基于CAE的夹芯注射成型物料配比与层间界面优化

王 涛，宋 伟，刘成伟

(1.河北机电职业技术学院 机械工程系，河北 邢台 054000；2.河北机电职业技术学院 电气工程系，河北 邢台 054000)

夹芯注射成型也称为顺序共注射成型。该工艺需要向模腔内注射2种物料，分别称为壳层物料、芯层物料[1]。这2种物料需要有合适的配比，壳层物料过少，则有可能发生芯层物料暴露在壳层物料之外的失效现象；壳层物料过多，则芯、壳层树脂界面的分布不甚理想[2-3]。

实际操作时，由于芯层物料包裹在壳层物料中，很难快速合理的调试到合适的壳层、芯层物料配比。基于CAE技术，可以直观而快速的分析注射成型过程[4-5]。为此，本文基于Moldflow软件，分析夹芯注射成型物料配比对芯、壳层树脂界面分布的影响，并进一步确定最优物料配比。

1 实验部分

1.1 主要原料

壳层物料为高密度聚乙烯(HDPE)、芯层物料为低密度聚乙烯(LDPE)。

1.2 注射成型塑件

塑件整体为圆饼形，其直径为100 mm，边缘处倒角外径为5 mm、内径为2 mm，塑件厚度为3 mm。在UG软件中完成实体建模，并保存为“*.iges”格式文件。将上述文件导入Moldflow软件并完成网格划分，浇口位置放置在上表面中心，如图1所示。

图1 塑件网格划分及浇口位置

1.3 工艺参数

Moldflow软件中，提供了本实验所选物料的推荐工艺参数，如表1所示。

表1 推荐工艺参数

基于表1中数据，综合考虑壳层、芯层物料的注射成型要求。确定工艺参数如下：模具温度为40℃，壳层物料(HDPE)、芯层物料(LDPE)注射温度均为200℃，壳层、芯层物料注射时间均为1 s，保压压力为注射压力的80%，冷却时间为10 s。

1.4 物料配比实验

实验中，可以通过观察CAE分析结果中的“树脂A和B的分布”来确认。其中，树脂A代表壳层物料HDPE，树脂B代表芯层物料LDPE。当实验结果中只显示树脂A时，表明最终塑件的表层只有壳层物料，没有发生芯层物料暴露现象；当实验结果有树脂B显示时，表明最终塑件的表层出现了芯层物料，发生了芯层物料暴露现象。

本试验壳层物料占总物料体积分别取30%、40%、50%、60%、70%，观察是否发生芯层物料暴露；若不发生芯层物料暴露现象，则通过实验结果的“工艺结束时树脂B的厚度因子”观察芯、壳层树脂界面分布情况，并逐步调整。

2 实验结果及讨论

2.1 芯层物料是否暴露

图2 壳层物料占比30%时的表层物料情况

图3 壳层物料占比40%时的表层物料情况

图4 未发生芯层物料暴露

本实验的结果中，当壳层物料占总物料体积30%、40%时，最终塑件表层物料分布情况如图2、图3所示。由图2、图3可知，此时均发生了芯层物料暴露的失效现象，且随着壳层物料占比增大，这种失效现象趋势减弱。

当壳层物料占总物料体积50%、60%、70%时，最终塑件表层物料分布情况如图4所示。由图4可知，此时未发生芯层物料暴露现象。

2.2 层间界面分布

基于CAE实验结果，当壳层物料占比50%、60%、70%时，未发生芯层物料暴露现象。此时可以进一步观察塑件的芯、壳层树脂界面分布情况，结果如图5～7所示。

图5 壳层物料占比50%时的层间界面分布情况

图6 壳层物料占比60%时的层间界面分布情况

图7 壳层物料占比70%时的层间界面分布情况

由图5～7中，CAE实验结果以各处芯层物料厚度与塑件厚度的比值来表征芯、壳层物料层间界面分布情况。由图5～7可知，随着壳层物料占比增大，芯、壳层树脂界面越来越向中间集中。

当壳层物料占比50%时，层间界面前沿过于接近塑件边缘位置，塑件边缘处壳层物料过薄，不利于塑件整体性能的稳定。应在此基础上，适度增大壳层物料占比，保证层面界面前沿应距离塑件边缘有一定的距离。

当壳层物料占比60%时，层间界面向中心位置回退，但仍不太理想。当壳层物料占比70%时，芯层物料主要分布在圆盘中心区域，拐角处均为壳层物料，层间界面前沿距离距离塑件边缘位置稍远。

结合图6、图7实验结果，该塑件的壳层物料占比应在60%～70%之间较为合适。为此，在该区间内，以2%为变量进行微调，最终确认壳层物料占比66%，实验结果如图8所示。图8中塑件的层间界面前沿距离塑件边缘还有一定的距离，同时界面前沿较图6更光滑。

图8 壳层物料占比66%时的层间界面分布情况

3 结论

(1)基于CAE，可以快速且直观的观察夹芯注射成型最终塑件的芯、壳层树脂界面分布情况，从而恰当的调整物料配比。

(2)对于本实验而已，在工艺参数固定的前提下，壳层物料占比越大，层面界面越向中心位置靠拢；壳层、芯层物料配比为66∶34时，芯层物料分布情况较为合理。