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應用熱工程 對聚合物的溫度和凝固冷卻系統(tǒng)在注射成型的影響 哈姆迪哈桑 尼古拉斯雷尼爾 塞德里克雷伯特 西里爾等人著 摘要 冷卻系統(tǒng)的設計是通過注塑成型塑料制品業(yè)極為重要因為它是重要的不僅 是為了減少成型周期時間也顯著影響產(chǎn)品顯著意義及產(chǎn)品的生產(chǎn)率和質量 進 行塑料部件具有四 T 型結晶器冷卻通道的數(shù)值模擬 一個循環(huán)瞬態(tài)冷卻分析采 用有限體積法進 模具的冷卻研究的目的是確定溫度沿腔壁以提高冷卻系統(tǒng)的 設計 冷卻通道的形成及其對溫度的模具和凝固陽離子聚合度的分布位置的影 響的影響 提高生產(chǎn)性的過程中 冷卻時間應盡量減少同時均勻冷卻應為產(chǎn)品 的質量是必要的 結果表明 冷卻系統(tǒng) 導致最小的冷卻時間不在模具實現(xiàn)均 勻冷卻 1 介紹 塑料工業(yè)是當今世界上發(fā)展最快的行業(yè)之一 列為數(shù)十億美元的產(chǎn)業(yè) 注 塑件的需求逐年增加 塑料注射成型過程是眾所周知的最有效及高效經(jīng)濟地生 產(chǎn)制造技術的各種形狀和低成本 1 幾何形狀復雜的精密塑件 塑料注射成型過 程是一個循環(huán)的親塞斯在聚合物注入模具型腔 和固化 形成一個塑料部分 有三個重要的階段 在每個斜面賽揚 第一階段的鈴腔在注入高溫熔體熱聚合 物 鈴和后鈴期 其次是帶走了聚合物的熱的冷卻通道 冷卻階段 最后凝 固部分彈出 射血期 冷卻階段是最重要的因為它的意義明顯影響了生產(chǎn)效率 和產(chǎn)品質量的 這是眾所周知的 比在注射成型過程中的周期時間的百分之七 十是花在冷卻熱聚體融化后地使部分可以彈出無任何意義傾斜變形 2 有效的 冷卻系統(tǒng)設計冷卻通道以減少周期時間必須盡量減少縮痕等缺陷 不均勻收縮 熱熱殘余應力組合和翹曲變形 后填滿型腔注塑成型和冷卻階段 熱熔融聚合 物接觸冷模壁 和一個固體層上形成壁 當物質冷卻下來 堅實的皮膚開始隨時間的冷卻 直到整個材料的凝固成 長 多年來 許多研究對優(yōu)化問題的冷卻系統(tǒng)布置在注塑成型工藝優(yōu)化及相變 已通過各種形式的研究和的聚焦強度在這些議題 將用于在我們的系統(tǒng)設計和 驗證的 3 6 本文的主要目的是研究的冷卻通道的位置和截面形狀對模具和聚 合物 溫度分布的影響 因此 他們對凝固陽離子度的聚合物的影響 一個短 暫的模具冷卻分析使用一個 T 形塑料模具與類似尺寸 5 的有限體積法進行的 如圖 1 所示 不同的冷卻通道的位置和形式的研究 圖 1 2 數(shù)學模型 熔融聚合物的熱是通過強制對流對冷卻液進行冷卻通道和通過自然對流在 外模具表面的空氣帶走 冷卻液是通過由于信道在一個給定的流量和一個給定 的溫度被認為是恒定的整個長度的通道 在這項工作中 隨時間變化的二維模 型被認為是由空腔的整個計算域 模具和冷卻通道的表面 的模具和聚合物的 T 型循環(huán)瞬態(tài)溫度分布可以通過求解瞬態(tài)能量方程 為了考慮到凝固 源項添加到相應的吸熱或放熱 7 的能量方程 并考慮 吸收或通過相變過程中的熱耗散 該技術是適用于固定節(jié)點 在這種情況下 能量方程表示如下 和源項 SC 代表 在 FS t 0 T TF 全液相區(qū) 0 FS 1 在 t TF ISO 熱相變區(qū) F t 1 T TF 全固態(tài)區(qū) 在整個域 下面的邊界條件的應用 3 數(shù)值解釋 執(zhí)政行為的物理系統(tǒng)的數(shù)學模型的數(shù)值解的有限體積法計算 方程的方程 系統(tǒng)的不同方面的隱式處理解決 當我們在考慮凝固的影響 隨著固相分數(shù)的 一個固定點算法求解能量方程 每個固定點迭代法 說 我們使用離散時間混 合清楚 隱式技術已經(jīng)在以前的研究中驗證了文森特 8 和 9 博特是基于技術 的新來源 沃勒爾 10 該方法提出了保持節(jié)點發(fā)生相變時的熔化溫度 這種 方法是重復直到與源項的溫度收斂等于潛熱 源項的離散化 圖 2 圖 3 這是溫度的函數(shù) 固相分數(shù)線為 然后 我們力的溫度趨于熔化溫度在源項是不是通過更新源項空 他的能量方程離散如下 這個過程可以區(qū)分溫度場等蓋分數(shù)在同一時刻計算和線性系統(tǒng)的離散化方 法解決 11 中心 每個內部迭代 該方程的解提供了公式 達到收斂時的固相 分數(shù)和溫度的標準進行了驗證 在數(shù)值模型及其驗證進一步的細節(jié)在 9 4 結果與討論 一個完整的二維隨時間變化的模具注塑冷卻分析是在圖 1 顯示的 T 型塑料 模具和四的冷卻通道的一種板模模型進行 由于對稱性 半模的建模與分析 所有的冷卻通道具有相同的尺寸和他們有 10 毫米每循環(huán)通道直徑 冷卻的操作 參數(shù)和材料屬性列在 TA 和 1 和 2 分別 他們被認為是恒定的在所有的數(shù)值結 果 7 每個計算周期分為兩個階段 冷卻階段 腔內充滿熱聚合物最初在聚合 物注入溫度 噴射階段 腔內充滿空氣的最初在環(huán)境溫度 無 3 和 4 顯示有 16 的模具冷卻時間地點時間模具溫度循環(huán)瞬態(tài)變化 P1 P2 P3 P4 在模具 壁和 P5 P7 模具內的墻壁 分別為 圖 1 在應用的實例和不施加凝固凝固 它們是模擬的最初 30 個循環(huán)在循環(huán)冷卻通道的位置的情況下 A5 D3 如圖 2 所示 我們發(fā)現(xiàn) 模擬計算結果與循環(huán)模具溫度變化 5 中描述的瞬態(tài)特性的 好協(xié)議 它被發(fā)現(xiàn)有一個稍微不同的溫度值的兩個結果之間 從而導致數(shù)值方 法和精度在數(shù)值計算中的差異 數(shù)據(jù)顯示 相對地靠近型腔表面溫度波動是最 大和減少離型腔表面 我們發(fā)現(xiàn) 最大的溫度波動的振幅在穩(wěn)定的周期可以不 施加凝固在應用凝固 15 例 LC 達到 10 LC a 冷卻通道形成的影響 一個有效的冷卻系統(tǒng)設計提供溫度分布均勻的整個部分在冷卻過程中應防 止收縮內應力 保證產(chǎn)品質量 和脫模的問題 證明的冷卻通道形成的溫度分 布在模具和產(chǎn)品的凝固過程的影響 我們提出三種不同截面形式的冷卻通道 圓形 方形 長與寬 0 25 比 0 5 和 2 比 r 矩形寬度 兩起案件進行了研究 第 一種情況 所有的冷卻通道具有相同的橫截面面積 和第二種情況下 它們具 有相同的周長 比較的是相同的冷卻通道的位置進行 A5 D3 圖 4 圖 5 圖 5 顯示了凝固成 數(shù)值計算為每個元素乘以該元素的區(qū)域產(chǎn)品的總面積的固 相分數(shù)的總和 耳鼻喉科形式和不同的冷卻時間不同 數(shù)字表明冷卻通道形成 的冷卻速率的增加而減小 冷卻時間的影響 它也表明 冷卻通道形成矩形 2 案例 1 最大凝固成 并在案例 2 中的冷卻通道形式的變化沒有對凝固率的影響 結果是相同的當我們比較凝固在產(chǎn)品和模具的溫度分布雖然不同形式的相同的 橫截面面積在冷卻階段結束時的冷卻時間 24 秒冷卻循環(huán)中獲得 25 如圖 6 和 7 分別 結果表明 冷卻過程中的冷卻通道往往以產(chǎn)品的形式的改進 b 冷卻通道的位 討了冷卻通道的位置的影響 我們提出的位置分為四組 A 組和 B 對底部 冷卻通道的不同位置 與一個固定的 PO 的頂部冷卻通道位置 和反之亦然 C D 組相同的冷卻通道 圓形 作為圖 2 所示 圖 8 表示不同的冷卻通道的位置上的凝固率在 A 與 B 組第二十五冷卻周期 結束的影響 降低冷卻通道的影響 C 和 D 上部冷卻通道效應 與冷卻時間 結果表明 較低的冷卻通道的位置效應 冷卻速度增加 因此增加的聚合物的 凝固率在垂直方向上的冷卻通道的聚合物的方法 位置 B 有凝固率大于位置 并與相同的位置 C 和 D 圖中顯示也最有效的冷卻速率得到冷卻通道需要 20 和 50 之間的位置 通過產(chǎn)品的長度為水平方向 B2 和 B5 之間的位置或 位置 A2 和 A5 已凝固的最大百分比 當我們比較凝固率對上位置 C 和 D 的不 同的位置 我們發(fā)現(xiàn) 作為信道的方法在水平方向上的凝固率增加產(chǎn)品 和冷 卻速率迅速增加與較低的位置的效果比較 我們發(fā)現(xiàn) 影響的冷卻通道的位置 上的溫度分布和凝固的冷卻時間增加到更高的價值和對產(chǎn)品的冷卻速率的影響 是不相同的不同位置降低 圖 6 圖 3 在位置 P1 到 P4 的前 30 個周期的溫度歷史 一 沒有凝固陽離子 B 與固化陽離子 圖 7 圖 4 在位置 P5 到 P7 的前 30 個周期的溫度歷史 一 沒有凝固陽離子 B 與固化陽離子 圖 8 與不同的冷卻通道的冷卻時間的變化形式的凝固 陽離子聚合物部分的百分之 圖 9 圖 6 凝固陽離子百分比分布通過產(chǎn)品不同的冷卻通道的形式 一 矩形 2 和 b 循環(huán)具有相同的橫截面面積 凝固陽離子度分布通過產(chǎn)品在冷卻時間 24 秒和第二十五冷卻的冷卻通道的 不同位置周期如圖 9 所示的末端冷卻階段結束 和溫度分布在模具和在不同的 冷卻通道同速溶聚合物如圖 10 所示 當我們審視凝固陽離子度的產(chǎn)品和溫度分 布在不同位置的模具 我們找到冷卻通道的位置移向產(chǎn)品的同質化 及溫度分 布在整個聚合物和模具在凝固過程陽離子減少例如位置 B2 D3 和 B2 C3 該圖表明 在水平方向和垂直方向的通道的產(chǎn)品的方法 溫度分 布在整個聚合物分為兩個區(qū)域在冷卻過程中 B7 D3 B2 D3 C5 B2 C3 B2 從而對凝固陽離子親塞斯相同的效果 這兩個地區(qū)的 溫度分布 DIF 不同冷卻速率通過冷卻過程導致在最終產(chǎn)品對最終產(chǎn)品質量不 同嚴重的翹曲變形和殘余熱應力 圖 10 圖 7 通過模具溫度分布不同的冷卻通道的形式 一 圓形和矩形 2 B 具有 相同的橫截面面積 圖 11 圖 8 與不同的冷卻通道的位置改變凝固冷卻時間的百分之陽離子聚合物部分 一 下的冷卻通道的位置 A 和 B 和 B 上的冷卻通道的位置 C 和 D 圖 12 圖 9 凝固陽離子百分比分布通過產(chǎn)品不同的冷卻通道的位置 冷卻時間 24 秒 和第二十五的冷卻時間 一 a B7 D3 B B2 D3 C B2 C5 和 D B2 C3 圖 13 圖 10 通過模具溫度分布不同的冷卻通道的位置 冷卻時間 24 秒和第二十五 的冷卻時間 一 B2 D3 和 b B7 D 5 結論 變化的模具的溫度通過民誤碼率的成型周期進行 模擬計算結果與循環(huán)模 具溫度變化 5 中描述的瞬態(tài)特性和良好的協(xié)議發(fā)現(xiàn)稍有不同的溫度值的模擬結 果和那些在 5 描述之間 冷卻通道的形態(tài)和溫度分布在整個聚合物和產(chǎn)品的固 化陽離子位置的影響進行了研究 結果表明 隨著冷卻通道 以產(chǎn)品的形式 冷卻速率是可以提高的 冷卻通道的位置對冷卻過程的溫度分布影響很大 通 過模具和聚合物 結果表明 冷卻執(zhí)行不必要的最低冷卻時間達到最佳的溫度 分布在整個產(chǎn)品的 和系統(tǒng)的布局必須進行優(yōu)化以達到目標 參考文獻 1 S H Tang Y M Kong S M Sapuan Design and thermal analysis of plastic injection mould J Mater Process Technol 171 2006 259 267 2 Li Q Tang C Chassapis S Manoochehri Optimum cooling system design for multi cavity injection molding Finite Elem Anal Des 26 1997 229 251 3 M R Barone D A Caulk Special boundary integral equations for approximate solution of Laplace s equation in two dimensional regions with circular holes Q J Mech Appl Math 34 3 1981 265 286 4 J C Lin Optimum cooling system design of a free form injection mold using an aductive network J Mater Process Technol 120 2002 226 236 5 H Qiao Transient mold cooling analysis using the BEM with the time dependent fundamental solution Int Com Heat Mass Transf 32 2005 315 322 6 C S Li C F Hung Y K Shen Finite element analysis for phase change problem in polymer processing Int Com Heat and Mass Transf 22 1995 167 177 7 O Bertrand Ph nom nes de s gr gation et contraintes thermom caniquesassoci s Au processus de changement 8 S Vincent E Arquis numerical modeling of cooling and solidi cation of molten particles impacting a solid substrate Soci t fran aise de thermique 8 2000 371 375 9 Le Bot Impact et Solidi cation de Gouttes M talliques sur un Substrat Solide Th se de doctorat Universit Bordeaux 2003 10 V R Voller Fast implicit difference method for the analysis of phase change problems Numer Heat Transf 17 part B 1990 155 169 11 S V Patanker Numerical Heat Transfer and Fluid Flow Hemisphere Publishing Cooperation New York USA 1980