短玻纤增强复合材料RHCM注塑件纤维取向的数值模拟

李姣++孟昭兴+++张荣芳+++孟维云

【摘 要】本文使用Moldflow系列产品MPI模块对聚合物基短玻纤维增强复合材料的快速热循环注塑（RHCM）成型进行数值模拟分析，通过对熔体充填、流动过程的模拟计算，能够有效的地预测纤维取向和分布情况，得到RHCM注塑过程中模具温度对纤维取向的影响，为得到高质量高性能的纤维增强复合材料注塑制品提供可靠的依据。

【关键词】快速热循环注塑；玻璃纤维增强ABS；数值模拟；模具温度

引言

将动态模温控制方法应用到注塑成型中形成的快速热循环注塑技术（RHCM）[1，2]，能够在熔体注射前快速加热模具，使模具型腔保持在较高的温度，然后型腔中注射塑料熔体。料流分析软件MoldFlow中的MPI/Fiber模块是专门用于纤维增强复合材料注塑成型过程的模拟分析。它是在MPI/Flow即常规流动分析的基础上，进一步预测复合材料熔体和制件中纤维的取向。目前对RHCM注塑成型得到的纤维增强制品内部纤维取向方面的研究较少[3，4]。为此，本文利用该模块在计算机上模拟分析整个注塑过程，预测熔体在模具内部的充填、流动、保压和冷却情况，对模具或制件的结构设计起到指导作用。

1.注塑成型有限元建模

本文选取的模型是根据快速热循环注塑工艺要求和ASTM试验标准，设计的包含有标准冲击、弯曲和冲击的试样，同时将每种模型设计成单浇口和双浇口注塑成型两组，在三维造型软件UG中造型，得到模具型腔、浇注系统及试样结构。通过接口程序Moldflow Design Link，简称MDL，将CAD模型读入Moldflow，在Moldflow中进行网格划分及修复，修复之后网格划分模型及浇注系统分别如图1和图2所示。

2.工艺条件的设定

在Moldflow中设定材料为短玻纤维增强ABS，纤维含量为20%。选定注塑机中注塑机最大注射速率为5000cm3/s，模具温度分别设置为60℃，120℃，160℃三个其它成型工艺参数设定实际快速热循环注射成型时的数值，列其具体情况如表1。

3.注塑过程的模拟实验及结果分析

为研究快速热循环技术下可控的模具型腔表面温度对制品内部纤维取向的影响，在Moldflow中分别设定模具温度为60℃、120℃、160℃，进行充填模拟。对三种模具温度下的单浇口标准弯曲试样模型，在试样长度方向的中间截面沿厚度方向平均取12个测试点，对各个点处纤维取向张量进行记录，得到图3沿单浇口标准弯曲试样厚度方向的纤维取向张量路径图。

从图3可以看出，在不同模具温度下，沿试样厚度方向的纤维取向呈明显的层状分布。在靠近型腔壁面，有一个取向程度较低的很薄的层，即表層。靠近表层的一定厚度范围内，纤维出现较高程度的取向，而在中心部位，纤维取向程度较低。纤维取向出现分层结构的原因表现在：由于型腔壁面温度低于复合材料熔体的温度，当高温熔体流入模具时，与型腔壁面接触的一部分熔体温度下降，流动性能降低，该部分熔体凝结后，内部纤维纵横交错，基本没有规则，形成一个纤维取向程度较低的薄壳层；之后，在薄壳层内部流动的熔体会受到薄壳层的剪切作用，复合材料熔体内部的短玻纤维在剪切力的作用下会沿着流动方向取向，形成一个较厚的高度取向层；在熔体中心部位受到的剪切作用较小，而会受到注射压力等拉伸作用，因此中心部位熔体中纤维易沿拉伸方向取向，但是取向程度较轻。由以上分析可知，短玻纤维增强复合材料注射成型件在试样厚度方向上形成表层-剪切层-中心层-剪切层-表层的分层结构。

4.结论

本文利用Moldflow料流分析软件对不同模具温度下的纤维增强复合材料快速热循环注塑成型的充模过程进行了模拟研究，得到了其纤维取向分布规律，提出了试样在厚度方向上的表层-剪切层-中心层-剪切层-表层的纤维取向分层结构，随着模具温度的变化，成型试样厚度方向上不同的纤维取向层厚产生较大变化。通过分析不同模具温度下试样的纤维取向张量分布，发现当模具温度升高到一定程度时，纤维取向程度明显下降。

参考文献：

[1]刘斌，赵春振. 薄壁注塑成型中的变模温控制技术. 塑料科技，2008，36（9）：44-48.

[2]李熹平， 赵国群， 管延锦， 李辉平. 快速热循环注塑模具加热与冷却过程分析及其结构优化设计. 塑性工程学报， 2009， 16 （1）： 196-201.

[3]李熹平.快速热循环注塑模具及工艺关键技术研究[D].山东大学，博士学位论文， 2011.

[4]杨扬， 董斌斌， 刘春太. 成型温度对纤维增强注塑熔接线拉伸性能的影响. 郑州大学学报（工学版），2004，25 （1）：102-104.