水辅助共注塑工艺机理的数值模拟与实验研究

水辅助共注塑是成型具有双层包覆结构的中空制件的新型注塑工艺，成型过程中涉及多相层间形貌及微观组织的演变，其演变机理尚不明了，这成为该工艺成功应用的技术瓶颈。因此，申请人在前期研究工作基础上，拟采用理论研究与实验相结合的方法，突破常规注塑模拟中基于纯粘本构模型和Hele-Shaw流动模型的思想，提出采用粘弹本构模型和3D流动模型进行水辅助共注塑充填过程模拟，采用一维热传导模型和结晶动力学模型进行该工艺冷却与结晶过程模拟的思路。研究内容包括：聚合物熔体粘弹性能、各工艺参数及型腔构型对各相流体流动穿透的影响机理及规律；各因素对其冷却过程及结晶演变的影响机理及规律；建立较系统、科学的工艺实施指导思想和优化原则。本项目旨在阐明水辅助共注塑工艺中层间形貌及组织结构的演变机理，揭示各因素对层间形貌及组织结构的影响规律，其研究成果将为促进水辅助共注塑工艺在我国的顺利实施与推广奠定基础。

水辅助共注塑（WACIM）工艺以其制品良好的综合性能和内外表面质量而日益受到关注，但其工艺过程与机理也非常复杂。本项目采用数值模拟与实验相结合的方式首次系统研究了WACIM工艺宏观分层形貌与微观形态组织的影响因素与机理：.(1)分别基于纯粘本构和Giesekus粘弹本构，建立了WACIM充填过程各相非等温流动与穿透行为的机理模型。并分别基于Fluent二次开发平台和Openfoam开源程序平台实现了基于纯粘本构和粘弹本构的WACIM充填过程的二维轴对称模拟（圆直管）和3D模拟（异形截面直管及弯管）。结合实验，探究了聚合物熔体粘弹性能、型腔构型及工艺参数对各相层间形貌演变的影响规律与机理。研究发现：只有内层熔体的粘度低于外层熔体的粘度才能保证内层熔体穿透的平稳性及外层壁厚的均匀性；内层熔体零剪切粘度弹性分量越大，其残留壁厚越薄；内层熔体的松弛时间越低，其残留壁厚越厚；第一法向应力差主要受到注水压力和内层注射量与注射速度的影响；型腔截面越大，中空率越大；截面圆率越大，中空率越大；内层穿透截面趋于型腔截面形状，而水的穿透截面趋于圆形；直管残留厚度较为均匀，弯管外侧残留壁厚比内侧要厚；弯管内侧残留壁厚受圆角半径影响较大；弯管外侧残留壁厚受弯曲角度影响较大；溢流法的残留壁厚更为均匀，内外层壁厚主要受注射延迟时间、注水延迟时间、注水压力的影响；而短射法的残留壁厚则分为一次穿透、二次穿透，一次穿透还分为前段和后段，残留壁厚不均；一次穿透长度主要受熔体预注量和注水延迟时间影响；一次穿透前段残留壁厚主要受注水延迟时间和注水压力的影响；一次穿透前后段残留壁厚差主要受熔体预注量、注水延迟时间和注水压力的影响。.(2)基于非等温Nakamura结晶动力学模型，考虑流动过程的影响，实现了WACIM冷却结晶过程的数值模拟，与实验测试结果吻合较好。研究发现：在WACIM工艺中，外层的结晶度从近外表面到近分层界面逐步上升，晶粒从小到大的变化；内层的结晶度从近分层界面到近水道内壁面降低，晶粒从大到小变化。近外表面和近水道内壁面的结晶度较低时因为模壁及水的冷却导致；在WACIM分层界面处的结晶度比对应的WACIM相同位置的结晶度要略高，这是由于外层与内层分层剪切流动使得结晶诱导时间缩短所致。.本项目的研究结果将为WACIM工艺的选材、制件设计及工艺参数调整策略提供较系统、科学的指导建议。