气体辅助注射成型的优化设计——多气体注入系统.doc

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
IndustrialMaterialsInstitute,NationalResearchCouncilCanada,75,DeMortagne.Boucherviile.Que..J4B6Y4.Canada
Received21December1995

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

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；（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（Governingequations）
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。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-Shawflow），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，ρ为密度，Cp为比热，k为热导率，Φ代表粘性耗散。
一维的能量