Моделирование процесса литья под давлением от вязкого к вязкоупругому потоку

on 10/08/2020

Перевод выполнен при участии Киевского Национального Университета Технологий и Дизайна

Реологическое поведение – одно из самых сложных и важных свойств, необходимых в процессе моделирования переработки полимеров. Для успешного моделирования процесса необходимы надежные данные о материалах и модели. Течение полимера может быть достаточно хорошо предсказано, исходя из предположения о неупругих (обобщенных ньютоновских) жидкостях и данных капиллярного реометра. Однако неупругий анализ может не дать описания вязкоупругих явлений, поскольку полимеры имеют вязкоупругую природу.

Типичная кривая модуля упругости и вязкости аморфного полимера показана на рисунке 1 [1]. По сути, упругое поведение становится все более значительным по сравнению с вязким с понижением температуры. Согласно физике полимеров, состояние полимера можно разделить на пять областей. (1) стекловидная область; (2) стеклование; (3) высокоэластическая область; (4) вязкоупругое течение; (5) вязкое течение. В вязкой области (5) неупругая (или обобщенная ньютоновская) модель является подходящей моделью для моделирования потока жидкости. Упругость начинает приобретать все большее значение от вязкоупругой области течения (4) к эластичной области (3). Материал становится все более твердым (эластичным) от стекловидного перехода (2) к стекловидной области (1).

На стадии заполнения температура расплава обычно выше температуры сопла из-за вязкого нагрева, температура падает в области вязкого течения, что указывает на возможность использования неупругих (обобщенных ньютоновских) моделей. На этапе выдержки температура расплава начинает снижаться, и она изменяется от вязкоупругой (4) до эластичной (3), что указывает на то, что упругие свойства начинают играть решающую роль. После выдержки полимер проходит стеклование в состоянии охлаждения и достигает стекловидной области на стадии извлечения изделия из формы.

Рисунок 1. Модуль и вязкость аморфного полимера (указаны масштабы полистирола).

В дополнение к стабильному вязкоупругому решателю, надежные данные о материалах и параметры математической модели необходимы для успешного моделирования вязкоупругого потока. В лаборатории материалов CoreTech System Co., Ltd. установлено несколько видов реометров, таких как капиллярный реометр, ротационный реометр с (DMA ).

Рисунок 2. (а) Ротационные реометры, включая Anton Paar MCR-502 и TA DHR-3; (b) Реометр Sentmanat Extensional (SER); (c) крепление параллельной пластины; (г) торсионный фиксатор с режимом (DMA); (д) капиллярный реометр.

Обычно считается, что заполнение при литье под давлением имеет высокую скорость сдвига и текучесть при высоких температурах. Поэтому капиллярный реометр, как правило, является идеальным прибором для определения поведения потока. Однако в полости есть определенные области, такие как центральный слой или толстая область, где поток проходит с низкой скоростью сдвига. Кроме того, низкая температура будет наблюдаться в поверхностных слоях, особенно на стадии выдержки. Следовательно, данных о вязкости только капиллярного реометра может быть недостаточно для точного описания всего процесса. Для расширения диапазона скорости сдвига и температуры используются реометр с параллельными пластинами и капиллярный. Кроме того, полимерные расплавы с аналогичным поведением при сдвиге могут проявлять совсем другое поведение при растяжении, особенно для сильно разветвленного полимера [2]. Следовательно,

Диапазон измерения капиллярного реометра: высокая температура (около температуры процесса) и высокая скорость сдвига (10–10 000 с-1). Однако, когда он переходит на стадию выдержки, его скорость сдвига внезапно снижается до менее 10 с-1, а температура будет ниже, чем на стадии заполнения. На стадии охлаждения температура будет ниже Tg. Окна температуры и скорости сдвига ступеней показаны на рисунке 3 (а). Очевидно, что температура и скорость сдвига на стадиях выдержки или охлаждения выходят за пределы обычного диапазона измерения капиллярного реометра. Мы могли бы воспользоваться преимуществами различных инструментов (включая ротационный реометр и прямой доступ к памяти) для получения реологических данных при более низкой скорости сдвига и температуре. Диапазон измерения этих инструментов показан на рисунке 3 (b).

Рисунок 3. Окна температуры и скорости сдвига (а) различных стадий литья под давлением; (б) различные реологические инструменты.

Чтобы точно смоделировать поток полимера для стадий заполнения и выдержки, скорости сдвига которых составляют от 104 до 10-3 с-1, мы можем интегрировать данные капиллярного и ротационного реометра. Пример (полистирол) показан на рисунке 4.

Температура полимера при литье под давлением может варьироваться от температуры плавления до температуры формы (например, Tпл ≈ 200 ℃ и Tmold ≈ 60 ℃ для PS). Чтобы получить надежные реологические данные, мы можем объединить ротационный реометр и DMA. На рисунке 5 показаны динамические модули PS от температуры плавления (200 ℃) до стекловидного состояния (30 ℃).

Рис. 4. Вязкость при сдвиге по капиллярному и ротационному реометрам.

Рисунок 5. Динамические модули основной кривой как для ротационного реометра, так и для прямого доступа к памяти.

Рисунок 6. Вязкость при растяжении от SER.

Модель EPTT используется для подгонки реологических данных к различным данным (рис. 4-6) в виде сплошной линии и применяется в расчете вязкоупругих потоков Moldex3D.

Геометрия пресс-формы, включая литник и сопло, показана на рисунке 7 (а). Толщина детали составляет 2 мм, а ширина и длина – 60 мм. Для подтверждения проводятся реальные эксперименты по литью полистирола под давлением. Сравнение экспериментальных и имитационных моделей для различного давления уплотнения показано на рисунке 7 (б). Было обнаружено, что моделирование согласуется с экспериментальными кривыми на всех этапах заполнения и выдержки, за исключением момента сразу после переключения на выдержку (V/P-switch), на которое сильно влияет реакция машины. Пиковое давление экспериментов, расположенных на V/P-switch, составляет 53,7 ± 0,3 (МПа), что очень близко к результату моделирования 54,6 (МПа).

Фиг.7 (а) геометрия формы для литья под давлением; (б) кривые давления в литнике, полученные в результате экспериментов и моделирования.

Если мы рассмотрим детали процесса впрыска с помощью Moldex3D, то обнаружим, что распределение скорости сдвига во время заполнения составляет примерно от 2000 до 7000 с-1 в литнике и от 600 до 1000 с-1 в полости, как показано на рисунке. 8. Эти скорости сдвига попадают в диапазон капиллярного реометра. На рисунке 9 показано распределение скорости сдвига на стадии упаковки. Скорость сдвига ниже 20 с-1 в литнике и меньше 1 с-1 в полости, что выходит за пределы диапазона измерения капиллярного реометра. Другими словами, не только температура, но и диапазоны измерения скорости сдвига капиллярного реометра недостаточно широки, чтобы покрыть моделирование выдержки.

Рис. 8. Распределение скорости сдвига в конце заполнения: (а) полости; (б) литника

Рис. 9. Распределение скорости сдвига на стадии заполнения:  (а) полости (б) литника.

На рис. 10 показана температура на стадии выдержки. Она ниже 180 ℃ в слое оболочки литника и ниже 140 ℃ в полости. Очевидно, что температуры снова выходят за пределы диапазона капиллярного реометра. Более того, они находятся в диапазоне температур от вязкоупругой до резиноподобной, в которой эластичность играет важную роль. Следовательно, ротационный реометр способствует получению низкой скорости сдвига и низкотемпературных данных для завершения успешного моделирования, особенно на этапе выдержки.

Рис. 10. Распределение температуры на этапе заполнения в полости (а) литнике (б).

Таким образом, для более реалистичного и точного моделирования всего процесса литья под давлением мы могли бы комбинировать различные инструменты для получения широкого диапазона реологических данных. Однако потребуется решительная поддержка со стороны поставщиков материалов, чтобы повысить общую доступность данных по вязкоупругости.

Ссылка

  1. Шоу, М. Т.; Макнайт, В.Дж. Введение в вязкоупругость полимеров; Wiley, 2005.
  2. Макоско, К. В. Реология: принципы, измерения и применения; Wiley, 1994.

Test drive Moldex3D

Join the thousands of companies using Moldex3D

Talk to Sales

Schedule a product demo with our sales team