1、使用的实验设计程序优化汽车的塑料盖的气体注射成型文摘：这项工作的主要目的是使用计算机仿真和应用统计试验设计优化生产塑料汽车门塑料盖。由于厚度和盖尺寸，气体辅助注射成型被认为是最合适的制造工艺。不同的制造可能改变融化或注气点位置。最好的选择是通过一个唯一的中央点注射熔体和两个相邻侧面应用气体。两个溢出渠道被坐落在边缘部分通过该气体收集融化溢出。通过获取变量的组合进行实验设计,提供一个更大的渠道和更好的厚度均匀性排气。气体通道被发现是完全空实施后仿真,暗示部分制造得到了保证,尽管不同壁厚沿通道路径然而发现。结果表明,没有控制壁厚是可以通过选定的工艺参数。对于溢出的熔体体积和重量控制参数部分熔体温度
2、、模具温度和气体压力。关键词:气体注射成型 试验设计 建模 仿真1。介绍注射模塑是一种高速的自动化过程，广泛用于制造不同形状的塑料零件，通过这一过程生产零部件的范围从小型到非常大的组件。非常复杂的组件的灵活性和生产的可能性导致制造注射成型是一个最重要的塑料加工方法。传统注射模塑生产厚壁塑料组件一般出现一个大的问题如凹陷或内部孔隙,因此涉及一个长的处理时间1,2。为了避免这些困难，如气体辅助注射成型(GAIM) 技术被开发出来。注气过程的优势是重量减轻和周期时间,没有缩孔和小弯曲。然而一个主要的剩余问题是控制塑料缩孔和壁厚，尤其是处理很长的组件。气体辅助注塑成型的两种可能性是正常使用短射和的完整
3、注射过程。在短射的充填过程中气体被引入到模具中，部分充满了聚合物熔体(约70 - 90%)，首先，除去一部分核心，然后减少冷却阶段部分的体积收缩的发生。在完整充填过程，一旦气体被引入熔体就会达到了100（体积）的完全填充。先前注入的熔体由内向外向模具壁施加压力 ， 气体渗透在气体辅助充填阶段称为主要气体渗透。在后充填阶段气体可以继续渗透的结果熔融收缩,这称为二次普及率普及率。当聚合物硬化气体通过机械或模具喷嘴和压力释放。最后,产品冷却下来,直到其温度足够低被驱逐没有失真，形成组件中空的内部通道。在相同的注射点，或者分别从熔体喷射点进气口的瞬间，通常需要延迟从熔体注入和可能与聚合物一起发生。熔体
4、和气体注入点有很强的关联因为它们决定了的气体泡沫的过程。在这个意义上说，Avery 1和Ehritt和Schr oeder3指出的气体喷嘴的设计和位置，以实现最佳的关键气体喷射过程。为了避免气体通过表面局部吹散，聚合物必须覆盖气体喷嘴之前，其引进和所施加的气体压力应保持在一个较低的范围内。虽然已经进行了大量的实验研究阐明在不同的变量的影响气辅注射成型过程4-7，每个变量的相对重要性没有明确规定。最近，Li等人5研究了下气贯中短射GAIM函数的几个过程参数，提出的模型模拟的比较与模拟得到的C-MOLD9。关于气渗透力，结果表明，实现更大的价值熔体温度和之间的延迟时间时，熔融提出和天然气的引进。另
5、一方面，较低的值短尺寸和熔体的注射速度贡献增加的气体路径中。最后发现，气体的压力是次要的。刘和Chang 6指出，在次GAIM时获得更大的气贯熔体温度，气体的喷射延迟时间和气体的保持时间增加。研究二次渗透在肋骨杨等。 7研究表明，最关键的参数是熔体温度和气体的延迟时间。气体穿透长度增加熔体温度，模具温度和气体压力。气体延迟时间的影响是相反的。盖的制造计划所进行的一个完整的拍摄的GAIM的过程，但使用溢出渠道。这些通道被放置和设计的，目的是收集熔体推进由气体。的阀门打开，气体入口的瞬间切换的信道的入口。本程序主要是一个短射气辅注射成型，但在某些方面可以被认为是一个组合的短射和全单气辅注射成型，因
6、此由于这个原因，影响的变量集上的过程中可以与熔化或气体注入。 “本研究的目的是为了提高汽车的质量涵盖预防的主要制造缺陷可能出现，并也找到一个适当的组合变量帮助注射。正因为如此，我们首先要决定优化的熔体注入过程，然后研究的行动的气体。组正在考虑的变量是气体压力，熔体温度，模具温度，气体延迟时间和气体应用时间。每个变量的效果是考虑在整个设计的实验。实验设计（DOE）是一个功能强大的工具，确定系统的响应控制的变化一些输入或因素，由相应的观察变化的响应或输出。它被认为是拨研究工具，以处理许多相互作用的问题变量，它被成功地用于识和量化主要的系统变量及其影响。该方法和特点，DOE和大量一般和具体的信息可以
7、在整个10,11。可以进行实验设计的几种类型的了。一个简单的设计是变化的只是其中一个因素水平（或可变的）在一个时间，同时保持其它因素常数。完全析因设计，使用所有可能的组合的水平和因素，因此所有可能的变量的相互作用都包括在内，它是，然而，在实验方面过于昂贵，时间和资源。部分因子设计是用来的数量减少的全因子设计的实验。此过程允许的实验次数的优化虽然可能会丢失一些互动来完成的，和额外的运行可能是必要的。在这项工作中，全球气体辅助注射成型模拟划分如下。该过程开始与优化完整的聚合物注入，模拟数熔体进口位置的替代品。当时的最佳位置，然后选择下列规则的零件质量的影响降到最低，在制造直率。等方面融化流提前，熔
8、接线的存在或不存在，温度分布和执行模具的复杂进行了审议。一旦熔化点入口定义，不同的气体注入点，进行了评价。的每一个的气体替代耦合与先前定义的熔体注射点，然后进行全球模拟。最后，的效果的最重要的过程变量上的GAIM的部分设计的实验过程进行了研究。 “响应，主要集中于部分重量，体积的熔体除去，且控制的其它塑料壁厚沿气体流路。2。组件的定义和环境所研究的组成部分内的位置和情况汽车示于图中。 1。该组件是位于上方的后部的汽车车门，其主要功能是装饰覆盖的金属结构的档案。另外，以改善外观的车内空间，塑料盖必须让电线被藏在里面。校长组件的难点在于复杂的几何形状。应有其长期的u形型体，它具有非常低的刚性。此外
9、，装配过程是手动的，需要部分沿其中心轴弯曲，因此过度的刚性是不希望的以防止早期骨折。如图中所示。 2成分是相当长造成熔体沿着长路径完成填充。因此，不同的熔体门不同熔体路径进行了模拟，以保证总部分填充。肋钢筋是不允许的，因为部分弯曲。另一方面，如果通过常规的注射部分作了成型，这将是很厚，表面的缺陷可能出现。为了解决这个问题，一个气体通道被认为遵循由图中的虚线表示的路径。 2。本节的先见之明气道部分是不恒定的在双方的中心示出的最小厚度并逐步成为较厚的部分结束。最大的部分位于通道的部分角落。虽然一般建议的设计过程是将一个恒定的气道部分，这条规则不能应用在这里。如果大通道的设计，纯机械阻力位支持的弯曲
10、，弯曲区域将成为不足或损坏。在另一方面，如果一个小的信道进行了设计，它可能会导致外部缺陷的部分角落。图2、零件的几何形状和尺寸。虚线表示所需的气体信道的路径位置的内侧的部分。3。材料建模3.1。聚合物表征一种热塑性聚丙烯共聚物HostacomX4323/2S68级的巴塞尔（Basell公司的聚烯烃生产选择合适的材料Iberica SA，巴塞罗那，西班牙）用于注塑。这个等级是热量和紫外线光线照射稳定，符合标准的可燃性12。该材料的另一个重要的特点是它的低吸收异味，这是非常重要的，因为设计的一部分由20重量的滑石。仿真过程中需要的材料的知识的热容量，热传导性，热膨胀性能，如系数，粘度和压力 - 体
11、积 - 温度（PVT）曲线。的热容量，热传导性和热扩展功能的聚合物温度。这些组曲线中提取的C-MOLD数据库9。聚丙烯粘度两个政权的流量行为，牛顿和剪切变稀。牛顿流发生在低剪切速率和剪切变稀行为需要放置增加剪切时的粘度下降的倾向远离。为了描述聚丙烯熔体流变行为跨威廉朗德尔 - 费模型（跨WLF）应用13。该模型提供了一个准确的描述聚合物粘度在宽范围内的剪切速度，甚至可以开发期间的低剪切速度保压阶段。跨WLF模型将聚合物作为温度的函数（T），压力（P），和剪切粘度率（）。该模型需要7个常量介绍（N，*，D1，D2，D3，A1，A2），它是由下面的表达式描述：(1)是剪切应力，剪切速率，NA不变，
12、的粘度和0是外推至零剪切粘度可以通过以下来表示的应力在前面的方程组D1，D2，D3，A1和A2是常数，p施加压力，T的熔融温度，和T *是通常取材料的玻璃化转变温度。D3引入特点T *的线性关系，压力。在我们的例子中，这种依赖关系被认为是可以忽略不计从而，D3是零。在这种情况下，D2然后接收的值聚合物的玻璃化转变温度，发现在低压力（0.1MPa以下）。常数的值的HostacomX4323/2S68中使用的气体喷射模拟示于表1中。 PVT曲线显示特定的塑料熔体的依赖卷上的压力和温度，使得能够按照模内的冷却过程中的聚合物的过程中收缩变形。聚丙烯的PVT曲线提供的Targor，（Targor pla
13、sticos SA，巴塞罗那，西班牙），并显示在图。 3。一旦PVT曲线，他们必须引入作为一组使用的equations.We到模拟程序两个域的改进的Tait方程。应用此PVT曲线的方程来模拟，研究了蒋介石等人。 14，Hartmann等。 15,16，耆那教和Simha17。以下这一点，表示特定的熔体体积的变化的通过其中p是工作压力，V0，名词和B的定义见下文取决于熔体温度上。如果聚合物熔体温度高于结晶温度以下关系适用在其他情况下，有效的方程是：最后，转变温度被从结晶温度和考虑的线性压力的关系;与热膨胀的常数Bim和双系数分别在液相和固相。 “因子b5的是用来表示在特定体积的跳跃在结晶温度下发
14、现。其余的常数，b7的，B8和B9，正在调整系数。的值聚丙烯的大吉常数示于表2。3.2。机器，模具和气体的定义注塑成形机的选择的考虑到占的夹紧力所需的补偿的反应性迫使发达国家的部分腔。注塑机模拟是一个巴顿菲尔德公司具有1800吨锁模力。 “模具引入的热特性的模拟在程序中的表3中给出的钢。对于注入氮气气体，属性被假定为是恒定的范围内的处理只考虑作为输入的气体压力的条件因素。3.3。门的影响和网格化细节在发展的有关壁面剪切应力的表达式用于聚合物和压降推通过毛细管孔通常假定的流量沿整个管的长度。然而，更准确的方法应该帐户的入口效应发生在两端的管。在GAIM过程中这些亏损发生，例如，当聚合物熔体进入的
15、部分来自的栅极，或当它被推开到溢流槽。对Bagley校正18，认为这种现象。此校正涉及的压力损失（P），作为一个功能的的剪切应力（*）。聚丙烯，其方程为以下表格： 几何形状的一部分被分离成几个基本表面挂在他们的边缘。自动创建的表面6600三节点三角形元素网格划分使用。每一个元素有14个堆积层，用来模拟通过厚度的流动行为（2D1/ 2模拟）。护理在啮合，以避免扭曲的元素。4。实验过程最初，一些模拟运行进行了优化熔体注入。一旦熔体注射液的定义，全球模拟运行，包括气体动作进行。5个工艺参数研究，研究的处理的效果封面上的条件。这些参数或输入因素是气体压力（Pg）的熔融温度（Tm），模具温度（Tmld）
16、，气体的延迟时间（TD）和气体的应用程序时（TG）。因子水平（表4）被选定根据的零件和材料特性和考虑的结果初始模拟。在实验中测得的响应中选择按照它们的重要性，对于部分挖空并考虑以前考虑到的经验19。因此，量的信道空洞（Vc）的，最后的部分的重量（W）和聚合物层的厚度通过在初始（T1）的培养基（T2）和最终位置（T3）的信道的路径进行了研究。由于零件和模具的限制，实际的的GAIM经验上的注塑成型机不能进行。由于这个模拟部分结果进行比较，一旦制造完成。一个251部分设计加上核心价值副本进行了共17实验。三和四阶的相互作用审议和实验进行随机化。图4 熔体浇注叠加在正面视图5。结果与讨论5.1。聚合物
17、熔体的注射液的模拟在第一步骤中的仿真中，我们考虑的三个门控表示在图的选项。 4选择了一个独特的门在技术上是最简单的模具执行中心（门）结果也很容易，但这种解决方案有一个最长的熔体流动路径，这意味着一个重要的压力下降期间注射成型。这一事实，可以理解，需要遵守最高的注射压力和最高夹紧力量所考虑的替代方案（表5）。温度两个极端点，一个靠近门和差距另一个位于中最酷的一部分的地位，是相当高。所不同的是约90C在箱子选项A，这是的A警告信号，成型后的变形。尽管这样，温度较低的地区被放置在中间盖臂之一。因此，当熔体到达年底的模具它停止，冷却得很快，但没有影响的剩余部分的填充。此外，它应该加以考虑的那部分的温度
18、差可以归因于产生的本地熔体加热摩擦和剪切栅极入口处。 在周边的栅极的剪应力比达到其最大0.23MPa，这意味着模拟的条件在这方面已接近材料降解的极限其中大约为0.25MPa。之后获得的流线模拟结果表明，熔体倾向于更快地向前推进通过的气体流路比穿过的部分厚度。但是，靠近通道的位置毫无征兆的塑料回流量进行检测。双门选通选项（乙+ C）收益率较不活泼的在模具中，因为力量的流路减少，但的焊接线的危险性的问题。由于熔体进入同时贯通部的边缘，将位于焊接线只是在前面覆盖在弯曲的区域。三重门控选项（门A + B + C）的结果在最低水平的注射压力和锁模力，但最高温度差距，更执行复杂的模具。在这后者的结构中，两
19、个焊接线出现在所述盖的两侧影响从而审美。在这两种情况下，形成焊接线一旦塑料熔体已经走过了一半的封面，到达交界处面积在相对冷的状态与温度降低34C的 B+ C选通选项和58C的A+ B+ C选通选项。因此，除了从美学的危险，焊接线地区具有较高的风险，在服务失败，因为两个通量的聚合物熔体将不会适当地穿插。因此，考虑到前面提到的失败的风险，熔体注射所选择的解决方案，是一个独特的中央门点。一个独特的栅极的路径的填充（图5）示出了均匀熔体前沿提前。在栅极附近的等时线在这两个分支井熔融速度趋于接近降低。正如前面所说的，部分流量是不完全平衡因为流到达之前，在合适的端部转角左边的角落。然而，这种差异小，不会影
20、响的部分生产过程或部分外观。熔体流动压力的演化表现出类似的趋势路径。5.2。注气模拟一旦熔体注入点被定义，的最佳点气体入口的时间有被选择。在所有情况下的条件时成功的气体locationwas实现一个完全镂空通道。最后，我们认为是代表了三种可能性在图6。我们采用液压控制溢出容器收集的流离失所聚合物。容器阀门的开启时刻他们得到的熔体流动的接触。在第一配置中（图6a）的聚合物的熔体温度注入点附近是最高的。聚合物熔体之间的接近程度的粘度随温度的降低，因此熔化和气体注入点，有利于气体渗透到聚合物。其结果是，gasmovement是恒定的，几乎定期通过整个长度。有气体的危险侵入不需要的部分地区。这种入侵，
21、被称为手指效果，能产生外表面粗糙，甚至孔。有效地被检测到的手指的效果在模拟可以理解在图。 7A。局部厚度减少，增加的气体流路的直径或轻微的分离从熔体栅极的气体入口点是可能的解决方案解决这个问题的。所示的配置下，靠近射出门约65的体积是塑料与35的空洞。在第二个选项（图6b）的气体入口点远离熔体注入点。在这种情况下，聚合物熔体冷却使它不可能实现一个完整的挖空的部分。仿真结果表明，塑料大约两秒钟后，部分已被冻结气体喷射（图7b）。Fig. 6. Gas-injection alternatives.图。7。气体喷射的仿真结果。 （一）鉴于一半的部分和细节附近的熔体门的手指的效果。箭头指示的位置的气
22、体入侵。横向尺度表示填充有聚合物熔体体积分数。 （b）详细的部分信道排尿或短射。箭头指示的通道的长度。横向尺度表示填充有聚合物熔体体积分数。 （c）煤气跳两个紧靠在一起的气体通道。的圈子里面详细介绍的熔体的路径。横向尺度表示填充有聚合物熔体体积分数。第三个替代方案（图6c），较短的气体流路，它允许空鼓控制的最好的部分。然而，短信道之间的距离引起的气体跳转一个通道到另一个通道通过该扁平的塑料部分与因此，可能的气体突破意味着改变设计克服这一缺陷（图7c）。此外，模具的执行是非常复杂的。因此，最好的部分性能实现两个位于中央，对面的注射注气点，并在边缘的两个溢出渠道（选件“一”图。 6）。在此配置中，
23、该气体是能够完全除去聚合物熔体，但对皮肤的部分厚度不恒定的整个通道配置文件，虽然差异是很小的。5.3。的气体喷射过程中的最优化一旦成立，熔体和气体注入的最佳替代模拟被施加到选择的变量集合具有制造过程中的影响。该阵列实验结果列于表6。图8中表示帕累托图。样地的标准效果上的x轴方向和在y-轴的源的影响。在的共有部分的重量而言，可以理解的是，两个熔体和模具温度有至关重要的影响，而的控制因素的其余部分没有任何效果。以同样的方式，没有重要的变量之间的相互作用似乎没有任何的相关性。归一化值，方程熔体温度和模具温度的部分重量具有下面的表达式：W = 951.859 4.66Tm 5.74Tmld (14)上
24、面的方程解释了99.86的W变异。对得到的最小的部件的重量，模具和熔体温度应提高到最高水平。这其实是合理的因为这两个变量的更高水平的贡献减少的熔体粘度，或内部具有降低的熔体粘度较长一段时间内的模具。因此，横向无效部分的增加，但降低的倾向的气体渗透。Fig. 8. Pareto chart showing the effect of each controlled variable除去气体的熔体的体积被认为是依赖于三个变量;气体压力和熔体和模具温度。气体的压力和甲直系间的相互作用还发现，以模具温度是相关的，并包括在式 （15）。在部分排尿的情况下，气体压力重要的，因为熔体从零件移位到溢流槽。如果
25、气体压力升高，气体推在更大的部分熔融的聚合物，产生窄的聚合物墙和长度短渗透。较低的压力将提供燃气普及率，但窄空心型材低级流离失所熔体体积的全球结果。该组合较高的熔体温度，模具温度，气体的压力将增加渗透长度和排尿节，增加总空洞体积。从逻辑上讲，最终部分重量被发现依赖于相同的变量。回归方程表达和优化变量和空洞体积之间的关系是：V = 70.29 + 11.02Pg + 7.54Tm + 5.77Tmld + 2.257PgTm (15)从以前的研究5,8，它是已知的气体渗透并联到延迟时间的长度的增加。增加在延迟时间意味着更多的时间对聚合物降温，从而更大的聚合物冻层产生。其结果是，气体拖动一个较小的
26、聚合物，但在一个横向面积渗透长度较长。在我们的例子中，延迟时间似乎有轻微的固化的聚合物的量上的重要性层。事实上，我们可以不领情显着差异时，高或低的延迟时间。这可能是由于苗条的范围内测试的延迟时间，虽然更高的价值的延迟时间会导致短的镜头。没有变量的影响时，观察处理部分的气体在开头，中间或结束点的厚度通道。这个事实意味着，该壁的塑料厚度旁边的气体流路是难以通过改变被修改处理参数，所以需要仔细几何设计前进行模具制造。从模拟中，可以得出结论，部分权重被最小化时，熔体和模具温度位于在它们的更高的值。这是合理的，因为这两个的因素降低聚合物粘度和气体可以采取出了更大的量的聚丙烯。正如预期的那样，气体压力起着
27、最重要的作用，然后通过熔融和模具温度。这三个变量控制的气体喷射过程中研究盖板。5.4。对比模拟和实部制造业从气体辅助注射仿真所获得的结果其中与盖相比，它曾经是工业生产。在制造一些差异，处理根据在模拟中观察到的功能。克服的主要困难是预测入侵的熔液的入口（图7a）附近的气体。为了解决这个问题的气体入口对角，流离失所，附近的位置，示于图。 6C。此外，在为了避免气体的两个入口点之间的桥接，只有一个气体入口点的每一侧上的一部分被使用。排尿在模拟放心，因为最好的镂空部分两个通道，这个配置与控制一个最终使用。制造之间的比较和仿真，必须采取以定性的方式，因为最终的气体喷射的布局替代和最终的几何形状略作修改，
28、根据前面的结果。Fig. 9. (a) Photograph of the two mid-sides of the transformed cover showing the positions of different tails taken for thickness observation. Detail of the gas channelthickness at the indicated sections. (b) Section aa. (c) Section bb. (d) Section cc.在制作封面（图9），没有任何迹象的皮肤粗糙或焊接线，不变形或变形由于不平衡的收缩
29、率进行了观察。之间的差异熔融速度和离开通道不显着由于回流的皮肤标志。对于熔体排尿沿其整个渠道是完全空的聚合物长度。正如预期的那样，它是可能无法预见的厚度沿气体路径中的处理参数的变化。在表6中所示的结果可以理解的是，类似的通道的厚度采用不同的输入参数。如果在初始点的气体流路的厚度被认为是（表6中的T1），它可以被理解的是，预测聚合物的皮肤是非常低的，因此气体可能会破坏聚合物层留一孔中的一部分。然而，有必要说，在控制点仅有由气体入口使聚合物的皮肤层十分渺茫。在测试点在注入的部分，从最大的厚度变化约0.96毫米到一个至少为0.70毫米。的厚度的通道壁的内部侧的部分（T2），在不同的测量值的沟道长度的
30、位置（图9）的结果，在约3.5毫米，这与预测的结果基本一致被收集在表6.Again，变化的输入参数中的不呈现显著通道中的厚度变化除了这些情况下的中间位置，在信道空洞是无法实现的。约0.4mmwere的差异发现之间的的聚丙烯横向部分在T3与模拟的位置。最小的聚合物在此区域中的层的厚度为约6.9毫米（图9），而模拟产量值分别为6.52和7.08毫米之间，这真正的厚度被认为是相等的。亲密的预测的厚度值不允许选择输入参数的最佳组合，但允许丢弃过多的聚合物层的组合使用这配合以最小的信道排尿的选项。6。结论气体模拟是一个功能强大的工具来优化生产厚的塑料部件。有几个备选方案对比为了找到最好的解决方案，以制造
31、塑料的汽车覆盖。最好的部分安排时，中央点注入的塑料熔体和两个侧点接近前者适用气体。一个唯一的中央射出模拟点良好的温度分布，但长融化的路径和巨大的压力损失，避免存在焊接线和早期失效的风险。选定的位置设置的气体喷射向熔体被完全删除的气通道，并暗示了一个简单的模具执行。在部分空鼓，更大的聚合物量从作为气体压力和熔体和模具温度的一部分分别为增加。观察到的特征的气体模拟期间用于修改的最后部分的设计。一个非常好的比赛观察模拟的趋势和真实气体喷射过程虽然没有直接比较的定量实现。参考文献：1 J. Avery, Injection Molding Alternatives, Hanser Publishers
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