短玻纖增強復合材料RHCM注塑件纖維取向的數值模擬

李姣++孟昭興+++張榮芳+++孟維云

【摘 要】本文使用Moldflow系列產品MPI模塊對聚合物基短玻纖維增強復合材料的快速熱循環注塑（RHCM）成型進行數值模擬分析，通過對熔體充填、流動過程的模擬計算，能夠有效的地預測纖維取向和分布情況，得到RHCM注塑過程中模具溫度對纖維取向的影響，為得到高質量高性能的纖維增強復合材料注塑制品提供可靠的依據。

【關鍵詞】快速熱循環注塑；玻璃纖維增強ABS；數值模擬；模具溫度

引言

將動態模溫控制方法應用到注塑成型中形成的快速熱循環注塑技術（RHCM）[1，2]，能夠在熔體注射前快速加熱模具，使模具型腔保持在較高的溫度，然后型腔中注射塑料熔體。料流分析軟件MoldFlow中的MPI/Fiber模塊是專門用于纖維增強復合材料注塑成型過程的模擬分析。它是在MPI/Flow即常規流動分析的基礎上，進一步預測復合材料熔體和制件中纖維的取向。目前對RHCM注塑成型得到的纖維增強制品內部纖維取向方面的研究較少[3，4]。為此，本文利用該模塊在計算機上模擬分析整個注塑過程，預測熔體在模具內部的充填、流動、保壓和冷卻情況，對模具或制件的結構設計起到指導作用。

1.注塑成型有限元建模

本文選取的模型是根據快速熱循環注塑工藝要求和ASTM試驗標準，設計的包含有標準沖擊、彎曲和沖擊的試樣，同時將每種模型設計成單澆口和雙澆口注塑成型兩組，在三維造型軟件UG中造型，得到模具型腔、澆注系統及試樣結構。通過接口程序Moldflow Design Link，簡稱MDL，將CAD模型讀入Moldflow，在Moldflow中進行網格劃分及修復，修復之后網格劃分模型及澆注系統分別如圖1和圖2所示。

2.工藝條件的設定

在Moldflow中設定材料為短玻纖維增強ABS，纖維含量為20%。選定注塑機中注塑機最大注射速率為5000cm3/s，模具溫度分別設置為60℃，120℃，160℃三個其它成型工藝參數設定實際快速熱循環注射成型時的數值，列其具體情況如表1。

3.注塑過程的模擬實驗及結果分析

為研究快速熱循環技術下可控的模具型腔表面溫度對制品內部纖維取向的影響，在Moldflow中分別設定模具溫度為60℃、120℃、160℃，進行充填模擬。對三種模具溫度下的單澆口標準彎曲試樣模型，在試樣長度方向的中間截面沿厚度方向平均取12個測試點，對各個點處纖維取向張量進行記錄，得到圖3沿單澆口標準彎曲試樣厚度方向的纖維取向張量路徑圖。

從圖3可以看出，在不同模具溫度下，沿試樣厚度方向的纖維取向呈明顯的層狀分布。在靠近型腔壁面，有一個取向程度較低的很薄的層，即表層。靠近表層的一定厚度范圍內，纖維出現較高程度的取向，而在中心部位，纖維取向程度較低。纖維取向出現分層結構的原因表現在：由于型腔壁面溫度低于復合材料熔體的溫度，當高溫熔體流入模具時，與型腔壁面接觸的一部分熔體溫度下降，流動性能降低，該部分熔體凝結后，內部纖維縱橫交錯，基本沒有規則，形成一個纖維取向程度較低的薄殼層；之后，在薄殼層內部流動的熔體會受到薄殼層的剪切作用，復合材料熔體內部的短玻纖維在剪切力的作用下會沿著流動方向取向，形成一個較厚的高度取向層；在熔體中心部位受到的剪切作用較小，而會受到注射壓力等拉伸作用，因此中心部位熔體中纖維易沿拉伸方向取向，但是取向程度較輕。由以上分析可知，短玻纖維增強復合材料注射成型件在試樣厚度方向上形成表層-剪切層-中心層-剪切層-表層的分層結構。

4.結論

本文利用Moldflow料流分析軟件對不同模具溫度下的纖維增強復合材料快速熱循環注塑成型的充模過程進行了模擬研究，得到了其纖維取向分布規律，提出了試樣在厚度方向上的表層-剪切層-中心層-剪切層-表層的纖維取向分層結構，隨著模具溫度的變化，成型試樣厚度方向上不同的纖維取向層厚產生較大變化。通過分析不同模具溫度下試樣的纖維取向張量分布，發現當模具溫度升高到一定程度時，纖維取向程度明顯下降。

參考文獻：

[1]劉斌，趙春振. 薄壁注塑成型中的變模溫控制技術. 塑料科技，2008，36（9）：44-48.

[2]李熹平， 趙國群， 管延錦， 李輝平. 快速熱循環注塑模具加熱與冷卻過程分析及其結構優化設計. 塑性工程學報， 2009， 16 （1）： 196-201.

[3]李熹平.快速熱循環注塑模具及工藝關鍵技術研究[D].山東大學，博士學位論文， 2011.

[4]楊揚， 董斌斌， 劉春太. 成型溫度對纖維增強注塑熔接線拉伸性能的影響. 鄭州大學學報（工學版），2004，25 （1）：102-104.