一模四腔分區(qū)加熱IMD 膜高壓成型研究

摘要: 針對模內(nèi)裝飾(IMD) 膜片一模四腔高壓成型中膜片表面溫度分布均勻性的問題，提出IMD 膜片分區(qū)加熱高壓成型工藝。通過IMD 膜片的熱多向拉伸試驗(yàn)獲取聚對苯二甲酸乙二醇酯(PET) 膜片材料在不同溫度下的黏彈塑性模型的材料參數(shù)，在ABAQUS 軟件中進(jìn)行一模四腔PET 膜片的分區(qū)加熱高壓成型有限元模擬分析，在此基礎(chǔ)上，在高壓成型機(jī)上進(jìn)行了工藝實(shí)驗(yàn)。結(jié)果表明，在一定溫度組合下的分區(qū)加熱方式可以改善PET 膜片局部區(qū)域厚度減薄率過高、成型膜片側(cè)壁區(qū)域厚度極薄的現(xiàn)象發(fā)生，可防止膜片油墨被拉開、圖案失真等問題。

模內(nèi)裝飾( IMD) 技術(shù)是將印有圖案的IMD 薄膜放入注塑模內(nèi)進(jìn)行注塑成型的一種新技術(shù)［1］。IMD產(chǎn)品往往追求表面圖案清晰、色澤鮮明，但在IMD薄膜的高壓成型時(shí)，經(jīng)常會(huì)遇到膜片成型的側(cè)壁區(qū)域厚度被拉得很薄，導(dǎo)致覆著在膜片上的油墨被拉開而失色，產(chǎn)品圖案失真。Lee 等［2］以一個(gè)型面較為復(fù)雜的冰箱襯墊真空回吸成型為例，研究ABS 板材初始溫度分布對成型零件厚度分布的影響，發(fā)現(xiàn)板材初始溫度分布是影響零件厚度分布和厚度變化的主要因素Monteux 等［3－4］以半透明PET 板材的加熱為例，結(jié)合實(shí)驗(yàn)和數(shù)值模擬技術(shù)，發(fā)現(xiàn)不同屬性和種類的紅外加熱發(fā)射器，以及發(fā)射器與板材之間的不同距離，均對板材表面加熱的均勻性造成影響。陸佳平［4］研究了在塑料片成型中紅外輻射加熱裝置中輻射元器件的選擇及其結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)，使膜片可以受熱均勻，并介紹了兩種輻射加熱的電功率的計(jì)算方法。Chen 等［5］以連續(xù)纖維熱塑性復(fù)合板材拉伸成型為研究對象，通過有限元數(shù)值模擬技術(shù)和實(shí)驗(yàn)方式，對引起板材起皺和破裂、影響成型效果的拉伸速度、成型溫度、邊界約束等因素進(jìn)行了探討，結(jié)果發(fā)現(xiàn)溫度變化是影響厚度變形的最主要原因。鄒恒［6］研究基于聚合物片材溫度分布的加熱器溫度控制技術(shù)，主要考慮膜片中心溫度是否達(dá)到成型溫度的要求。

以上學(xué)者雖然都研究了溫度對膜片成型的影響，但對膜片表面溫度均勻性對膜片成型的影響較少涉及。而實(shí)際上膜片加熱表面溫度分布的不均勻，對膜片高壓成型過程的影響是顯著的。為此本文通過采用分區(qū)加熱的方式來改善膜片不同成型區(qū)域的溫度分布，進(jìn)而改變膜片成型過程材料的流動(dòng)性能，解決膜片不同區(qū)域厚度減薄變化過于劇烈而引起的質(zhì)量的問題。

1 溫度對PET 材料力學(xué)性能的影響

1. 1 熱多向拉伸試驗(yàn)

IMD 膜片對于溫度十分敏感，為了分析溫度對于IMD 膜片的影響，采用高分子拉伸試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行多向拉伸試驗(yàn)，可獲取PET 材料在不同溫度下的拉伸性能，通過熱多向拉伸試驗(yàn)得到PET 膜片的應(yīng)力－應(yīng)變曲線，根據(jù)該曲線擬合求解PET 膜片三參數(shù)模型，獲取材料的各項(xiàng)參數(shù)。實(shí)驗(yàn)樣品采用厚度為0. 188mm、φ140 mm 的PET 膜片，薄膜兩端被壓邊圈壓住，壓邊尺寸為20 mm。圖1 所示為熱多向拉伸的現(xiàn)場圖，圖2 為PET 樣品的形狀。

 通過IMD 多向拉伸試驗(yàn)機(jī)記錄材料拉伸過程的應(yīng)力應(yīng)變曲線，設(shè)定PET 膜片的熱多向拉伸試驗(yàn)的拉伸速率為50 mm/min，通過高分子拉伸試驗(yàn)機(jī)的溫度控制模塊設(shè)定膜片的一系列溫度( 100、125、150、175、200 ℃)， 進(jìn)行拉伸實(shí)驗(yàn)， 并通過FLIＲA310 紅外熱像儀記錄膜片表面的溫度分布情況，獲取各溫度下PET 膜片的應(yīng)力應(yīng)變曲線。

圖3 為紅外熱像儀記錄下加熱系統(tǒng)溫度為200 ℃時(shí)膜片表面的溫度場分布熱像圖。由圖可知，膜片表面的溫度分布中心區(qū)域溫度高于邊緣區(qū)域，并不是均勻分布的。圖4 為PET 膜片在100、125、150、175、200 ℃及拉伸速度為50 mm/min 下的應(yīng)力應(yīng)變曲線。根據(jù)曲線圖可知，在不同溫度下PET 膜片表現(xiàn)出的延展性差異大，溫度在125－150 ℃范圍內(nèi)時(shí)PET 膜片的延展性最大，拉伸性能最佳。而溫度達(dá)到200 ℃時(shí)膜片出現(xiàn)極度軟化，此時(shí)容易被拉破。

1. 2 材料參數(shù)求解

PET 膜片表現(xiàn)為高聚物黏彈塑性，為了表現(xiàn)這種特性，選用既可以反映高聚物的蠕變特性，同時(shí)又能描述應(yīng)力松弛特性的三參數(shù)固體模型。三參數(shù)模型如圖5 所示，由兩個(gè)理想彈簧與一個(gè)理想黏壺組成。

其中，E1 －材料在發(fā)生純彈性變形( 只發(fā)生彈性變形) 時(shí)的彈性模量; E2－材料在發(fā)生黏彈性變形時(shí)的彈性模量; η－理想黏壺的黏度。通過應(yīng)力應(yīng)變曲線擬合得到的不同溫度下PET 材料的參數(shù)，如表1所示。

2 高壓成型有限元仿真

2. 1 仿真模型的構(gòu)建

高壓成型仿真模型如圖6、7 所示，為確保仿真條件與試驗(yàn)條件的一致性，故設(shè)計(jì)的仿真膜片形狀與試驗(yàn)?zāi)て螤詈统叽缍枷嗤８鶕?jù)熱多向拉伸試驗(yàn)獲得的PET 膜片在不同溫度下的應(yīng)力應(yīng)變曲線，將三參數(shù)模型的參數(shù)輸入材料參數(shù)仿真環(huán)境中。PET 膜片采用S4Ｒ 的網(wǎng)格單元屬性，而壓邊圈及凹模均設(shè)置為剛體，網(wǎng)格單元屬性為Ｒ3D4，并且邊界條件均設(shè)置為固定不動(dòng)。根據(jù)實(shí)際工況，膜片與壓邊圈、凹模之間摩擦因數(shù)均為0. 15，因此摩擦因數(shù)設(shè)置為0. 15。高壓成型模擬過程中，考慮到膜片在成型區(qū)域所受壓強(qiáng)處處相等，因此將外載荷設(shè)置為面均布力，壓力設(shè)為5 MPa，進(jìn)行膜片的分區(qū)加熱高壓成型。膜片尺寸為: 460 mm×520 mm，厚度為0. 188 mm。

對于分區(qū)加熱的仿真，通過對PET 膜片不同區(qū)域施加不同的材料參數(shù)來實(shí)現(xiàn)，相當(dāng)于對膜片采取分區(qū)加熱的模式進(jìn)行溫度分區(qū)。將膜片分成16 個(gè)區(qū)域，不同區(qū)域施加不同的溫度下的材料參數(shù)，6、7、10、11 是主要的成型區(qū)域，定義為A 區(qū)，故應(yīng)當(dāng)施加相對較低的溫度，相對低的溫度下膜片延展性差，防止膜片過度減薄; 1、2、3、4、5、8、9、12、13、14、15、16 靠近法蘭區(qū)，定義為B 區(qū)，相對施加較高溫度，這個(gè)區(qū)域的材料的延展性能更好，在成型過程中可使這部分的材料流動(dòng)到成型區(qū)域，降低主要成型區(qū)域厚度拉得極薄的可能性。

2. 2 不同溫度組合分區(qū)加熱結(jié)果分析

通過在厚度云圖上選取不同路徑上的取樣節(jié)點(diǎn)分析膜片在側(cè)壁區(qū)域和底部區(qū)域的厚度變化情況，在實(shí)際中一般視膜片減薄率達(dá)到25%就認(rèn)為覆著在膜片表面上的油墨被拉開或圖案失真而失效。

根據(jù)不同溫度組合的溫度分區(qū)方式下的膜片厚度分布云圖8 可知: (1) 在未分區(qū)條件下，溫度為100℃時(shí)，由云圖可知，PET 膜片在100 ℃下成型，成型膜片厚度最薄為0. 124 mm，厚度最大減薄率達(dá)到34%; (2) 100－125 ℃分區(qū)成型后膜片，成型膜片厚度最薄為0. 146 mm，厚度最大減薄率達(dá)到22%;(3) 100－ 150 ℃ 分區(qū)成型之后膜片，最薄厚度為0. 149 mm，最大減薄率為20%; (4) 100－175 ℃分區(qū)成型之后膜片，最薄厚度為0. 139 mm，最大減薄率為26%; 由應(yīng)力云圖可知，膜片應(yīng)力較大的位置處于膜片的圓角和側(cè)壁位置，同時(shí)也是厚度值相對較小的位置; (5) 100－200 ℃成型之后膜片，厚度最薄為0. 120 mm，最大減薄率達(dá)到37%。

未分區(qū)和分區(qū)之后膜片的最大減薄率以及是否失效如表2 所示。由表2 可知在未分區(qū)時(shí)150 ℃的成型效果最佳，125 ℃ 會(huì)有稍微的油墨被拉開現(xiàn)象，在100、175、200 ℃時(shí)減薄率過大。在相對較低的溫度組合下，成型質(zhì)量較佳。對于組合溫度達(dá)到200 ℃時(shí)，成型效果都不理想。厚度最薄的位置一般都出現(xiàn)在拉伸幅度較大的位置處。

為了直觀體現(xiàn)膜片各區(qū)域的厚度變化情況，在膜片成型后的云圖上選取2 個(gè)不同區(qū)域的路徑，觀察2個(gè)區(qū)域的厚度分布情況。圖9、圖10 所示為不同區(qū)域的路徑上的取樣點(diǎn)。

通過在側(cè)壁和底部區(qū)域的路徑的取樣點(diǎn)繪制出側(cè)壁區(qū)域和底部區(qū)域的厚度分布曲線如圖11、圖12所示。

由厚度分布的曲線圖可知，在不分區(qū)加熱時(shí)，［125，150］℃是膜片成型較理想的溫度，當(dāng)采取分區(qū)組合的形式則溫度應(yīng)控制在150 ℃左右。通過組合100－150 ℃達(dá)到相對較佳的成型效果，最大減薄率達(dá)到20%，比不分區(qū)加熱最大減薄率可降低35%。

3 試驗(yàn)研究

3. 1 試驗(yàn)方法

在IMD 高壓成型機(jī)上，選用厚度為0. 188 mm 的印有2 mm×2 mm 網(wǎng)格的PET 膜片，膜片尺寸與仿真模型一致選用520 mm×460 mm，通過高壓成型機(jī)的溫度控制模塊對16 個(gè)紅外輻射模塊施加與模擬時(shí)一致的溫度，氣體高壓值設(shè)為5 MPa，選取其中3 組不同溫度組合分區(qū)加熱方式下的成型實(shí)驗(yàn)。選取成型后的膜片厚度分布作為成型質(zhì)量的評價(jià)指標(biāo)，通過測量成型膜片不同區(qū)域的厚度進(jìn)行結(jié)果對比分析。選取的100－100 ℃、100－150 ℃、100－200 ℃三組不同溫度組合分區(qū)加熱方式，施加的氣體高壓值為5 MPa，壓邊力為2 000 N，十字式壓邊方式進(jìn)行分區(qū)加熱高壓成型實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)完成后，以膜片成型后的厚度分布和厚度減薄率作為評判成型效果的指標(biāo)。

3.2 試驗(yàn)結(jié)果

采用數(shù)字千分尺對3 組不同溫度組合分區(qū)方式下成型后的膜片進(jìn)行沿側(cè)壁和底部區(qū)域進(jìn)行剪破處理后，測量沿著側(cè)壁和底部區(qū)域上標(biāo)記點(diǎn)處的厚度值，將測量的結(jié)果與有限元模擬的結(jié)果進(jìn)行對比。根據(jù)實(shí)驗(yàn)獲得的不同溫度下成型的膜片不同區(qū)域取樣點(diǎn)的厚度值，通過與模擬值的對比，對比結(jié)果如圖13、圖14 所示。根據(jù)實(shí)驗(yàn)值與模擬值的對比發(fā)現(xiàn)，厚度分布趨勢大體一致，結(jié)果比較吻合，驗(yàn)證了分區(qū)加熱IMD 膜片工藝的可行性與有限元仿真結(jié)果的準(zhǔn)確性。

4 結(jié)論

1) 通過分區(qū)加熱的高壓成型仿真可知，采用分區(qū)加熱的方式可以改善膜片側(cè)壁厚度較薄的缺陷，分區(qū)加熱通過改變不同成型區(qū)域材料的流動(dòng)性來實(shí)現(xiàn)厚度分布的改善。

2) 通過是否采用分區(qū)加熱的結(jié)果對比分析可知，在一定溫度組合下，分區(qū)加熱方式有助于減小膜片的最大減薄率，在100－150 ℃時(shí)減薄率最高可降低35%。

3) 通過分區(qū)加熱高壓成型的有限元模擬分析，發(fā)現(xiàn)試驗(yàn)結(jié)果與模擬值較吻合，驗(yàn)證了分區(qū)加熱IMD膜片工藝的可行性以及有限元模型的準(zhǔn)確性。