模內(nèi)裝飾技術imd測試模具模具滯熱的影響因素分析

模內(nèi)裝飾技術imd測試模具模具滯熱的影響因素分析

0裝飾薄膜的制備近年來，隨著汽車裝飾領域的不斷發(fā)展，有許多新技術和新工藝。其中，具有代表性的imd技術在汽車環(huán)境的中外裝飾領域得到了普及和應用。imd技術結合了膜成像和嵌入式成像的特點。這是一種將裝飾圖案與塑料熔斷器結合起來形成裝飾圖案的表面裝飾技術。國內(nèi)外專家學者在IMD領域對裝飾薄膜特性和IMD模具設計進行了較為深入的研究，李彥甲等對于IMD技術，由于裝飾薄膜具有較低的導熱系數(shù)，會在注塑模具內(nèi)產(chǎn)生滯熱作用，這種薄膜滯熱作用的影響主要表現(xiàn)為成型冷卻過程中塑件在動模側的熱量傳遞滯后于定模側的熱量傳遞，造成產(chǎn)品位于動定模兩側冷卻程度的差異增大而產(chǎn)生更嚴重的翹曲現(xiàn)象1實驗部分1.1復合材料、聚丙烯酸復合PC/丙烯腈-丁二烯-苯乙烯共聚物（ABS),DS-PCASB-01，中山市點石塑膠有限公司；PC,HF1130-11，東莞市同億塑膠原料有限公司；ABS,PA-764，余姚市泰美塑化有限公司；PET薄膜，ZL-02，東莞市眾聯(lián)電子材料有限公司。1.2m400f和模溫機塑料注射成型機，HDX50，寧波市海達塑料機械有限公司；IMD送膜機，SF-IMR400F，河源市圣烽科技有限公司；模溫機，ACH-I0W-O3W(A），深圳市奧德機械有限公司；模腔溫度傳感器，4003，瑞士普利阿摩斯（PRIA-MUS）公司；溫度采集卡，USB-1252，北京思邁科華（Smacq）技術有限公司。1.3溫度穩(wěn)定性試驗首先在不加IMD薄膜的情況下進行常規(guī)注塑，測量得到的一個周期內(nèi)的模具-熔體溫度場，然后按照IMD工藝注塑流程以及瞬態(tài)測溫法，完成一個注塑周期的模具溫度場數(shù)據(jù)采集，其中試驗步驟如下：試驗開始前，將模溫機、真空泵和送膜機等注塑配套設備安置完成，利用模溫機加熱模具溫度到試驗設定溫度，并使用數(shù)據(jù)采集卡實時監(jiān)測模溫，當溫度處于穩(wěn)定狀態(tài)即可進行試驗，試驗注塑條件如表1所示。整個注塑過程采用半自動方式，待合模儲料后對采集軟件手動觸發(fā)采集信號，經(jīng)過一個注塑周期后結束信號采集。此時模具內(nèi)熱電偶將溫度變化轉變?yōu)槲⑷醯碾妷盒盘?，?jīng)放大器放大后輸入采集卡轉化為溫度數(shù)據(jù)，并傳輸?shù)接嬎銠C采集軟件記錄實時數(shù)據(jù)。2結果與討論2.1imd薄膜停滯2.1.1薄膜的安裝與溫度度傳感器安裝溫度測量實驗采用自行設計制造的IMD平板測試模具，型腔深度3mm，長寬為180mm×90mm。模具為配合模內(nèi)轉印工藝采用倒裝模設計，即型腔位于動模，型芯位于定模，在型腔處還留有薄膜進出的開口。型腔外側設置有壓邊框，與注塑機頂出裝置相連接，其作用是壓緊薄膜，并利用型腔內(nèi)的真空孔抽取薄膜與型腔內(nèi)的空氣使薄膜緊緊吸附在型腔上。模具剖視圖與平板主視圖如圖1所示。模具內(nèi)溫度傳感器安置位置如圖1(a）中3、4所示，在上下模芯內(nèi)開孔并放置2個直徑1mm的溫度傳感器，使其測量端口深入型腔表面，2個傳感器均位于垂直于分型面的同一截面內(nèi)，為了防止測量時定模內(nèi)熱流道的高溫對模具溫度場造成影響，傳感器在分型面方向布置于距離澆口較遠的邊緣地帶。冷卻管道布置如圖2所示，在動定模側均布置有冷卻水路，相對于平板對稱分布。2.1.2動模溫度場分析采用上文所述的實驗方法和工藝條件，為了研究IMD薄膜滯熱效果，設置了對照試驗，在不加IMD薄膜的情況下進行注塑實驗，測量得到的一個注塑周期內(nèi)的模具溫度場如圖3(a）所示。按照IMD工藝注塑流程以及瞬態(tài)測溫法進行實驗，得到一個注塑周期內(nèi)的模具溫度場如圖3(b）所示。通過常規(guī)注塑模具溫度場和IMD工藝下模具溫度場對比，我們可以發(fā)現(xiàn)普通工藝中動模與定模溫度場變化基本保持一致，制件在厚度上均勻冷卻；在IMD工藝下模具的動模與定模側產(chǎn)生明顯的溫度差異，在動模側模具溫度場變化較大，薄膜的滯熱作用明顯，定模側溫度變化則與常規(guī)注塑基本一致。定模溫度場曲線在2s處曲率快速增加，然而動模側溫度場曲線則在2.8s處曲率才開始變化，這表示在定模傳感器探測到熔體前沿0.8s后動模傳感器才感應到熔體前沿的經(jīng)過。分析在時間上延遲的原因主要為熱量傳遞的遲滯。為了進一步研究模具兩側溫度場的差異，取定模側溫度場曲線與動模側曲線中對應時間下的溫度差值作為薄膜在注塑中造成隨時間變化的滯熱溫度場，如圖4所示，可以發(fā)現(xiàn)在2～3.5s時滯熱溫度迅速增加并在3.5s時達到最大滯熱溫度8.6℃，隨后又緩慢降低。2.2影響薄膜延遲的因素2.2.1薄膜滯熱分析使用薄膜厚度為0.2mm的ABS薄膜作為片材，按照上文試驗流程及表2所示的注塑工藝。設置兩因素實驗分析PC和PC/ABS2種材料下的工藝參數(shù)對薄膜滯熱產(chǎn)生的影響，如圖5所示。根據(jù)圖5(a）及圖5(b）的結果可以看出，模具溫度升高可以降低薄膜的滯熱作用。由圖5(c）和圖5(d）可知熔體溫度的升高增大了薄膜的滯熱效果。PC材料和PC/ABS材料對應的2個工藝參數(shù)對薄膜的滯熱影響具有一致的規(guī)律。對于PC/ABS材料，將模具溫度從40℃增加到80℃，薄膜滯熱溫度下降幅度約為1.2～2.1℃，且當熔體溫度為230℃，模具溫度80℃時產(chǎn)生了最小滯熱溫度7.3℃；當固定模具溫度而將熔體溫度增加40℃時，薄膜滯熱溫度增加幅度約為2.5℃，且當熔體溫度270℃，模具溫度40℃時具有最大滯熱溫度11.9℃。當PC作為塑料基材時，將模具溫度從40℃增加到80℃，薄膜滯熱溫度下降幅度約為0.9～2.8℃，當熔體溫度為270℃，模具溫度80℃時產(chǎn)生了最小滯熱溫度11.2℃；當固定模具溫度而將熔體溫度從270℃增加至310℃時，薄膜滯熱溫度增加幅度約為1.7～3.6℃，且當熔體溫度310℃，模具溫度40℃時具有最大滯熱溫度15.7℃。為了分析2種材料的薄膜滯熱現(xiàn)象，根據(jù)標準ASTMD2717-95，利用熱線法固體導熱系數(shù)儀（TC-3010）測得各實驗材料的導熱系數(shù)。各材料在240℃時的導熱系數(shù)及比熱等熱物性參數(shù)如表3所示。同時根據(jù)標準ISO11443-2014，利用毛細管流變儀CR-6000測得240℃時本實驗所用PC和PC/ABS材料的黏度曲線，發(fā)現(xiàn)PC材料的黏度大于PC/ABS材料，PC/ABS材料的流動性相對較好，如圖6所示。根據(jù)分析，采用PC作為塑料基材產(chǎn)生的滯熱溫度比PC/ABS要高，這是由于二者的導熱系數(shù)雖然差別不大，但由于PC材料的流動性低，為保證正常充模需提高熔體溫度，則帶來的熱量也更多，散熱更慢，最終造成薄膜的滯熱效果也較強。因此當IMD工藝采用PC等低粘度材料時，應盡量增強模具冷卻系統(tǒng)的散熱能力和效率，提高散熱速率。2.2.2材料導熱系數(shù)對滯熱實驗結果的影響將PET和ABS分別作為制件注塑片材，PC/ABS作為注塑基材進行注塑實驗。工藝參數(shù)設定為模具溫度80℃，熔體溫度240℃，分別使用厚度為0.125、0.175、0.2、0.5mm的薄膜進行模內(nèi)注塑，得到薄膜的滯熱實驗結果如圖7所示。從圖7中可以看出，滯熱溫度隨著薄膜厚度的增加而增加，且增加趨勢近似于線性增長。從一維導熱原理分析，根據(jù)傅里葉（Fourier）定律，當傳熱在特定時間下，模具內(nèi)熱流密度與材料導熱系數(shù)在理論上保持不變，則厚度方向上的溫度差與厚度成正比例關系，即薄膜厚度越大，其兩側的溫差越大，并導致模具兩側溫差增加。當采用相同厚度的薄膜時，PET薄膜的滯熱溫度比ABS薄膜高約1℃，且當薄膜厚度為0.5mm時，兩種薄膜均達到最大滯熱溫度。這主要因為相同溫度下PET裝飾薄膜的導熱系數(shù)較小，導熱能力較低，則薄膜滯熱效果更大。因此對于INS工藝，由于薄膜厚度較大，在注塑過程中必須加大動模側的冷卻力度，以減小模具內(nèi)冷卻不均對制件造成的影響。2.3薄膜熱成像技術的影響2.3.1薄膜內(nèi)外側溫度變化將IMD平板的三維模型導入到Moldflow軟件中，建立平板仿真模型，材料為ABS樹脂，模擬冷卻分析得出的溫度分布仿真結果如圖8所示。其中圖8(a）及圖8(b）表示充填開始4.4s時薄膜-模具界面與薄膜-熔體界面的薄膜側溫度場分布，圖8(c）與圖8(d）則表示熔體-薄膜界面和熔體-模具界面熔體側溫度場。從圖中可以看出冷卻開始階段薄膜內(nèi)外側溫度差距較大，內(nèi)側整體約126℃而外側處于60℃左右；熔體溫度相對較高，內(nèi)側約136℃而外側約75℃。在模具與熔體、薄膜理想接觸的情況下，由此可以計算此時動模與定模的溫度差約為15℃，對比前文的實驗結果發(fā)現(xiàn)該結果比實驗結果略高，主要原因來自于溫度傳感器的測量誤差。圖9表示充填時刻下的熔體流動前沿，可以發(fā)現(xiàn)熔體在流動時發(fā)生偏移，并明顯偏向于薄膜一側。傳統(tǒng)注塑條件下熔體在充模時的前沿流區(qū)不同于主流區(qū)，其流動行為更為復雜，流動形式則呈現(xiàn)為“噴泉”流動如圖10所示，設置T從圖11中T圖12測溫點處熔體內(nèi)部厚度方向上等分T熔體兩側的溫度差異如圖13所示，可以發(fā)現(xiàn)在第5s時差異達到最大40℃，隨后逐漸降低；而隨著與薄膜距離的減小，熔體外側冷卻不均現(xiàn)象遠大于內(nèi)側。對于外側點T薄膜的滯熱現(xiàn)象對熔體的充填與冷卻均產(chǎn)生了負面影響。在充填階段裝飾薄膜影響熔體的流動前沿，使熔體流動偏向于薄膜一側；在冷卻階段偏向于薄膜側的熔體溫度冷卻速度低于模具側熔體，使熔體在厚度方向上產(chǎn)生冷卻不平衡的現(xiàn)象，并且熔體厚度不同梯度下冷卻不均程度不同，外側冷卻不均的程度遠大于熔體內(nèi)側。2.3.2薄膜滯熱的影響對本文建立的IMD平板模型進行翹曲分析，根據(jù)工藝參數(shù)對滯熱溫度的影響結果，設置工藝參數(shù)按照表4設置。翹曲仿真結果如圖14所示，從分析結果中可以看出在相同的注塑工藝下，加入薄膜的平板翹曲量為0.89mm，比未加入薄膜的平板（0.29mm）高出了3倍，這說明薄膜的滯熱作用對制件的翹曲產(chǎn)生了較大的影響。在圖15中將翹曲變化比例放大10倍后可以發(fā)現(xiàn)平板制件向著薄膜側彎曲。分析原因主要是由于薄膜的的滯熱使制件兩側產(chǎn)生冷卻不均，進而產(chǎn)生較大的殘余應力；同時薄膜側冷卻較慢產(chǎn)生了更高的結晶度，使得內(nèi)側收縮加大，翹曲向著薄膜側彎曲。3薄膜滯熱對材料滯熱效果的影響(1)IMD薄膜延緩了熔體對模具的熱量傳遞，在IMD薄膜的作用下動模側模具溫度場變化滯后于定模約0.8s，從熔體進入型腔開始直到充滿整個型腔，薄膜滯熱效應呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢，且在注射時間為3.5s時，薄膜滯熱溫度差達到最大值為8.6℃；(2）工藝參數(shù)、薄膜厚度與薄膜材料均影響IMD薄膜的滯熱效果，且不同的熔體材料薄膜滯熱效應不同；以PC/ABS作基材為例，增加模溫40℃可降低滯熱溫度1.2～2.1℃，增加熔體溫度40℃則使滯熱效果增強2.5℃，薄膜厚度增加0.4mm滯熱溫度增長約4℃且增長呈線性關系，相同厚度下P