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对长纤维增强热塑性塑料注射成型过程的模拟,使其能够预测复杂的纤维行为,因此可以用于研究螺杆类型的影响。

 

近年来,对绿色、轻质材料技术的需求不断增长,尤其是在汽车应用领域。例如,长/短纤维增强热塑性塑料(FRTs)已经取代了某些金属部件,因为它们明显更轻便。此外,与其他注塑产品相比,因为其微观结构(如方向、长度和浓度),FRTs可以大大提高机械性能。

特别是长纤维增强热塑性塑料(LFRTs)已成为轻量化应用最受欢迎的材料之一。在LFRT中,纤维组织对增强复合材料的力学性能起着至关重要的作用。然而,对纤维性能(即提高材料的强度)的完全控制是很难的,因为基体中纤维的微观结构非常复杂。此外,当在注塑成型过程中使用LFRT作为制造材料时,注射成型螺杆的结构和操作会对残余纤维长度产生显著影响(这与过程导致的纤维长度的缩短成反比)。

然而,对LFRTs纤维断裂影响的机理尚不清楚。因此,我们研究了在注塑成型过程中使用不同的螺杆设计,并考虑了在塑化过程中,热塑性/纤维复合材料的纤维长度变化。具体地说,我们使用模拟来探究两种螺杆设计(常规的和屏障型)和两种类型的纤维(玻纤和碳纤维)。

对于常规螺杆,见图1(a)和(b) -有三个区段:喂料段、压缩段和计量段。进料段是物料进入螺杆的点。然后,这些材料被强迫进入较小的压缩段,在那里它承受外部加热,并受到越来越多的剪切力的影响(由于压缩)。最后,在注入之前,熔体在计量段均匀化。在注塑成型过程中,我们在模拟中使用了以下设置:填充0.74s,填充3s,冷却10.6s。开启和关闭模具的时间是5s。因此,整个循环时间是19.3秒。对于注塑材料,我们模拟了使用SABIC的树脂(ABS Cycolac CGF20)。注塑成型机筒包括三个区域,温度为225°C、235°C、分别和245°C。螺杆每分钟100转,行程34.91毫米。最初的纤维长度是13mm,我们假设材料是从螺丝的料斗里掉入树脂中。挡板螺杆几何设计如图2所示,与普通螺杆相似。两个螺丝的主要区别是受压区的结构。一般来说,挡板螺丝能提供更好的塑化和混合效率。

 


图1  图示螺杆设计,用于注塑成型。(a)图,说明常规螺杆的不同截面:喂料段(I)、熔融段(II)和计量段(III). d1:进给区通道深度。d2:测量区的通道深度。(b)常规螺杆设计示意图。11D、6.5D和4.5D代表螺杆的长径比(即:该段的长度分别为11、6.5和4.5倍,分别为喂料、压缩和计量段。D:36毫米。在喂料段和计量段流道的深度是不变的,但在不同的熔融段是变化的。

图2 压缩比为7.2/3.0的屏障螺杆的原理图;D:36毫米。

 

为了研究这些螺杆的设计如何影响纤维长度,当物料流过流道时,我们根据一些理论模型进行了数值模拟(使用Moldex3D)。特别是在注塑成型模拟中,我们使用了Phelps–Tucker纤维断裂模型。在纤维残余长度被预测后,我们进一步将纤维微观结构(包括方向、长度和密度)的细节进一步整合到Moldex3D中,以确定微观结构对最终注射制品特性的影响。

我们的研究结果表明,在常规螺杆(填充玻璃纤维)的操作方向上,剪切速率对纤维长度的影响如图3所示。这些仿真结果表明,当塑料流动从加料段到压缩段,剪切率显著增加。然后高剪切速率将一直保持到计量段的末端,因为通道深度与压缩部分结束时相同。对于普通的螺杆,我们发现在计量段,26%的纤维长度被破坏,在压缩段是19.2%,加料段是15%。结果表明,由于其对注塑成型过程中纤维长度的影响,螺杆设计是考虑的一个重要因素。

 

 

图3,在常规螺杆(螺杆1)的输送方向上剪切速率的变化和纤维长度的变化仿真结果。LW:重均纤维长度。R:剪切速率。

图4 对常规和障碍螺钉的剪切速率变化进行了仿真计算。SR:剪切率。

 

此外,我们还研究了常规和屏障螺杆在螺杆输送方向上的剪切速率变化:如图4所示。一般来说,屏障螺杆的剪切速率变化与普通螺杆相似。在屏障螺杆中,最高的剪切速率发生在类似的区域,但剪切力要高得多。图5(a)和(b)所示为不同螺杆设计的螺杆输送方向的平均纤维长度。我们的结果表明,纤维在屏障螺杆(从加料段到计量段)的断裂更早更严重,从而减小纤维长度。

 


图5 (a)对不同螺杆设计的螺杆的工作方向的算数平均纤维长度(LN)的模拟结果。(b)在(a)中显示的红色虚线框的放大图。

 

图6 (a)玻璃纤维和(b)碳纤维的纤维长度分布的仿真结果。

 

为了进一步研究纤维断裂的行为,我们通过Patcharaphun和Opaskornkul的结果验证了我们的模拟结果,并发现它们有很好的一致性。然后我们模拟了两种不同的纤维类型(玻纤和碳纤维)在螺杆中的塑化。在常规螺杆末端的纤维长度分布(FLD)如图6所示。虽然玻璃纤维的平均纤维长度大于碳纤维的长度,但碳纤维的峰值却更高。这一发现与陈等人的观察一致。

综上所述,我们通过仿真研究了两种不同螺杆类型的纤维行为。对于传统的注射成型的三段式螺杆,我们发现纤维的断裂每一段都有发生,但是在压缩和计量段会发生更严重的断裂。使用屏障螺杆设计是提高熔融过程的有效方法,但更大的压缩比(较高的剪切速率)会破坏纤维的残余长度。事实上,我们发现,通过屏障螺杆系统注射成型的LFRTs的纤维长度比常规的螺杆系统要短10%。我们还研究了两种纤维的纤维断裂现象。我们的发现与最近其他研究报告的实验结果一致。在我们未来的工作中,我们打算研究LFRT的微观结构与注塑成型部件的翘曲之间的关系。

 

作者信息

Chao-Tsai Huang
Tamkang University

Chao-Tsai Huang is an assistant professor, and received his PhD in chemical engineering from Washington University in St. Louis, Missouri. In recent years, he has focused on special injection-molding technologies—including hot runner, conformal cooling, and microcellular foam injection molding, and multi-component molding (e.g., over-molding and co-injection)—as well as FRTs, and variotherm technology.

 

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