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大連交通大學2017屆本科生畢業(yè)設計（論文）外文翻譯
加工條件對注射成型收縮的影響
K. M. B.揚森，D.范戴克，M. H.HUSSELMAN
特文特大學
機械工程系
恩斯赫德，荷蘭
對7種常見的熱塑性聚合物進行了加工條件對模具收縮的影響的系統(tǒng)研究。然后得之，壓力是關鍵參數(shù)。熔體溫度的影響并不是那么重要。注射的速度和模具的溫度對于所有聚合物都沒有顯示出一般趨勢。這已經(jīng)表明，至少對于無定形聚合物，簡單的熱彈性模型可以描述所有的實驗結(jié)果。對于半結(jié)晶材料，該模型過度預測了收縮。
引言
本文的目的首先是介紹加工條件對成型產(chǎn)品尺寸影響的系統(tǒng)研究結(jié)果。 第二個目標是表明出所有的收縮數(shù)據(jù)通過一個簡單方程完美的表述了收縮與局部壓力的歷史相關聯(lián)。 該研究使用七種普通樹脂，即PS，ABS，HIPS，PC，PBT，PBT-GF30和HDPE，并且系統(tǒng)地改變保持壓力、注射速度、模具溫度和熔體溫度。
一般來說，我們可以看出注射成型中的三種收縮方式：模內(nèi)收縮（在極端情況下可能出現(xiàn)的加工過程中的收縮），模制收縮（剛開模后的收縮率，有時稱為“模具收縮率” ）和收縮后（作為物理老化、再結(jié)晶等存儲期間的時間效應）。 在這里，我們將重點放在成型收縮，簡而言之，關于收縮后效應，模內(nèi)收縮在其他地方詳細討論（1）。
在過去的表格或圖中（2）用于校正模具設計過程中的產(chǎn)品收縮。然而，隨著對產(chǎn)品公差的要求越來越高，需要更多的準確信息。 最近的實驗研究表明，注塑產(chǎn)品的成型收縮受加工參數(shù)以及模具幾何影響（3-24）。所有研究得出結(jié)論，壓力是影響收縮的最重要參數(shù)。 較高的保壓壓力設置可以減少所有方向的部件收縮。 第二個最重要的參數(shù)是注射溫度（3-7）。 通?？梢钥吹皆黾幼⑸錅囟纫詼p少收縮（因為更好的壓力傳遞）。 一些作者報道，隨著模具溫度的增加，收縮率增加（3,4,6,8），而另外一些則得出不同的結(jié)論（5,9）。 增加保持時間總是減少收縮，直到在澆口凍結(jié)時間（3，4，10，11）發(fā)生平衡。
在大多數(shù)研究中，考慮了矩形板或拉伸筋。 例外是中心澆口圓盤模具（12,13），箱模具（14）和帶有孔（15,16）的平板。 在少數(shù)情況下，幾何被認為是一個變量（17-19）。 幾何可能會以兩種方式影響收縮。 首先，幾何形狀可能會影響流動，從而導致收縮各向異性的取向效應（無論是孿晶相，結(jié)晶相還是填料顆粒）。 第二，幾何約束（肋，凸起等）影響收縮邊界條件。 這些影響在別的地方討論（1,10,13,17,18,20-22）。
沿流路的收縮變化通常與局部腔壓力直接相關（3,11,17,18,20）。對于半結(jié)晶PP（3,20）和PA（17,20），其長度和寬度收縮變化不同。在大多數(shù)情況下，寬度收縮率略大于長度收縮率，唯一的例外是托馬斯對PP（20）的測量，其中靠近門長收縮率大于寬度收縮率，并且遠離門極，反之亦然。 Shay等（17）報道，對于無定形聚碳酸酯，可以檢測長度和寬度收縮率之間的差異。對于填充纖維的樹脂，總是報告流動方向上的收縮與寬度方向（寬度）之間的大的差別（例如，6,18,19,23）。典型的長度收縮值總是接近0.2％，而橫向收縮率接近未填充樹脂的收縮率。與平面內(nèi)收縮相反，在文獻中令人驚訝的是在厚度收縮測量之間沒有一致。對于類似的成型條件，一些作者報告了與平面內(nèi)收縮相同數(shù)量級的厚度收縮率（20），而另外一些則提到厚度收縮率比長度和寬度收縮率大（而且在某些情況下相反） 10-12,19,24）。這些觀察結(jié)果的可能解釋是壓縮聚合物的彈性膨脹是由于腔體壓力（9,10,22），填料（10,11,22,24）中的模具的彈性變形，在高壓力下閃爍（12），較厚的條（19）中形成的空隙或厚度方向（6）上的更大的熱梯度。實際上，厚度收縮最可能由前三種效應的組合決定。
在大多數(shù)研究中，生產(chǎn)后24和48小時之間測量收縮（25）。然而，眾所周知，由于物理老化或重結(jié)晶作用，收縮期間（緩慢地）收縮（5,8,26,27）。由于這些是自我延遲的過程，收縮必須與時間的對數(shù)成正比（26）。
作為處理影響收縮的參數(shù)的第一個嘗試，采用統(tǒng)計分析方法根據(jù)有限數(shù)量的實驗的收縮數(shù)據(jù)構(gòu)建經(jīng)驗擬合函數(shù)（3,5,8,20）。很明顯，通過這種方法，預測僅限于具體的測試幾何和測試窗口。此外，這種“模型”沒有任何物理意義，難以用于解釋。
嘗試了解注射成型收縮的一個更好的方法是將模具視為封閉空間，設置材料平衡，并計算模具中積聚的質(zhì)量。然后從pvT圖（7,12,24）得到體積收縮率。一般來說，這些模型使用Tait樣方程與計算的溫度和壓力歷史相結(jié)合，以獲得最終體積產(chǎn)品收縮率。該方法的缺點是在流動，橫向和厚度方向的收縮之間不能區(qū)分。然而，實際上，眾所周知，厚度收縮率可以比面內(nèi)收縮大5至10倍，并且由于填料或結(jié)晶效應，流動和橫向收縮可能不同。商業(yè)代碼如MoldFlow和C-Mold從熱應力分布計算后處理步驟中的收縮。他們可能忽略壓力引起的應力，因此也是下一節(jié)中概述的凝固壓力項。這可能是預測和測量的收縮之間經(jīng)常令人驚訝的大的差異的可能原因（例如，12,14,15,17）。
最近提出了三種收縮模型。 Jansen和Titomanlio（22,28）提出了一個簡單的熱彈性模型，考慮了壓力效應和泊松膨脹對厚度收縮的影響，但忽略了粘彈性效應。其平面內(nèi)收縮的最終方程與Kumazawa（4）提出的半經(jīng)驗模型相似。收縮預測的完整粘彈性理論由Bushko和Stokes（21,29）給出，然而本文討論了熱彈性模型。
理論
在熱彈性模型中探索的想法是，在凝固過程中，不會發(fā)生松弛和蠕變，并且一旦溫度降到凝固溫度以下，應力開始積聚。在凝固期間被抑制收縮的產(chǎn)品將由于熱和結(jié)晶收縮而產(chǎn)生拉伸應力。此外，應考慮壓力影響。在壓力下固化的層相對于大氣條件被壓縮。如果噴射后自由膨脹，則會在凝固過程中與壓力成比例地膨脹（表示為[P.sub.s]）。由于所有層都在不同的壓力下固化，所以產(chǎn)品與間隙平均凝固壓力成比例膨脹，[數(shù)學表達式省略]。這種效應可能平衡甚至超過熱和結(jié)晶效應。分別表示為[S.sub.x]，[S.sub.y]和[S.sub.z]的局部平面內(nèi)和厚度收縮，可以表示為（22,28）
和
這里[α]和[β]代表線性膨脹和壓縮性，凝固溫度[T.sub.s]（[T.sub.g]或[T.sub.m]），[忽略了數(shù)學表達式]和[C.sub.cr] =（[[S]] - [[R]]] / 3 []]]的最大值結(jié)晶收縮。方程式清楚地顯示了平均局部壓力平衡對熱和結(jié)晶收縮的膨脹效應。注意，等式2中的第二項在每個層的凝固時刻（表示為[t.sub.sz]）和噴射時刻[t]之間進行評估。因此，厚度收縮方程式包含與剛剛排出前的壓力成比例的項，并考慮到由于非壓力造成的材料膨脹。式2中的最后一項是模具變形項由剛度常數(shù)和閘門凍結(jié)壓力組成[22]。如果模量顯示出比厚度更強的變化，那么方程變得稍微復雜一些（23）。
實驗
實驗在具有標稱尺寸為120×300×2.4mm的膜門式矩形腔的175噸Engel注塑機上進行。模具配有三個壓力傳感器，分別為14mm（P1），150mm（P2）和286mm（P3），9個熱電偶。使用數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)記錄所有壓力，溫度和螺桿速度數(shù)據(jù)。在兩個半模之一上刻有覆蓋整個產(chǎn)品的10 mm寬的格柵。線厚度為約5 [μm]。用斯特拉斯曼移動顯微鏡仔細測量所有網(wǎng)格點之間的距離，并作為參考。然后獲得實驗收縮
單個長度測量之間的散射證明為大約15 [μm]。因此，30至50mm的參考距離將導致小于0.05％的收縮誤差，這被認為是我們目的可接受的。標準測量程序包括以傳感器P2（產(chǎn)品的中間）為中心的四個網(wǎng)格點的坐標和相隔50毫米的坐標。使用這些數(shù)據(jù)計算兩個長度和兩個寬度收縮值。對每個成型條件的3至5個產(chǎn)品重復該過程。最后，所有的收縮率平均得到每個成型條件的單一長度和寬度收縮值。所有產(chǎn)品儲存在23℃，50％RH的空調(diào)房間中，并在生產(chǎn)后兩天測量。對于一些產(chǎn)品，以增加的時間間隔重復測量以評估時間的收縮變化。
所使用的材料是四種無定形樹脂（PC，PS，ABS和HIPS）和兩種半結(jié)晶材料（PBT和HDPE），其中PBT也可用于30％玻璃填充級。材料列于表1中。在獲得可靠的熱膨脹系數(shù)和壓縮性系數(shù)的數(shù)據(jù)中，注意獲得可靠的[表1的表格數(shù)據(jù)]，因為這些數(shù)據(jù)顯然是該模型的關鍵參數(shù)以上。各種數(shù)據(jù)源之間的協(xié)議往往很差。事實證明，對于大多數(shù)材料來說，[α]和[β]的報告值的標準偏差約為實際值的10％。在表1中列出了平均值。在文獻數(shù)據(jù)不一致特別大的情況下，在我們自己的實驗室進行了額外的測量。可壓縮性的測量在含有硅油的壓力池和含有兩個應變儀的樣品中進行。考慮了壓力對應變計影響的校正（36）。
改變的加工條件是保持壓力（[P.sub.h]），螺桿速度（V），熔融溫度（[T]）和模具壁溫度（[T.sub.w]）。保持時間（[t.sub.h]）和冷卻時間（[t.sub.c]）保持恒定。所有條件列于表2中。每個參數(shù)的標準條件均加下劃線。
結(jié)果
流路的影響
為了檢查沿流路的收縮均勻性，測量長度和寬度的收縮率是PC，PS，PBT和HDPE與門的距離的函數(shù)。從圖中可以看出。如圖1所示，非晶材料PC和PS的收縮率沿流動路徑低且不變。不能檢測到顯著的各向異性效應。對于半結(jié)晶PBT，成型收縮率相當大，并且在流路附近從門附近的2.5％變化到3％。在門附近，長度收縮稍大于寬度收縮。對于HDPE，各向異性效應大得多且沿著流路變化。在門附近，長度收縮比寬度收縮大約1％，而在流動結(jié)束時反之亦然。請注意，這與Thomas對PP（20）的觀察結(jié)果相似。
表1.本研究中使用的材料及其一些特性（在環(huán)境條件下）。 TI數(shù)據(jù)來自于GMold數(shù)據(jù)庫。 cx和p的值是文獻數(shù)據(jù)的平均值（最重要的來源是27,3049。具有“*”的數(shù)據(jù)在我們的實驗室測量。 對于PBT-GWO，第一和第二值分別參考流量和橫向。
表2.實驗中使用的成型條件。 下劃線值請參閱標準設置。 上市壓力和速度是機器設置。 要獲得螺絲頭前面的實際壓力[Bar]，必須乘以11.67。熔體前沿速度通過乘積乘以6.818獲得。
成型條件的影響。
在圖3，所有非晶材料的收縮率作為加工條件的函數(shù)作圖。符號是指測量的長度（十字）和寬度（三角形）的縮小，而全部行表示計算的收縮率（將在下一節(jié)討論）?？梢宰龀鲆韵掠^察。首先，收縮率在0.4％和0.9％之間變化。第二個觀察結(jié)果是提高保持壓力和熔融溫度都會降低產(chǎn)品收縮率。注射速度和模具溫度對收縮影響不大。對于半結(jié)晶材料，情況略有不同?，F(xiàn)在包裝壓力似乎是對收縮影響最大的參數(shù)。所有其他參數(shù)沒有顯示明確的效果，正如其他研究報告（見上一節(jié)）。
玻璃纖維對收縮的影響
該效果在圖1中更詳細地示出。顯然，添加短玻璃纖維對長度收縮（從約3％至0.2％收縮率的下降）具有顯著的影響。此外，對寬度收縮的影響是相當大的（減少約0.7％）。接下來，我們看到保持壓力僅影響寬度收縮，而長度收縮率不受保持壓力的影響。注射速度對寬度收縮影響很小，對纖維增強PBT的長度收縮影響很小。
后成型收縮
收縮變化記錄在最少四十年的時間內(nèi)，從生產(chǎn)20分鐘開始。時間的收縮變化（通常約0.01％/十倍）顯示在下表3中。在PBT和PBT-GF30的情況下，記錄重量，以確保在儲存期間不會吸收水分。
熱塑性模型的驗證
收縮預測通過使用等式為了避免壓力計算中的誤差掩蓋了方程1的驗證，我們決定使用測量的壓力分布來計算凝固壓力[P.sub.s]（Z）（來自P（t）和[z.sub.s]（t））。在這樣做的時候，一個隱含地考慮到包裝過程中質(zhì)量流量的影響。收縮計算的重點在于實際的腔體壓力。
通過數(shù)值求解包括對流和耗散效應但忽略結(jié)晶效應的二維熱問題得到固化層生長[z.sub.s]（t）。壁溫和熱參數(shù)被認為是恒定的。熱參數(shù)列在表4中。對于所有實驗，僅使用一個結(jié)晶度值，因為間隔平均結(jié)晶度與處理條件沒有太大變化（37）。
或者，固化層生長可以從以下分析近似得到（38）
這里表示無量綱時間，是Biot數(shù)，無限在這里事實上，事實證明，使用公式5而不是數(shù)字獲得的層增長導致計算的收縮率只有微小的變化。
計算的收縮的結(jié)果包括在圖1和2中。 3和4作為實線。事實證明，對于無定形材料，計算的收縮幾乎完全對應于所有實驗條件的測量收縮率數(shù)據(jù)。對于半結(jié)晶材料，對應關系較差，而且收縮過度預測。此外，收縮預測不遵循隨著持續(xù)壓力和注射速度增加的實驗觀察趨勢。
討論
主要觀察結(jié)果是，這里考慮的簡單熱彈性模型很好地預測了無定形材料的收縮?？梢灶A測，隨著這些數(shù)據(jù)模具收縮率的事實清楚地證明，玻璃化轉(zhuǎn)變范圍中的最終松弛現(xiàn)象對最終的收縮沒有任何影響。因此，我們現(xiàn)在可以說，對于無定形材料，模具收縮現(xiàn)象是很好理解的。
圖1。測量面內(nèi)收縮變化沿流道三材料。交叉和三角形分別是指長度和寬度的收縮。
圖表二：測量的高密度聚乙烯沿流路的面內(nèi)收縮變化。橫向和三角形分別指長度和寬度收縮率。
表3。在本研究中考慮的所有材料的標準條件的時間收縮率% / %。
表4。熱性能和結(jié)晶材料的參數(shù)。
1）FMM DSC分別是142和99 J / g
2）FMM密度測量。
對加工條件對收縮的影響
圖表三：在平面收縮作為一個函數(shù)處理參數(shù)為四的非晶材料。十字架和三角形指長度和寬度分別繪制的線收縮，完全對應的預測根據(jù)圖1。
圖4：跟圖3一樣。但是現(xiàn)在對于的半結(jié)晶材料，全短虛線無符號指根據(jù)圖1長度和寬度的收縮預測。
工藝條件對收縮率的影響
圖5：在未填充PBT（虛線）和30%玻璃纖維填充PBT（虛線內(nèi)襯）左平面收縮：包裝壓力的影響：
右：注射速度的影響。
老化條件：23℃，50%濕度。對于半晶體材料，情況是不同的。雖然該理論旨在處理結(jié)晶相的收縮，但是這里所采用的方法顯然不能導致令人滿意的收縮預測?；叵胍幌?，由于使用實際的保持壓力來計算收縮，因此隱含地校正了通過結(jié)晶的額外質(zhì)量流量對收縮的可能影響。因此，必須找到不同的解釋。通過檢查收縮與壓力圖可以獲得一些洞察力。通過外推到零保壓，可以獲得在環(huán)境壓力下固化的板坯的收縮率的估計。通過與公式1進行比較，顯然這應該對應于熱收縮和結(jié)晶術語。另一方面，收縮對壓力曲線的斜率與線性壓縮率成比例[β]。對于未填充的PBT，例如，熱收縮和結(jié)晶貢獻似乎預估的很正確，然而壓縮性可能太小。事實上，如果線性壓縮率將是十倍以上，則可以獲得對所有成型條件的極好適合性。
我們有理由相信，對于大多數(shù)使用結(jié)晶材料的實驗，產(chǎn)品并沒有保持固定在模具中，并在完全凝固之前開始收縮。然而，在導致方程式1的推導中，產(chǎn)品被認為保持固定。因此，預期受限產(chǎn)品的實驗應該產(chǎn)生更接近預測的收縮結(jié)果?；蛘?，可以使用模內(nèi)收縮分析（1,22）來獲得更可靠的預測。
此外，對于纖維填充PBT，寬度收縮的壓力項被低估。對于長度收縮，另一方面，測量的可壓縮性是正確的，但現(xiàn)在初始值被高估了。這個過高估計的最可能的原因是對于結(jié)晶術語來說太大的價值，因為熱收縮要小得多并且比較好理解。實際上，沒有理由（剪切誘導）結(jié)晶不應該引起各向異性收縮，就像其他膨脹項一樣。當然這是三個獨立方向測量結(jié)晶收縮的實際問題。另外一個并發(fā)癥是纖維最可能增強剪切誘導結(jié)晶（39）。
考慮到表3中的后成型收縮率，我們觀察到所有收縮率都相對較小。例如，聚碳酸酯樣品在生產(chǎn)后的第一天和100天后經(jīng)歷額外的收縮率僅為0.01％。聚碳酸酯和聚苯乙烯的數(shù)據(jù)與Greiner等人很好地對應。（27）在室溫下報告與PC相比，PS的體積收縮率是三倍。 PBT-GF30的寬度收縮負數(shù)落在測量不確定度之內(nèi)。 HDPE長度和寬度收縮之間的相當大的差異最可能與重結(jié)晶效應有關。
結(jié)論和未來的工作
注塑產(chǎn)品的收縮受保持壓力和熔體溫度的影響最大。這些參數(shù)的增加導致收縮減少。注射速度和模具溫度對收縮的影響要小得多，對于每種材料都是不同的。在這里使用簡單的熱彈性模型來解釋測量結(jié)果被認為可以為所有無定形材料提供高度可靠的預測，而沒有任何可調(diào)參數(shù)。對于半結(jié)晶材料，收縮率過度預測，這都歸因于模內(nèi)收縮效應。
致謝
作者承認PTN的財務支持，陶氏化學公司和飛利浦Drachten善意地提供大部分材料。特別感謝Gerard Semmekrot，Ze Cunha，Kees Bos，Marco Freriksen和Hendrik de Vries，他們都為這個項目做出了貢獻。 Remko Akkerman和Krista Bouma分別對數(shù)值計算和DSC測量的幫助表示贊賞。
參考文獻
1. K. M. B. Jansen, G. Titomanlio and R. Pantani,In-Mold Shrinkage Measurements of PS Samples WithStrain Gauges," Intern Poolym,proc.,XII, 4 (1997).
2. D. Rosato and D. Rosato,Iyection Molding Handbook,2nd ed., p. 484, Chapman and Hall, London (1995).
3.A.MamatetaL,PolyrnErg..Sci,35,1511(1995).
4. H.Kumazawa, SPEANTEC Tech Papers,40,817 (1994).
5. M.F. Bain et aL, SPE ANTEC Tech Papers, 38,977(1992).
6. P.Delbarre et aL, SPEANTEC Tech Papers, 37,301(1991).
7. A.I.Isayev and T.Hariharan,Polyrn Eng. Sci., 25, 271(1985).
8. M.R Nagy, SPEANTECTech Papers,39,2155 (1993).
9. C.Liu and L.T. Manzione. Polyrn.Eng.Sci. 36.1(1996）
10. K. M. B. Jansen, G. Titomanlio, and R. Pantani, Polyrn Eng. Sci, 38,254 (1998).
11. V.Leo and C. H. Cuvelliez, Fblyrn Eng. Sd, 36, 1961 (1996).
12. C. A. Heiber et aL. SPEANIEC Tech Papers, 37, 259(1991）
13. L. P. Herbert et d, SPEANIEC Tech Papers, 37, 430（1991）
14. S. J. Ni and K. K. Wang, SPEANIEC Tech Papers, 39,612（1993）
15. A. G. Gennari, SPE AIWEC Tech Papers,39,3436（1993）
16. G Burke and D. Kazmer, SPE AhTECH Tech Papers.（1992）
17. R.M.Shay et aL, Proc. RETEC (Nov.1995).
18. H. Flies, Kunststofle, 84, 1710 (1994).
19. C.S.Lee and A. Dubin, SPE Tech Papers, 36,375（1990）
20. R. Thomas and N. McCa!Tery SPEAhTEC Tech Papers.35,371 (1989).
21. W. Busko and V. K. Stokes, SPE AI\ITEC Tech Papers,41, 484 (1995).
22. G. Titomanlio and K. M. B. Jansen, PoZyrn Erg. Sci.,36,2041 (1996).
23. K. M. B. Jansen. D. J. van Dijk. and M. J. A. Freriksen,"Shrinkage Anisotropy in Fiber reinforced InjectionMolded Products," Fblyrn Compos., in preparation.
24. T. W. Schmidt, PhD thesis, RWH Aachen. Germany(1987).
25. Annual Book of ASlM Standards, Designation D995-89.Vol. 8.01 (1989).
26. L. C. E. Struik, Internal Stresses, Dimenswnal StabiLitiesand Molecular Orientations in Plastics, p. 177, Wdey and Sons, Brisbane (1990).
27. R. Greiner and F. R. Schwarzl. Rheol. Acta, 23, 387(1984).
28. K. M. B. Jansen and G. Titomado. Polym. Eng. Sci.36, 2029 (1996).
29. W. Busko and V. K. Stokes, Pow Eng. Sci, 35, 351(1995).
30. C-Mold 4.0 data.
31.VDMA, Kenndaten fuer die Verarbeitung Thermoplastischer Kunststoffe: hermodynamik, Hanser Verlag,Munich (1986).
32. P.Zoller and Walsh, Standard Pressure-Volume-Temperature Datafor Polymers, Technomic Publishing Company,kincaster, Pa.(1995).
33. J. Brandrup and E. H. Immergut. PoZymer Handbook,Wiley and Sons, New York (1989).
34. E.Moore,ed.,Styrene Polymers, Wiley and Sons (1989).
35. H.Domininghaus, Die Kunststoffe und ihre EigenschJen VDI Verlag, Dfisseldorf, Germany (1992).
36. K.M.B.Jansen, Experin Mech, (in press).
37. H. W. J. de Vries, Master's thesis (1996).
38. K. M. B. Jansen, Int. J. Heat Mass Thnsf@, 38. 309
39. B.Monasse,J.Mater.Sci,27,6047 （1992）
1997年2月5日收到
七月修訂1997