动态保压注塑成型的动态数值仿真与实验结果分析

杨浩; 周伟辰; 高雪芹; 雷军; 李忠明

doi:10.11777/j.issn1000-3304.2019.19111

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动态保压注塑成型的动态数值仿真与实验结果分析

研究论文 | 更新时间：2021-01-26

- 动态保压注塑成型的动态数值仿真与实验结果分析
- Dynamic Numerical Simulation and Experiment Results of Oscillating Packing Injection Molding
- 角色： First author , 第一作者 ,
  
  机构：
  四川大学高分子科学与工程学院　成都 610065
  
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  杨浩
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  四川大学高分子科学与工程学院　成都 610065
  
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  周伟辰
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  角色： Corresponding author , 通讯作者 ,
  
  机构：
  四川大学高分子科学与工程学院　成都 610065
  
  邮箱： gxqsnow@163.com
  
  简介： E-mail: gxqsnow@163.com E-mail: Xue-qin Gao, gxqsnow@163.com
  
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  高雪芹
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  四川大学高分子科学与工程学院　成都 610065
  
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  雷军
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  四川大学高分子科学与工程学院　成都 610065
  
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  李忠明
  ，
- 高分子学报 2019年50卷第12期页码：1348-1356
- 作者机构：
  
  四川大学高分子科学与工程学院　成都 610065
- 作者简介：
  
  E-mail: gxqsnow@163.com E-mail: Xue-qin Gao, gxqsnow@163.com
- 基金信息：
  
  国家重点研发计划(项目号 2018YFB0704202)和四川省科技计划项目(项目号 2018G20332)资助()
- DOI：10.11777/j.issn1000-3304.2019.19111
  中图分类号：
- 纸质出版日期：2019-12，
  
  网络出版日期：2019-7-12，
  
  收稿日期：2019-6-4，
  
  修回日期：2019-6-11，
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杨浩, 周伟辰, 高雪芹, 雷军, 李忠明. 动态保压注塑成型的动态数值仿真与实验结果分析[J]. 高分子学报, 2019,50(12):1348-1356.

Hao Yang, Wei-chen Zhou, Xue-qin Gao, Jun Lei, Zhong-ming Li. Dynamic Numerical Simulation and Experiment Results of Oscillating Packing Injection Molding[J]. Acta Polymerica Sinica, 2019,50(12):1348-1356.
杨浩, 周伟辰, 高雪芹, 雷军, 李忠明. 动态保压注塑成型的动态数值仿真与实验结果分析[J]. 高分子学报, 2019,50(12):1348-1356. DOI： 10.11777/j.issn1000-3304.2019.19111.

Hao Yang, Wei-chen Zhou, Xue-qin Gao, Jun Lei, Zhong-ming Li. Dynamic Numerical Simulation and Experiment Results of Oscillating Packing Injection Molding[J]. Acta Polymerica Sinica, 2019,50(12):1348-1356. DOI： 10.11777/j.issn1000-3304.2019.19111.

摘要

为实现动态保压注塑成型(OPIM)的智能精密制造，以哑铃型拉伸试样构建几何模型，以Dynamic feed系统还原保压阶段中复杂的动态流动场，运用Moldflow模拟仿真出OPIM全过程. 通过与传统注塑成型(CIM)的对比研究，探究了OPIM在保压阶段的熔体流动情况、皮芯结构上熔体温度以及剪切速率分布与大小的变化. 通过二维广角X射线衍射(2D-WAXD)、扫描电子显微镜(SEM)以及显微镜实验对模拟结果进行验证. 结果表明，在OPIM过程中，熔体在较低黏度下可反复通过型腔，在型腔厚度方向上产生温度梯度，形成强剪切场，进而诱导分子链伸直，形成串晶结构，从而提高了OPIM制品性能，模拟与实验结果一致.

译

Abstract

To realize the intelligent precision manufacturing of oscillating packing injection molding (OPIM), the whole process of OPIM was creatively simulated by computer-aided technology, Moldflow. In the process of simulation, the model was built as a dumbbell-shaped tensile spline and the complex dynamic fluctuating flow field caused by reciprocating piston motion in packing stage was initially emulated by the Dynamic feed system. According to complex changes of temperature, pressure and extra shear field, cross WLF model were selected as the constitutive laws for HDPE in this study. The melt flow distribution, variation of the melt temperature and shear field in sample were investigated in OPIM simulation, meanwhile the results were also compared with those of conventional injection molding (CIM) simulation. The results show that, in the OPIM process, HDPE melts could repeatedly pass through the cavity at lower viscosity by the strong reciprocating motion of pistons, creating the temperature gradient at the thickness direction and forming a strong shear field, thus inducing the molecular chains to straighten and further form the shish-kebab structures. Finally, The real morphology and structure of OPIM and CIM samples were characterized by 2D-WAXD、SEM. The results show a higher orientation and more shish-kebab structure in OPIM compared with those in CIM. Melt flow traces observed by microscopy confirmed the multiple melt flow under the action of pistons in cavity. The simulation results are in good agreement with our experiment results. Finally, this article provide the theoretical OPIM process window for high-performance sample processing and new simulation ideas for special injection moldings additional external force field.

译

图文摘要

We creatively simulated OPIM using Moldflow, in which dynamic feed system emulated fluctuating melt pressure caused by reciprocating pistons motion in packing. The melt flow pattern and the shear rate of dynamic change were explored, and the correctness of the numerical calculation was verified by experiments. This study provides the theoretical OPIM process window and new simulation ideas.

译

关键词

动态保压注塑成型(OPIM); Dynamic feed; 皮芯结构; 剪切分布; 保压阶段模拟

译

Keywords

Oscillating packing injection molding (OPIM); Dynamic feed; Skin-core structure; Simulation of packing stage; Shear rate distribution

译

21世纪以来，塑料工业正朝着高标准化的目标健康快速发展^[

1,2]. 为解决聚烯烃在传统注塑成型下所存在的强度低、易变形、耐环境应力差等问题^{[参考文献 3

百度学术

3]}，申开智、李忠明科研团队从加工装备的角度出发，开发动态保压注塑成型(OPIM)新技术. 采用特制的热流道模具来控制聚合物基体的结晶形态和取向结构或分散相的形态，显著提高了聚合物材料的力学性能^{[参考文献 4

百度学术

4,参考文献 5

百度学术

5]}. 与此同时，传统工业正朝着工业4.0的新时代大踏步前行. 在新时代的号召下，注塑工业也将朝着智能制造及精密制造的方向发生产业变革. 现阶段，传统注塑中仅凭经验决定的注塑工艺窗口与无法测得的熔体相关参量对注塑工业的智能与精密制造造成了严重阻碍. 获取高通量数据进而探寻加工成型的深层机理，为各类聚合物材料描绘加工基因谱图，并寻求合适的加工窗口，已成为智能精密注塑成型的必经之路，特别是对于高性能动态保压注塑成型制品的制备.

译

大量研究表明，可以利用CAE模流分析软件对注塑成型过程进行高时间，高空间的模拟仿真，以获取高通量的熔体相关数据^[

6,7]. 注塑成型过程一般分为4个阶段，即充填、保压、冷却与开模. 对于传统注塑成型而言，冷却阶段占注塑周期比重较大(高达2/3)^{[参考文献 8

百度学术

8]}且复杂的充填阶段对制品质量有直接影响. 故而以往注塑成型CAE模拟主要针对充填阶段^{[参考文献 6

百度学术

6,参考文献 9

百度学术

9,参考文献 10

百度学术

10]}与冷却阶段^{[参考文献 11

百度学术

11,参考文献 12

百度学术

12]}，且相关热流道的模流分析也仅完成了对顺序阀充填的仿真^{[参考文献 13

百度学术

13,参考文献 14

百度学术

14]}. 而动态保压注塑成型主要是熔体在保压阶段经热流道反复通过型腔，向型腔内熔体施加一定剪切应力，对制品性能进行直接调控，且保压时间占注塑周期比重较大，故而保压阶段是动态保压注塑成型的重要研究阶段，但是目前对其模拟仿真研究进展尚为空白. 因此，开展CAE软件对动态保压注塑成型全过程的模拟仿真，探究熔体剪切场等参量的相关变化，是其实现装备与产品智能制造的重中之重，也可为动态保压注塑成型提供基础性理论研究.

译

本文利用Cross-WLF本构方程描述了受温度、压力以及剪切速率变化的熔体黏度. 运用Moldflow模流分析软件中Dynamic feed功能模拟出拉伸试样在保压阶段于特殊热流道模具下的复杂流动场，探究OPIM中熔体的流动情况、熔体温度以及剪切速率大小及分布的变化，并对模拟结果进行了实验验证，进而为动态保压注塑成型流动情况的探究以及高性能制件工作窗口的选定提供相关依据，为动态保压注塑成型以及在附加流动场下相关注塑成型的模拟仿真提供新的思路.

译

1 数值模拟仿真

1.1 几何模型建立

利用Moldflow模流分析软件对动态保压注塑成型过程进行数值模拟分析. 本次模拟制件尺寸为4 mm × 6 mm × 110 mm的拉伸样条(如图1(b)所示). 根据实际模具情况^[

15]，在图1(a)中，熔体经主流道进入热流道板内活塞料腔，最终通过单型腔中对称布置的双浇口对拉伸样条完成进料填充. 设定模架尺寸为220 mm × 200 mm × 180 mm，模架中相关的热流道及浇口分布如图1(c)所示，且2条冷却水路分别置于动模板与定模板侧，对称于模腔(图1(c)). 为使料腔中的塑料尽量保持在熔融温度以上，将加热管间隔10 mm均匀地分布在活塞料腔的周围. 为使模拟结果满足实际情况，上述流道，冷却水路和加热管的尺寸与分布情况同真实模具一致.

译

Fig 1 (a) Mold structure diagram in Moldflow; (b) Geometric structure of tension splines and characterized cross section diagram; (c) Mold runner structure, cooling channels and heating pipes in distributing diagram (the meshing red parts-hot runner or hot nozzle; not meshing parts-heating pipes; the blue parts-cooling channels)

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1.2 成型模拟材料

鉴于动态保压注塑成型(OPIM)对于聚乙烯的研究已较为成熟，本次模拟选用HDPE(牌号：Hostalen GM 5010 T2, Targor)作为成型模拟材料，熔融指数(MFI)为0.84 g/10min (190 °C, 5 kg)，固化温度112 °C，比热CP为3000 J/(kg·°C) (210 °C)，热导率k为0.27 W/(m·°C) (210 °C).

译

1.3 数学黏度模型

假设熔体为不可压缩性流体，不考虑惯性作用，其流动表现为非等温牛顿流体行为，要求完成模具充填以及熔体降温直至固化期间的动态保压剪切过程. 利用Cross-WLF本构模型^[

16,17]对温度、剪切速率以及压力变化下HDPE的黏度进行描述，其本构方程如下：

译

$\eta = \frac{{{\eta _0}}}{{1 + {{\left( {\dfrac{{{\eta_0} \dot \gamma }}{{{\tau^*}}}} \right)}^{1 - n}}}}$

而零切黏度 ${\eta_0}$ 则表示为

译

${\eta _{\rm{0}}}={D_1}\exp \left[ { - \frac{{{A_1}(T - {T^*})}}{{{A_2} + (T - {T^*})}}} \right]$

其中玻璃化转变温度 ${T^*}$ 为

译

${T^*} = {D_2} + {D_3}p$

上述所有式中 $\eta$ 为熔体黏度(Pa·s)； ${\eta_0}$ 为零切黏度； $\dot \gamma$ 为剪切速率； ${\tau ^*}$ 为临界剪切变稀应力； $n$ 为幂律指数；T为温度(K)； ${T^*}$ 为玻璃化转变温度； $\;p$ 为压力(Pa)；A₁，A₂，D₁，D₂，D₃为拟合数据系数. 通过数据拟合，其成型模拟材料的物性参数为 $\eta$ = 20926.3 Pa·s； $n$ = 0.3785；A₁ = 17.266；A₂ = 51.6 K；D₁ = 1.2909 × 1011 Pa·s；D₂ = 153.15 K；D₃ = 0 K·Pa^–1.

译

1.4 模拟相关细节

1.4.1 网格划分

熔体在动态保压过程中会随着时间与压力的变化而变化. 为了更好地探究沿厚度分布的熔体温度与剪切速率的变化趋势，为运用Dynamic feed功能模拟活塞运动过程，本模拟采用双层面网格进行网格划分，并沿制件的厚度方向划分为20层. 制件形状较为规整，规格较小，设定网格边长为0.5 mm，三角形单元数量为14612.

译

1.4.2 工艺参数设定

为进一步模拟注塑的实际过程，将海天注塑机的相关参数添加入模拟信息中. 并结合实际情况，设定图2中所示的注塑周期，即设定充填时间1.905 s、保压时间180 s、冷却时间60 s、开模时间2.2 s. 如图3所示，注塑机在填充阶段将料筒中所有的物料注入模具型腔与A、B活塞料腔中(即螺杆由60 mm初始行程位置运行至实际PV转化点0 mm处)，随后转保压通过振动保压单元中活塞振动完成动态保压过程，即活塞A压入料腔，活塞B退出料腔，A料腔中原有的熔体被压出，经型腔流入料腔B中. 熔体在活塞料腔中受到热流道加热器的作用以维持熔融状态，随后活塞B压入，活塞A退出，熔体回到料腔A中，并如此循环，实现流动剪切场. 为模拟保压过程中由于活塞施压而造成的压力流动，选用Dynamic feed在A、B活塞料腔喷嘴处进行动态压力设定，利用循环流道两端存在的压力差，形成Poiseuille流动.

译

Fig 2 Injection molding cycle

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Fig 3 Oscillating packing injection molding schematic diagram

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实际参数设定：熔体温度200 °C；热流道温度180 °C；保压I、II、III阶段压力分别是10、20 和30 MPa；保压I、II、III阶段时间均是60 s；振动油压12 MPa；振动间歇时间2 s. 利用活塞式油缸的作用原理，设定回油背压为0，则活塞杆的前进对熔体产生了液压推力，促使活塞料腔熔体流动，而随着动态保压时间的增加，活塞在实际生产中下压的行程会逐渐缩短. 我们可以理解为熔体一旦冷却会使得活塞行程缩短，此时熔体流动的推动力与液压推动力相等，即满足计算公式如下所示：

译

${p_1}{A_1} = P = {p_2}{A_2}$

式中P为对熔体的液压推力；p₁为油缸的进油压力；p₂为熔体压力；A₁为油缸活塞有效工作面积；A₂为A、B活塞有效工作面积. 油缸活塞直径 ${\textit{ϕ}}$ 为80 mm，进油压力为12 MPa以及A、B活塞直径 ${\textit{ϕ}}$ 为25 mm(图1(c))，利用上述公式(4)可计算出最大熔体压力为123 MPa. 为简化模拟仿真，在活塞运动阶段，统一将活塞下压时熔体压力设定为123 MPa，活塞后退时设定为0 MPa即 $\Delta p$ = 123 MPa，振动时间为3 s. 在活塞间歇阶段，如图3所示，一活塞腔内无熔体为0 MPa，另一活塞腔与注塑机连通，受到注塑机螺杆提供的保压压力， $\Delta p$ = 10、20和30 MPa，间歇时间为2 s. 利用Dynamic feed以上述压力梯度完成保压阶段模拟.

译

为简化模拟仿真，以15 MPa注塑压力快速完成充填阶段. 为更好地阐述OPIM模拟数据，同时对无活塞运动的静态试样(CIM)进行模拟，并与之对比. 动态试样(OPIM)与静态试样(CIM)活塞腔的保压压力变化分别如图4(a)与4(b)所示.

译

Fig 4 (a) Melt pressure curve in packing of Piston chambers of OPIM; (b) Melt pressure curve in packing of Piston chambers of CIM

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2 模拟结果与讨论

由于与传统注塑成型的注塑周期组分比重不同^[

8]，本次模拟保压阶段占注塑周期比重约为3/4 (见图2)，且为所模拟成型工艺的核心研究阶段，故对保压阶段相关模拟结果进行分析.

译

2.1 流动速率

在图5中，CIM的热喷嘴处流率较小但不恒为零，且随着时间逐渐降低，所得曲线平滑，即保压阶段依旧存在小料流进行补缩. 而OPIM曲线出现负值流率，且呈现阶梯式波动，实现了在A、B活塞相向往复运动下，熔体经热流道的循环流动，符合活塞振动3 s，间歇2 s的运动模式. 振动周期内流动速率几乎恒定，实际情况中由于油缸进油速率恒定，活塞匀速运动造成动态保压阶段振动周期内熔体流率恒定，两者一致. 随着保压时间的进行，振动平台流率逐渐降低，当保压时间为158 s时降至为零. 这与实际成型过程中活塞下压行程逐渐缩短现象一致.

译

Fig 5 Flow rate of hot nozzle in packing of CIM and OPIM respectively

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可将熔体动态保压阶段流动近似看作柱塞式挤出的机头口模流动，可得知物料动态保压循环流动的流率满足以下公式^[

18]：

译

${Q_{\rm{k}}} = K \cdot \frac{{\Delta {p_{\rm{k}}}}}{{{\eta _{0{\rm{k}}}}}}$

其中 $\Delta {p_{\rm{k}}}$ 为物料的压力降； ${\eta_{\rm 0k}}$ 为物料在流动区内的黏度； $K$ 为流通系数，与料腔、热流道、型腔几何参数以及流动液体类型有关，本文中视为常量. 随着动态保压阶段活塞的往复运动，熔体经过型腔受到冷却作用，进而熔体温度降低而 ${\eta_{0{\rm{k}}}}$ 提高. 为保持恒定的流动速率Q_k，则需要更大的压力降 $\Delta {p_{\rm k}}$ . 但当活塞行程开始缩短时，活塞所提供的熔体压力恒定，即 $\Delta {p_{\rm k}}$ 保持恒定，从而随着冷却因素的反复作用，循环流动速率Q_k不断降低至0而无法维持动态流动场.

译

2.2 熔体温度

对于传统注塑成型(CIM)，高温熔体在高注塑压力下快速填充模腔，与模具壁接触的皮层因高应力、高应变速率与快冷却而保留下高取向结构，芯层由于较低剪切应力与较慢冷却速率，分子链充分回复呈现低取向结构，进而形成了注塑制件典型的皮芯结构^[

19]. 如图6所示，随着保压时间的推移，CIM制件的三层熔体温度逐渐冷却，且越靠近制件表面，其冷却速率越快. 受冷却因素的影响，CIM制件呈现皮芯结构.

译

Fig 6 The melt temperature of the skin-core structure of OPIM and CIM respectively (The characterized the three layers of skin-core structure are yellow points in Fig.2(b).)

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为进一步探究不同成型方式的OPIM的皮芯结构，探测了其3层熔体温度的动态数值. 相比于CIM皮芯结构的熔体温度，由于活塞往复运动形成了动态流动场，OPIM各层熔体温度曲线不同于热喷嘴流动速率规整的矩形波动(见图5)，呈现锯齿状波动的下降趋势，振动时熔体温度几乎保持不变，间隙时受模具冷却作用熔体温度迅速降低，在后续振动时骤然升高，故而否定升温现象是由型腔中原有熔体与料腔熔体热交换所致. 并且其各层温度差异更大，具有更为典型的皮芯结构. 图7中热喷嘴处熔体温度变化梯度较大，且熔体进入型腔后，型腔熔体温度升高，但该流动前沿的热喷嘴处温度却降低(见图7红色线框). 结合上述现象，认为熔体在A活塞作用下进入型腔，将型腔内原有尚可流动的低温熔体推出型腔，经热喷嘴及流道进入B活塞料腔中，促使型腔熔体温度骤然升高；间隙时型腔熔体冷却，热喷嘴熔体受热升温，随后B活塞压下将料腔中二次受热熔体推回型腔中，如此反复.

译

Fig 7 The melt temperature of hot nozzle and the shear layer of sample of OPIM

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鉴于模拟成型材料的固化温度为112 °C，上述反复受热的循环流动熔体降低了型腔熔体冷却速率(见图6)，过早固化的皮层以阶梯式降温，值得注意的是过渡层(1 mm处)和芯层(2 mm处)分别于118 与158 s处迅速降温而后才完成固化. 即说明熔体停止流动并不意味着固化，这与相关研究^[

20]描述不同. 由公式(5)可知，熔体因低温具有高黏度，故压力梯度不足，无法促使该区域流动. 可理解为118 s时动态流动区厚度为2 mm，158 s时完全停止流动，型腔不再受热，这同流动速率的结果一致.

译

2.3 剪切速率

对于OPIM与CIM，已证明熔体沿厚度方向上存在温度梯度(见图6)，不同温度的熔体具有不同的黏度，从而在厚度方向上产生逐渐增加的速率梯度，进而形成Poiseuille流动的剪切速率梯度^[

21]. 图8中CIM与OPIM型腔内的剪切速率沿厚度方向对称分布且随保压时间不断变化. 正是由于上述动态流动场的作用，OPIM熔体受到的最大剪切速率6880 s^–1远远大于CIM的0.0333 s^–1，且剪切持续时间更长，从而赋予了OPIM的强剪切场. 如图8(a)所示，随着保压阶段的进行，皮层迅速冻结，冻结层不断增厚，高剪切层逐渐内移，芯层几乎呈零剪切速率，同样保压时间达158 s时剪切停止即流动停止，活塞无法下压. 由于Moldflow网格厚度最多划分21层，本模拟网格厚度最小步长为0.124 mm，根据剪切速率可粗略计算出OPIM皮层的厚度为0.124 mm，芯层为0.492 mm.

译

Fig 8 Local shear rate along the thickness direction of sample (seeFig.2(b)) in packing of OPIM (a) and CIM (b)

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正是动态保压注塑成型的强剪切场促使制品呈现出高取向结构甚至生成致密的shish-kebab结构，从而可大幅度提高其力学性能，达到增强增韧效果. 伸直取向的分子链是形成shish前驱体的基本结构^[

22]，而采用末端松弛时间

${\tau_{\rm{d}}}$ 与Rouse松弛时间

${\tau_R}$ 来描述聚合物熔体的流动行为^{[参考文献 23

百度学术

23, 参考文献 24

百度学术

24]}. 当剪切速率

$\dot \gamma$ 范围：

$\dot \gamma < {1 / {{\tau_{\rm{d}}}}}$ 时，分子链松弛较快回复为无规线团状；

${1 / {{\tau_{\rm{R}}}}} > \dot \gamma > {1 / {{\tau_{\rm{d}}}}}$ 时，分子链保留下取向结构；而

$\dot \gamma > {1 / {{\tau_{\rm{R}}}}}$ 时，分子伸直产生高取向结构. 由图6和7可知，过渡层(1 mm处)115 s时即将到达熔融峰温，剪切速率高达2700 s⁻¹左右. 低温熔体下则拥有很长的Rouse松弛时间

${\tau_{\rm{R}}}$ ，却依旧经历高剪切作用，故而使得

$\dot \gamma >> {1 / {{\tau_{\rm{R}}}}}$ ，分子链大量伸直取向形成shish-kebab结构.

译

3 实验验证

3.1 实验部分

选用与模拟成型材料流动行为相似且熔融指数相近的HDPE 5000 s作为实验材料. 通过动态保压注塑成型，设定同1.3.2节一致的工艺参数制备静态试样(CIM)与动态试样(OPIM).

译

3.1.1 光学显微镜

从试样横截面处取薄片，利用抛光机进行抛光，控制其厚度为0.5 mm左右. 将其置于光幕上利用光学显微镜对截面情况进行拍摄.

译

3.1.2 扫描电子显微镜

将样品在液氮中脆断得到断面位置，利用2%的酸性溶液完成刻蚀. 对所有样品表面进行喷金处理，利用场发射扫描电子显微镜(SEM) (Model 450, FEI company, USA)对样品上述3层(位置如图1(b)中黄点所示)进行观察，加速电压为20 kV.

译

3.1.3 二维广角X射线衍射(2D-WAXD)

利用德国Bruker D8X射线衍射仪，在40 kV与40 mA下由CuKα光源以波长0.154 nm对样品进行衍射获取2D-WAXD衍射图. 其测量点为上述3层结构，层间相距1 mm (位置如图1(b)中黄点所示)，即距离试样表面为0、1与2 mm.

译

3.2 实验结果分析

3.2.1 流动行为

晶体结构受温度与外力场作用影响，而不同的晶体结构因堆叠方式、尺寸大小、结晶程度会呈现不同的透光度. 在图9中，CIM皮层因晶体排列规整后拥有不同于芯层的高冷却速率，使得高温下晶体生长停留时间较短，晶粒较小从而呈现透明状. 故CIM仅能观测到典型的皮芯结构(图9(b))，这同CIM厚度方向因温度梯度而形成皮芯结构的模拟结果(见图6)一致.

译

Fig 9 The optical images of cross sections of OPIM (a) and CIM (b) respectively

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对于OPIM试样，由于受动态循环流动场与冷却的复合作用，其呈现对称的年轮状流动痕迹(见图9(a))，这正是模拟得出的熔体循环流动所致(见图5). 这与模拟结果(见图6与7)分析得到的高温熔体在活塞作用下进入型腔并将原有低温熔体推出型腔，低温、高温熔体循环流动(如图10所示)使得OPIM沿厚度方向具有更大温度梯度，形成多层差异化晶体结构的结果一致.

译

Fig 10 Melt flow diagram in cross section of (a) OPIM and (b) CIM (The rainbow color indicates the sequence of melt flows, such as red-latest injected melt)

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3.2.2 形貌结果

利用2D-WAXD进一步分析模拟所得动态强剪切场下聚合物3层分子链的取向结构. 由图11可知，HDPE聚乙烯的衍射图由2个衍射环组成，其中内环与外环分别表示HDPE的正交晶系的(110)晶面与(200)晶面.

译

Fig 11 SEM and 2D-WAXD image in the three layers (characterized the three yellow points in Fig.2(b)) of OIM and OPIM (The arrow indicates the direction of melt flow.)

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CIM其过渡层与内层的衍射图均为均匀衍射环，主要呈现各向同性(见图11(a))，表明其内分子链随机分布，生成各向同性的球晶结构(见对应SEM图)；CIM皮层衍射图出现沿熔体流动方向分布聚焦衍射环，呈现各向异性分布，且仅出现了聚焦弧(kebab)而无聚焦亮斑(shish)^[

25]，主要存在沿流动方向排布的取向片晶(见对应SEM图)；亮度较弱即衍射强度较低，故由于高冷却速率造成其皮层具有较低的结晶度；而芯层温度较高，球晶生长完善，尺寸较大. 故而CIM形成了典型的皮芯结构. 动态剪切速率模拟结果中CIM的剪切速率最大值仅为0.0333 s^–1 (见图8). 在低剪切场下，皮层依旧受到剪切，但皮层因熔体温度迅速降低而冻结(见图6)，取向结构保留；过渡层与芯层在低剪切下回复无规，形成球晶结构，故模拟同实验结果吻合.

译

而OPIM三层均出现聚焦衍射弧，且在过渡层与芯层出现聚焦亮斑，分子链沿熔体流动方向获得高取向结构，其SEM图均出现shish-kebab结构，正是在高剪切场下(图8模拟所得)且在冷却过程中反复剪切(结合图6与图8模拟所得)形成大量伸直分子链所致. 过渡层由模拟可知熔体循环流动降低了其冷却速率(见图6)，使得垂直于shish的折叠链片晶kebab尺寸较大，生长完善. 但值得注意的是，OPIM芯层依旧出现shish-kebab结构，认为是工艺参数所致，熔体在型腔中循环流动，使其存在一定的流动热历史，在保压后期随着熔体迅速冻结，热历史无法消除，故而在SEM中呈现致密shish与少量球晶共存的结构. 这与芯层于158 s后熔体温度大幅度降低(图6)的模拟结果一致.

译

4 结论

本研究中建立了动态保压注塑成型模型，首次提出运用模流分析软件(Moldflow)的Dynamic feed功能完成了振动单元内活塞往复相向运动所产生的熔体循环流动的模拟设定. 通过对静态试样CIM与动态试样OPIM皮芯结构的动态数值仿真，逼真地模拟出了动态保压注塑成型全过程，并探究了过程中熔体相关数据的变化，最终对模拟结果进行了实验验证.

译

(1)经模拟进一步证实，动态保压阶段熔体流动过程中，即熔体在活塞作用下注入型腔并将型腔内原有的低温熔体推入另一活塞料腔内. 如此循环流动降低了型腔内熔体冷却速率，在厚度方向上产生了更大的温度梯度，形成了熔体动态强剪切场.

译

(2)提出在保压后期活塞无法下压运动，即熔体停止流动时，流动区域熔体并没有固化，仅为低温状态下高黏度熔体.

译

(3)在温度梯度与强剪切场的复合作用下，模拟出的OPIM制件具有更为明显的皮芯结构与更厚的剪切层(即过渡层).

译

参考文献

Li Jing(李静). China Plastics Industry(塑料工业) , 2017 . 45 ( 2 ): 21 - 23, 28 . DOI:10.3969/j.issn.1005-5770.2017.02.005 . [百度学术]

Liao Zhengpin(廖正品). China Plastics Industry(塑料工业) , 2002 . 30 ( 4 ): 1 - 6 . DOI:10.3321/j.issn:1005-5770.2002.04.001 . [百度学术]

Du Jinsong(杜金松), Cao Jianguo(曹建国), Li Ning(李宁), Zhao Wanqian(赵琬倩), Shen Kaizhi(申开智). Journal of Functional Materials(功能材料) , 2015 . 46 ( 15 ): 15133 - 15137 . DOI:10.3969/j.issn.1001-9731.2015.15.026 . [百度学术]

Zhang Z C, Deng L, Lei J, Li Z M. Polymer , 2015 . 78 120 - 133 . DOI:10.1016/j.polymer.2015.09.070 . [百度学术]

Zhang G, Jiang L, Shen K, Guan Q. J App Polym Sci , 2015 . 71 ( 5 ): 799 - 804. [百度学术]

Wang Bo(王波). Plastics Science and Technology(塑料科技) , 2015 . 43 ( 6 ): 75 - 78. [百度学术]

Wang Kejian(王克俭), Cao Guorong(曹国荣), Yang Guangwei(杨光威), Liu Shuncheng(刘顺城). Polym Mater Sci Eng(高分子材料科学与工程) , 2018 . 34 ( 2 ): 88 - 92. [百度学术]

Park H S, Dang X P. Procedia Manuf , 2017 . 10 48 - 59 . DOI:10.1016/j.promfg.2017.07.020 . [百度学术]

Zhai Ming(翟明), Gu Yuanxian(顾元宪), Shen Changyu(申长雨). Acta Polymerica Sinica(高分子学报) , 2003 . ( 1 ): 35 - 38 . DOI:10.3321/j.issn:1000-3304.2003.01.007 . [百度学术]

Guerrier P, Tosello G, Hattel J H. Cirp J Manuf Sci Technol , 2017 . 16 12 - 20. [百度学术]

Tao Siping(陶四平), Fu Xiaorong(付晓蓉), Yang Mingbo(杨鸣波), Yu Ruize(于润泽). Acta Polymerica Sinica(高分子学报) , 2005 . ( 1 ): 8 - 13 . DOI:10.3321/j.issn:1000-3304.2005.01.003 . [百度学术]

Zhou H, Zhang Y, Wen J, Cui S. P I Mech Eng B-J Eng , 2010 . 224 ( 4 ): 653 - 662 . DOI:10.1243/09544054JEM1407 . [百度学术]

Huang Xian(黄先). China Plastics Industry(塑料工业) , 2011 . 39 ( 7 ): 50 - 52. [百度学术]

Li Jinguo(李金国), Li kang(林康), Huang Xiaoliang(黄小良), Guo Mei(郭梅), Jin Mingyu(金明宇). China Plastics Industry(塑料工业) , 2012 . 40 ( 12 ): 54 - 58 . DOI:10.3969/j.issn.1005-5770.2012.12.013 . [百度学术]

Shen Kaizhi(申开智). China patent, B29C45/27, CN1507999. 2002-12-13

[百度学术]

Peydró M A, Parres F, Crespo J E, Juárez D. J Appl Polym Sci , 2015 . 120 ( 4 ): 2400 - 2410. [百度学术]

Xian Z S, Ming H, Zhen F Z, Chang Y S. Adv Mater Res , 2011 . 189-193 2103 - 2106. [百度学术]

Wu Qihua(吴其晔), Wu Jingan(巫静安). Polymer Rheology(高分子材料流变学). 2^nd edition. Beijing(北京): Higher Education Press(高等教育出版社), 2015. 244 – 245

[百度学术]

Yin X, Chen C, Zhong G J, Xu L, Tang J H, Ji X, Hsiao B S, Li Z M.. J Phys Chem B , 2011 . 115 ( 23 ): 7497 - 7504 . DOI:10.1021/jp1118162 . [百度学术]

Ma Lihua(马丽华), Sheng Lijun(盛利军), Zhang Zhen(张振), Teng Yan(滕岩). Eng Plast Appl(工程塑料应用) , 2014 . ( 7 ): 127 - 131 . DOI:10.3969/j.issn.1001-3539.2014.07.029 . [百度学术]

Li J, Nie Y J, Yu M, Hu W B. Chinese J Polym Sci , 2013 . 31 ( 11 ): 1590 - 1598 . DOI:10.1007/s10118-013-1354-0 . [百度学术]

SOMANI, Rajesh H, Yang L, Zhu L, HSIAO, Benjamin S. Polymer , 2005 . 46 ( 20 ): 8587 - 8623 . DOI:10.1016/j.polymer.2005.06.034 . [百度学术]

Graebling D, Muller R, Palierne J F. Macromolecules , 1993 . 26 ( 2 ): 320 - 329 . DOI:10.1021/ma00054a011 . [百度学术]

Zhou S Y, Niu B, Xie X L, Ji X, Zhong G J, Hsiao B S, Li Z M. ACS Appl Mater Interfaces , 2017 . 9 ( 11 ): 10148 - 10159 . DOI:10.1021/acsami.7b00479 . [百度学术]

Keum J K, Burger C, Zuo F, Hsiao B S. Polymer , 2007 . 48 ( 15 ): 4511 - 4519 . DOI:10.1016/j.polymer.2007.05.057 . [百度学术]

摘要

Abstract

To realize the intelligent precision manufacturing of oscillating packing injection molding (OPIM)

the whole process of OPIM was creatively simulated by computer-aided technology

Moldflow. In the process of simulation

the model was built as a dumbbell-shaped tensile spline and the complex dynamic fluctuating flow field caused by reciprocating piston motion in packing stage was initially emulated by the Dynamic feed system. According to complex changes of temperature

pressure and extra shear field

cross WLF model were selected as the constitutive laws for HDPE in this study. The melt flow distribution

variation of the melt temperature and shear field in sample were investigated in OPIM simulation

meanwhile the results were also compared with those of conventional injection molding (CIM) simulation. The results show that

in the OPIM process

HDPE melts could repeatedly pass through the cavity at lower viscosity by the strong reciprocating motion of pistons

creating the temperature gradient at the thickness direction and forming a strong shear field

thus inducing the molecular chains to straighten and further form the shish-kebab structures. Finally

The real morphology and structure of OPIM and CIM samples were characterized by 2D-WAXD、SEM. The results show a higher orientation and more shish-kebab structure in OPIM compared with those in CIM. Melt flow traces observed by microscopy confirmed the multiple melt flow under the action of pistons in cavity. The simulation results are in good agreement with our experiment results. Finally

this article provide the theoretical OPIM process window for high-performance sample processing and new simulation ideas for special injection moldings additional external force field.

关键词

动态保压注塑成型(OPIM)Dynamic feed皮芯结构剪切分布保压阶段模拟

Keywords

Oscillating packing injection molding (OPIM)Dynamic feedSkin-core structureSimulation of packing stageShear rate distribution

references

Li Jing(李静). China Plastics Industry(塑料工业) , 2017 . 45 ( 2 ): 21 - 23, 28 . DOI:10.3969/j.issn.1005-5770.2017.02.005http://doi.org/10.3969/j.issn.1005-5770.2017.02.005 .

Liao Zhengpin(廖正品). China Plastics Industry(塑料工业) , 2002 . 30 ( 4 ): 1 - 6 . DOI:10.3321/j.issn:1005-5770.2002.04.001http://doi.org/10.3321/j.issn:1005-5770.2002.04.001 .

Zhang Z C, Deng L, Lei J, Li Z M. Polymer , 2015 . 78 120 - 133 . DOI:10.1016/j.polymer.2015.09.070http://doi.org/10.1016/j.polymer.2015.09.070 .

Zhang G, Jiang L, Shen K, Guan Q. J App Polym Sci , 2015 . 71 ( 5 ): 799 - 804.

Wang Bo(王波). Plastics Science and Technology(塑料科技) , 2015 . 43 ( 6 ): 75 - 78.

Wang Kejian(王克俭), Cao Guorong(曹国荣), Yang Guangwei(杨光威), Liu Shuncheng(刘顺城). Polym Mater Sci Eng(高分子材料科学与工程) , 2018 . 34 ( 2 ): 88 - 92.

Park H S, Dang X P. Procedia Manuf , 2017 . 10 48 - 59 . DOI:10.1016/j.promfg.2017.07.020http://doi.org/10.1016/j.promfg.2017.07.020 .

Zhai Ming(翟明), Gu Yuanxian(顾元宪), Shen Changyu(申长雨). Acta Polymerica Sinica(高分子学报) , 2003 . ( 1 ): 35 - 38 . DOI:10.3321/j.issn:1000-3304.2003.01.007http://doi.org/10.3321/j.issn:1000-3304.2003.01.007 .

Guerrier P, Tosello G, Hattel J H. Cirp J Manuf Sci Technol , 2017 . 16 12 - 20.

Tao Siping(陶四平), Fu Xiaorong(付晓蓉), Yang Mingbo(杨鸣波), Yu Ruize(于润泽). Acta Polymerica Sinica(高分子学报) , 2005 . ( 1 ): 8 - 13 . DOI:10.3321/j.issn:1000-3304.2005.01.003http://doi.org/10.3321/j.issn:1000-3304.2005.01.003 .

Zhou H, Zhang Y, Wen J, Cui S. P I Mech Eng B-J Eng , 2010 . 224 ( 4 ): 653 - 662 . DOI:10.1243/09544054JEM1407http://doi.org/10.1243/09544054JEM1407 .

Huang Xian(黄先). China Plastics Industry(塑料工业) , 2011 . 39 ( 7 ): 50 - 52.

Shen Kaizhi(申开智). China patent, B29C45/27, CN1507999. 2002-12-13

Peydró M A, Parres F, Crespo J E, Juárez D. J Appl Polym Sci , 2015 . 120 ( 4 ): 2400 - 2410.

Xian Z S, Ming H, Zhen F Z, Chang Y S. Adv Mater Res , 2011 . 189-193 2103 - 2106.

Wu Qihua(吴其晔), Wu Jingan(巫静安). Polymer Rheology(高分子材料流变学). 2nd edition. Beijing(北京): Higher Education Press(高等教育出版社), 2015. 244 – 245

Yin X, Chen C, Zhong G J, Xu L, Tang J H, Ji X, Hsiao B S, Li Z M.. J Phys Chem B , 2011 . 115 ( 23 ): 7497 - 7504 . DOI:10.1021/jp1118162http://doi.org/10.1021/jp1118162 .

Ma Lihua(马丽华), Sheng Lijun(盛利军), Zhang Zhen(张振), Teng Yan(滕岩). Eng Plast Appl(工程塑料应用) , 2014 . ( 7 ): 127 - 131 . DOI:10.3969/j.issn.1001-3539.2014.07.029http://doi.org/10.3969/j.issn.1001-3539.2014.07.029 .

Li J, Nie Y J, Yu M, Hu W B. Chinese J Polym Sci , 2013 . 31 ( 11 ): 1590 - 1598 . DOI:10.1007/s10118-013-1354-0http://doi.org/10.1007/s10118-013-1354-0 .

SOMANI, Rajesh H, Yang L, Zhu L, HSIAO, Benjamin S. Polymer , 2005 . 46 ( 20 ): 8587 - 8623 . DOI:10.1016/j.polymer.2005.06.034http://doi.org/10.1016/j.polymer.2005.06.034 .

Graebling D, Muller R, Palierne J F. Macromolecules , 1993 . 26 ( 2 ): 320 - 329 . DOI:10.1021/ma00054a011http://doi.org/10.1021/ma00054a011 .

Zhou S Y, Niu B, Xie X L, Ji X, Zhong G J, Hsiao B S, Li Z M. ACS Appl Mater Interfaces , 2017 . 9 ( 11 ): 10148 - 10159 . DOI:10.1021/acsami.7b00479http://doi.org/10.1021/acsami.7b00479 .

Keum J K, Burger C, Zuo F, Hsiao B S. Polymer , 2007 . 48 ( 15 ): 4511 - 4519 . DOI:10.1016/j.polymer.2007.05.057http://doi.org/10.1016/j.polymer.2007.05.057 .

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