄壁处发生不必要的气体穿透。2.数值模型简介在气体注射阶段的截面流动情况如图1所示，在该阶段可定义为三个不同的流动区域：（1）气体穿透区；（2）聚合物熔体区
5、；（3）未填充区。图1 气体辅助注射成型气体注射阶段的流动示意图区域1最初填充的是聚合物，气体注入后，气体穿透到聚合物内部并产生一条通道。在气体穿透时，熔体移动的压力是由气体传递过来的。熔体前端表面与冷空气接触而形成粘度较高的薄膜。由于薄膜的作用，熔体受薄膜阻力的影响不能直接向前推进，使熔体转向模壁并形成凝固层 1。区域2和区域3与传统注射充模过程的流动相同，除了两个移动的边界存在聚合物熔体。在这次研究中，我们最感兴趣的是聚合物熔体的流动情况，主要是为了对聚合物熔体前端和气体与熔体接触面的移动情况进行跟踪。由于气体穿透区（图1中的区域1）的聚合物层停滞不前，熔体流动只发生在两虚线区域内。由于气
6、体与聚合物熔体一起注入复杂的型腔内具有动态的相互作用关系，所以气体辅助注射成型是一个非常复杂的工艺过程。由于两个复杂的流动行为边界（熔体前端和气体与熔体接触面）必须预先考虑清楚，使得传统注射成型仿真模型无法处理这种新工艺。因此，气体通道的设计和对操作条件的优化对最终目标的实现尤为重要。以下几点将描述数值模型、数值模型的发展及模拟气体辅助注射成型充模阶段。2.1 克方程式（Governing equations）在这项研究中，聚合物熔体作为广义牛顿流体来考虑 ，即在不考虑粘弹性因素的影响，粘度是剪切速率和温度一种函数关系。由于熔融的聚合物的雷诺数比较小，我们可以假定流量为准稳态和符合流动规律的。
7、由于气体辅助注射成型所成型的塑件大部分为壳状，相对于其他零件其壁厚要小得多（超过一阶大小） ，其熔体滑移近似于肖流（Hele-Shaw flow） ，可用于模拟其在模具型腔的全局流动性为：S代表流动性，其定义为：能量方程可表示为：在方程（1）和（ 3）中， x和y为中性面的坐标，z 为流动方向，P为压力，T为温度， 为密度，Cp为比热，k为热导率， 代表粘性耗散。一维的能量方程表明在流动方向的热传导可以忽略不计，由于型腔壁厚的热传导相对于其他两个方向的实在太小了，并且在流动方向的对流也可以忽略不计。2.2 边界条件2.2.1 流动模型海伦-肖氏（Hele-Shaw）方程（1）的解是建立在聚合物
8、熔体填充区获得的压力受下面讨论的边界条件的影响。两种不同的流动情况必须加以考虑，即聚合物熔体填充和气体注射阶段。2.2.1.1 聚合物熔体填充阶段主要考虑三种边界：（1）熔体流动的前端；（2）熔体的注射浇口处；（3）模具型腔壁。在熔体流动的前端，假设压力是个常量，并且任意假设其为0。在熔体注射的浇口处，流量或压力被指定为取决于所选择的成型条件的时间函数。在模具型腔壁处，正常熔体的速度发生变化，应当指出由于滑移的逼近，完全无滑移条件已经不成立。这一假设是可以被接受的，因为没有滑移效果只影响聚合物熔体的厚度差中薄薄的一层而已。2.2.1.2 气体注射阶段在没有额外任何的聚合物熔体注入型腔时，加压气
9、体将会沿着气体通道进行穿透。此时，在聚合物注射浇口处专门指定的边界条件已经失效，而气体和熔体接触面处必须具备合适条件。假设气体区是一个不存在任何聚合物的单相区。因此，当气体与聚合物接触表面的压力被指定为常量，在填充阶段熔体流动前端和模具壁厚处的条件是相同的，气体区包括气体与聚合物接触面处的压力是均匀传递的假设是合理的。2.2.2 热模型热计算在整个填充阶段（1区和2区）都出现了，热边界层条件为：（1）在浇口处的聚合物熔体的温度是一样的，即为塑化温度。在熔体流动的前端，喷射流推动熔体从型芯一侧流向型腔一侧并在型腔沉积下来，并发展成为受温度场的喷射流影响 3。在这次研究中，我们将熔体流动前端的温度
10、看作是模具型腔内部温度。（2）为简便起见，我们假设气体内部温度与其周围温度是相同的。3.数值模型的实现压力方程的求解使用了伽辽金有限元法（Galerkin finite-element method） ，利用一个三节点三角单位近似为压力，有关数值实现的详细信息在 4,5。离散能量方程使用的是有限差分近似法（finite-difference method ），由温度衍生而来的时间使用后有限差分法逼近。尽管为了确保方程解的稳定性，流动方向上长期的差距变化的计算使用了迎风技术（upwinding technique），但为了评估流动方向上长期的差距变化，我们将零件的厚度划分了好几个层 2,5。建立
11、动力学模型最主要的挑战是精确跟踪熔体流动前端，在气体辅助注射成型的情况下，这显得尤为关键和复杂，因为有两种不同的移动界面存在：一个是聚合物熔体前端，另一个是气体与熔体的接触表面。在这项研究中，一种体积控制法已应用于跟踪熔体前端的流动和气体与熔体接触表面 6,7。在填充阶段，为了表示三个不同的区域，聚合物表面的每一微小厚度（Fs）都与体积控制有关。Fs 是指聚合物表面微小厚度与零件总厚度的比值。当Fs=1时，表示该处完全由聚合填满；当Fs=0时，表示该处为空；当0Fs1时，表示该处已经有气体穿透，并且聚合物层成为了外表面层。对于每一个时间步长，压力计算是为了在熔体填充时获得速度分布区域，从速度分
12、布区域可以计算出熔体前端和气体与熔体接触表面的流动率，并且可以利用质量不变原理估算出每一个地方的Fs值。利用Fs的更新区域可以很简便地确定新填充区域和气体穿透区域。能量方程（3）的解接近于在流动方向上的温度变化分布，有效的型腔厚度用于下一个时间步长的压力方程中，一个迭代程序将会一直被使用到充模结束后。4.案例分析为了验证气体辅助注射成型的数值模型，我们对一个具有三个独立气道的矩形零件进行研究。图2 熔体注射浇口和气体注射位置4.1 成型条件零件的几何形状如图2所示，在该实验中使用的一个矩形板模型，长为10cm，宽为8cm，厚为0.2cm，具有三个气道，沿等高高线的两个排气槽为 1.2厚，而中央
13、的气道厚为0.8cm。由于三个气道是相互独立的，所以需要三个气体注射系统。熔体注射和气体注射位置如图2所示，我们使用高密度的聚乙烯（HDPE ）来成型该零件，表1给出了其相应的参数、卡罗（Carreau-WLF）材料模型及其他材料的特性。表1 卡罗模型系数和其他材料特性至于成型条件，熔体注射的两个浇口的注射速度应该一致（10cm 3s-1），主要为了使样品填充到气体注射保持平衡。两种不同顺序的气体注射用来说明多气体注射系统：同时和连续注射气体。对于两种情况，当熔体填充63%时就停止熔体的注射。在情形1的三种气体是同时注射，而在情形2时，中央气道在熔体填充到63%结束后立即开始注射气体。中央气道
14、注射的气体推动熔体填充体积达到68% ，此时两侧的气道开始持续注射气体直到完全填满型腔。图3 在气体注射前聚合物熔体流动前端位置随时间变化情况4.2 结论与说明图3所示说明了在气体注射前聚合物熔体流动前端位置随时间变化情况，灰色区域代表不同时间被填充的位置。一个双熔体注射浇口的设计提供一个很好的平衡填充条件。图4 情形1 前期时注射的同时注射气体关于气体注射，第1种情形是用三种气体同时注射模拟的。图4所示为气体注射的前期阶段，从图中可以看出中央气道的气体穿透比两侧的更慢些，这主要是因为中央气道壁厚小导致阻力变大，气体穿透时沿着阻力最小的方向进行穿透的。图5所示为填充结束后气体穿透的最终位置，由
15、于气体注射的流量不同，当注射到薄壁零件时，会使零件的质量受到破坏。结合前面模拟的结果，第二实验我们使用三种气体顺序注射控制方法。在这次的实验中，中央气道的气体比两侧的提前注射，如图6所示为气体注射的前期图4 情形1 前期时注射的同时注射气体阶段。与两侧气道的气体穿透相比，中央的气体穿透得比较靠前些，但这种趋势在完全穿透时就消失了（如图7所示），这主要是因为两侧的气体注射速度比较大。图7也说明了这次实验的三种气体穿透达到了平衡，没有使零件的质量受损。图5 填充结束后气体穿透的最终位置图6 气体注射的前期阶段气体穿透情况图7 气体注射的最终的气体穿透情况总 结在这项研究中，一个能够模拟多气体辅助注
16、射成型充模阶段的数学模型已经研发成功，该模型能够评估充模阶段的熔体流动前端的流动情况和气体穿透情况。为了评估熔体流动前端的流动情况，我们在每一步里对时间和压力进行了计算。通过对一个具有三个气道的平板模型的分析也可以得出该模型就有这种能力，并且该模型已应用于涉及多个注气点的不同情况。参考文献：1 A.J. Polinski, P.R. Oeler, L.P. Inzinna, L.J. Briel, V.K. Stokes, Isothermal gas-assisted displacement of viscoplastic liquids in tubes, GE Technical Re
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