模流分析基礎(chǔ)(新)

模流分析基礎(chǔ)知識(shí)

一、塑料如何流動(dòng)？

熔融的熱塑性塑料呈現(xiàn)黏彈性行為(viscoelasticbehavior)，亦即黏性流體與彈性固體的流動(dòng)特性組合。當(dāng)黏性流體流動(dòng)時(shí)，部分驅(qū)動(dòng)能量將會(huì)轉(zhuǎn)變成黏滯熱而消失；然而，彈性固體變形時(shí)，會(huì)將推動(dòng)變形的能量?jī)?chǔ)存起來。日常生活中，水的流動(dòng)就是典型的黏性流體，橡膠的變形屬于彈性體。一、塑料如何流動(dòng)？

除了這兩種的材料流動(dòng)行為，還有剪切和拉伸兩種流動(dòng)變形，如圖1-1(a)與(b)。(a)剪切流動(dòng)；(b)拉伸流動(dòng)一、塑料如何流動(dòng)？

在射出成形的充填階段，熱塑性塑料之熔膠的流動(dòng)以剪切流動(dòng)為主，如圖1-1(c)所示，材料的每一層元素之間具有相對(duì)滑動(dòng)。另外，當(dāng)熔膠流經(jīng)一個(gè)尺寸突然變化的區(qū)域，如圖1-1(d)，拉伸流動(dòng)就變得重要多了。(c)模穴內(nèi)的剪切流動(dòng)(d)充填模穴內(nèi)的拉伸流動(dòng)一、塑料如何流動(dòng)？

熱塑性塑料承受應(yīng)力時(shí)會(huì)結(jié)合理想黏性流體和理想彈性固體之特性，呈現(xiàn)黏彈性行為。在特定的條件下，熔膠像液體一樣受剪應(yīng)力作用而連續(xù)變形；然而，一旦應(yīng)力解除，熔膠會(huì)像彈性固體一樣恢復(fù)原形，如圖1-2(b)與(c)所示。

一、塑料如何流動(dòng)？

熱塑性塑料之熔膠就像液體一樣，在剪切應(yīng)力作用下而連續(xù)變形。然而，一旦應(yīng)力解除，它就像彈性固體一般，部分變形會(huì)恢復(fù)原形。

二、熔膠剪切黏度

熔膠剪切黏度(shearviscosity)是塑料抵抗剪切流動(dòng)的阻力，它是剪切應(yīng)力與剪變率的比值，圖1-2。聚合物熔膠因長(zhǎng)分子鏈接構(gòu)而具有高黏度。通常的黏度范圍介于2~3000Pa（水為10-1Pa，玻璃為1020Pa）。

以簡(jiǎn)易之剪切流動(dòng)說明聚合物熔膠黏度的定義二、熔膠剪切黏度

水是典型的牛頓流體，牛頓流體的黏度與溫度有關(guān)系，而與剪變率無關(guān)。但是，大多數(shù)聚合物熔膠屬于非牛頓流體，其黏度不僅與溫度有關(guān)，也與剪切應(yīng)變率有關(guān)。

二、熔膠剪切黏度

聚合物變形時(shí)，部份分子不再糾纏，分子鏈之間可以相互滑動(dòng)，而且沿著作用力方向配向，結(jié)果，使得聚合物的流動(dòng)阻力隨著變形而降低，此稱為剪變致稀行為（shearing-thinningbehavior），它表示聚合物承受高剪變率時(shí)黏度會(huì)降低，也提供了聚合物熔膠加工便利性。

例如，以兩倍壓力推動(dòng)開放管線內(nèi)的水，水的流動(dòng)速率也倍增。但是，以兩倍壓力推動(dòng)開放管線內(nèi)的聚合物熔膠，其流動(dòng)速率可能根據(jù)使用材料而增加2~15倍。

二、熔膠剪切黏度

射出成形時(shí)模穴內(nèi)的剪變率分布。一般而言，材料的連接層之間的相對(duì)移動(dòng)愈快，剪變率也愈高，所以，典型的熔膠流動(dòng)速度曲線如圖1-3（a），其在熔膠與模具的界面處具有最高的剪變率；或者，假如有聚合物凝固層，在固體與液體界面處具有最高的剪變率。

相對(duì)流動(dòng)元素間運(yùn)動(dòng)之典型速度分布曲線二、熔膠剪切黏度

另一方面，在塑件中心層因?yàn)閷?duì)稱性流動(dòng)，使得材料之間的相對(duì)移動(dòng)趨近于零，剪變率也接近零，如圖1-3（b）所示。剪變率是一項(xiàng)重要的流動(dòng)參數(shù)，因?yàn)樗鼤?huì)影響熔膠黏度和剪切熱（黏滯熱）的大小。射出成形制程的典型熔膠剪變范圍在102~1051/s之間。

射出成形之充填階段的剪變率分布圖二、熔膠剪切黏度

聚合物分子鏈的運(yùn)動(dòng)能力隨著溫度升高而提高，如圖1-4所示，隨著剪變率升高與溫度升高，熔膠黏度會(huì)降低，而分子鏈運(yùn)動(dòng)能力的提升會(huì)促進(jìn)較規(guī)則的分子鏈排列及降低分子鏈相互糾纏程度。此外，熔膠黏度也與壓力相關(guān)，壓力愈大，熔膠愈黏。材料的流變性質(zhì)將剪切黏度表示為剪變率、溫度與壓力的函數(shù)。聚合物黏度與剪變率、溫度、及壓力的關(guān)系圖1-4三、熔膠流動(dòng)之驅(qū)動(dòng)--射出壓力

射出機(jī)的射出壓力是克服熔膠流動(dòng)阻力的驅(qū)動(dòng)力。射出壓力推動(dòng)熔膠進(jìn)入模穴以進(jìn)行充填和保壓，熔膠從高壓區(qū)流向低壓區(qū)，就如同水從高處往低處流動(dòng)。三、熔膠流動(dòng)之驅(qū)動(dòng)--射出壓力

在射出階段，于噴嘴蓄積高壓力以克服聚合物熔膠的流動(dòng)阻力，壓力沿著流動(dòng)長(zhǎng)度向聚合物熔膠波前逐漸降低。假如模穴有良好的排氣，則最終會(huì)在熔膠波前處達(dá)到大氣壓力。三、熔膠流動(dòng)之驅(qū)動(dòng)--射出壓力

壓力分布如圖1-5所示。

圖1-5壓力沿著熔膠輸送系統(tǒng)和模穴而降低三、熔膠流動(dòng)之驅(qū)動(dòng)--射出壓力

模穴入口的壓力愈高，導(dǎo)致愈高的壓力梯度（單位流動(dòng)長(zhǎng)度之壓力降）。熔膠流動(dòng)長(zhǎng)度加長(zhǎng)，就必須提高入口壓力以產(chǎn)生相同的壓力梯度，以維持聚合物熔膠速度，如圖1-6所示。圖1-6熔膠速度與壓力梯度的關(guān)系三、熔膠流動(dòng)之驅(qū)動(dòng)--射出壓力

根據(jù)古典流體力學(xué)的簡(jiǎn)化理論，充填熔膠輸送系統(tǒng)（豎澆道、流道和澆口）和模穴所需的射出壓力與使用材料、設(shè)計(jì)、制作過程參數(shù)等有關(guān)系。三、熔膠流動(dòng)之驅(qū)動(dòng)--射出壓力

壓力分布如圖1-7所示。

圖1-7顯示射出壓力與各參數(shù)的函數(shù)關(guān)系。三、熔膠流動(dòng)之驅(qū)動(dòng)--射出壓力

使用P表示射出壓力，n表示材料常數(shù)，大多數(shù)聚合物的n值介于0.15~0.36之間，0.3是一個(gè)適當(dāng)?shù)慕浦担瑒t熔膠流動(dòng)在豎澆道、流道和圓柱形澆口等圓形管道內(nèi)所需的射出壓力為：

三、熔膠流動(dòng)之驅(qū)動(dòng)--射出壓力

熔膠流動(dòng)在薄殼模穴之帶狀管道內(nèi)所需的射出壓力為：三、熔膠流動(dòng)之驅(qū)動(dòng)--射出壓力

熔膠的流動(dòng)速度與流動(dòng)指數(shù)有關(guān)。流動(dòng)指數(shù)是塑件幾何形狀（例如壁厚，表面特征）及熔膠黏度的函數(shù)。流動(dòng)指數(shù)隨著肉厚增加而降低，但是隨著熔膠黏度增加而降低（圖1-8）。圖1-8流動(dòng)指數(shù)相對(duì)于壁厚與黏度關(guān)系三、熔膠流動(dòng)之驅(qū)動(dòng)--射出壓力

射出成形時(shí)，在特定的成形條件及塑件肉厚下，熔膠可以流動(dòng)的長(zhǎng)度將根據(jù)材料的熱卡性質(zhì)與剪切性質(zhì)而決定，此性質(zhì)可以表示為熔膠流動(dòng)長(zhǎng)度（圖1-9）。圖1-9熔膠流動(dòng)長(zhǎng)度決定于塑件厚度和溫度三、熔膠流動(dòng)之驅(qū)動(dòng)--射出壓力

將射出成形充填模穴的射出壓力相對(duì)于充填時(shí)間畫圖，通?？梢垣@得U形曲線（圖1-10)其最低射出壓力發(fā)生在曲線的中段時(shí)間。

圖1-10射出壓力相對(duì)于充填時(shí)間之U形曲線三、熔膠流動(dòng)之驅(qū)動(dòng)--射出壓力

要采用更短的充填時(shí)間，則需要高熔膠速度和高射出壓力來充填模穴。要采用較長(zhǎng)的充填時(shí)間，可以提供塑料較長(zhǎng)的冷卻時(shí)間，導(dǎo)致熔膠黏度提高，也需要較高的射出壓力來充填模穴。射出壓力相對(duì)于充填時(shí)間的曲線形狀與所使用材料、模穴幾何形狀和模具設(shè)計(jì)有很大的關(guān)系。三、熔膠流動(dòng)之驅(qū)動(dòng)--射出壓力

必須指出，因?yàn)槿勰z速度（或剪變率）、熔膠黏度與熔膠溫度之間交互作用，有時(shí)候使得充填模穴的動(dòng)力學(xué)變得非常復(fù)雜。注意，熔膠黏度隨著剪變率上升及溫度上升而降低。高熔膠速度造成的高剪變率及高剪切熱可能會(huì)使黏度降低，結(jié)果使流動(dòng)速度更加快，更提高了剪變率和熔膠溫度。所以對(duì)于剪變效應(yīng)很敏感的材料本質(zhì)上具有不穩(wěn)定性。四、充填模式

充填模式(FillingPattern)是熔膠在輸送系統(tǒng)與模穴內(nèi)，隨著時(shí)間而變化的流動(dòng)情形，如圖1-11所示。圖1-11計(jì)算機(jī)仿真之熔膠充填模式的影像四、充填模式

理想的充填模式是在整個(gè)制程中，熔膠以一固定熔膠波前速度(meltfrontvelocity,MFV)同時(shí)到達(dá)模穴內(nèi)的每一角落；否則，模穴內(nèi)先填飽的區(qū)域會(huì)因過度充填而溢料。以變化之熔膠波前速度充填模穴，將導(dǎo)致分子鏈或纖維配向性的改變。

四、充填模式

熔膠波前的前進(jìn)速度簡(jiǎn)稱為MFV。推進(jìn)熔膠波前的剖面面積簡(jiǎn)稱為

MFA，MFA可以取熔膠波前橫向長(zhǎng)度乘上塑件肉厚而得到，或是取流道剖面面積，或者視情況需要而取兩者之和。容積流動(dòng)率

=熔膠波前速度(MFV)×熔膠波前面積(MFA)

四、充填模式

圖1-12顯示在鑲埋件(insert)周圍熔膠波前速度增加，使鑲埋件兩側(cè)產(chǎn)生高壓力和高配向性，造成塑件潛在的不均勻收縮和翹曲。圖1-12熔膠波前速度(MFV)和熔膠波前面積(MFA)。四、充填模式

MFV之差異會(huì)使得塑料分子(以點(diǎn)表示)以不同方式伸展，導(dǎo)致分子與纖維配向性的差異，造成收縮量差異或翹曲。四、充填模式

在射出成形的充填階段，塑料材料的分子鏈或是填充料會(huì)依照剪應(yīng)力之作用而發(fā)生配向。由于模溫通常比較低，在表面附近的配向性幾乎瞬間即凝固。分子鏈和纖維的配向性取決于熔膠之流體動(dòng)力學(xué)和纖維伸展的方向性。四、充填模式

在熔膠波前處，由于剪切流動(dòng)和拉伸流動(dòng)的組合，不斷強(qiáng)迫熔膠從肉厚中心層流向模壁，造成噴泉流效應(yīng)(fountainfloweffect)，此效應(yīng)對(duì)塑件表層的分子鏈／纖維配向性的影響甚巨。圖1-13塑件表層與中心層之纖維配向性四、充填模式

塑件成形之MFV愈高，其表面壓力愈高，分子鏈配向性的程度也愈高。充填時(shí)的MFV差異會(huì)使得塑件內(nèi)的配向性差異，導(dǎo)致收縮不同而翹曲，所以充填時(shí)應(yīng)盡量維持固定的MFV，使整個(gè)塑件有均勻的分子鏈配向性。