Failure of Rapid Prototype Molds during Injection Molding英语翻译.docx
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xxx,xx材控x班,学号:
xxxxxx
注射成型过程中快速原型模具的失效
J.S.科尔顿1,J.克劳福德1,G.范文1,V.罗德特1
高分子材料加工中心,机械工程学院
佐治亚理工学院,美国佐治亚州亚特兰大
由k.k.王
(1)呈交,美国纽约州伊萨卡
摘要
光固化快速模具材料(通常为环氧基的光敏聚合物)显示了零件的数量有限的巨大注塑潜力,大大缩短了产品生产时间。
然而,,因为他们的实力,热特性,以及比其它模具材料更短的寿命,他们向设计师提出了的挑战。
本文介绍了在注塑循环过程中产生的力量,以便评估的快速工具的适用性模型。
在注射过程中的模型包括热负荷和机械负荷,冷却收缩和喷出。
研究表明工艺条件对的材料特性的影响。
实验结果在这里呈现。
关键词:
快速成型,注塑模具,失效
1引言
快速制模为注塑成型数量有限的零件显示出有力的保证,大大缩短了时间的产品,例如,[1-6]。
然而,光固化(SL)快速模具材料(通常为环氧基光聚合物)向设计师们提出了挑战,因为他们的实力和热性能均不如传统的模具钢。
此外,需要较长的周期。
在美国以外的某些情况下,填料的加入可以增加强度,但可能会干扰固化。
SL注塑模具相比其他模具材料有更短的寿命,其中一个原因是它们在温度接近其玻璃化转变(Tg)的还在运作。
此外,在光固化过程的分层制造和拔模角度的要求在表面上的部分产生阶梯,此能提高喷射力,并能产生应力集中的楼梯。
本文介绍了成型周期中产生的力模型以便评估是否适合用于注塑成型的快速工具。
快速成型模具材料的材料特性是通过在注射成型时在模具中存在类似的温度时的机械测试(拉伸强度和弯曲)和动态力学分析(DMA)进行评估的。
机械试验表明,SL成型材料的脆性方法失败伴随着几乎没有任何疲劳行为。
通过差示扫描量热法(DSC)证明,即使它们在加工过程中是完全固化的,还是观察到一些机械性能的变化是由于机械和热循环的模具材料。
这些提供用于计算所要求的特性。
在注射过程中,可能会导致该聚合物的流动进入模腔模具的功能偏转和打破,特别是后一个模具加热时的周期数。
这些力,加上模具温度依赖特性,采用有限元技术的模具功能偏转或可能的模具失效的程度来确定。
实验验证这些理论的结果。
在冷却过程中,一部分通常会收缩到模具的芯上。
固有的阶梯SL模具的几何形状,它的几何模型,可以从理论上确定。
这些贡献都被纳入一个喷射力模型。
有限元技术被用于计算喷射力。
提出了弹射力的实验数据。
2理论建模
2.1注射阶段
本文研究的第一个特征是一个独立的肋,它被建模为有着线性递减分布载荷(即更高的负载在其自由端)的悬臂梁(图1),由传入的聚合物流表示加载。
最大的模具功能偏转,ymax,用有限元法和悬臂梁偏转(公式1)的基本方程预测。
此外,预测的应力,σ,经历了里面的功能,利用有限元分析的基本弯曲式(公式2)预测。
其中P是一个点载荷在梁端,L是其长度,W是一个分布式的负载上梁,E是弹性模量,I是截面二次矩,M为弯矩,c是梁厚度的一半。
C-模具,注塑成型模拟程序预测悬臂梁由于传入聚合物流上的力和力矩。
有限元分析的详细介绍在第2.3节。
如果压力超过其材料的最大弯曲应力,模具特点是预测失败
2.2冷却和排出阶段
喷射力的模型开发结合主要因素的影响:
固有的热收缩率和阶梯状轮廓(图2)效果相结合。
在数学上,
图1:
样本特征和型腔几何
F摩擦,热和F定义,梯级分别表示由于热收缩和阶梯状产生的喷射力组件。
对于具有核心功能的一般的模具,成型部分冷却和合同在核心上,在核心处创建界面处的接触压力。
接触压力在弹射过程中产生的摩擦,F摩擦,热必须加以克服,使弹射成为可能。
对于模具的核心功能,F摩擦,热可使用厚壁容器近似[1]来估计。
对SL过程的分层特性,导致图2中所示的阶梯状的现象。
这个阶梯状配置创建了倒勾或重叠,防止了成型零件的弹出。
阶梯状配置通过多个喷射周期[2]保留。
因此,零件和模具必须弹性变形,克服重叠(F定义,梯级),以使弹射成为可能。
图2:
阶梯几何
为了规定F定义,梯级,重叠δ数学量化。
为了实现这一目标,阶梯状配置是用导出的配置公式[3]被塑造的。
算术平均粗糙度(Ra),并因此,SL工具表面的重叠δ可被估计如下:
其中θ是拔模角度,CLw是线的宽度补偿或光束补偿,ι是生成层的厚度,以及OC是固化。
CLw和OC取决于树脂型,激光型和机器设置。
通过结合F摩擦,热和F定义,梯级喷射力方程为:
其中,P热敏电阻是由于热收缩的接触压力,μeq是一个等效的摩擦系数,μ是模具和零件的材料之间的摩擦系数,SA是沿喷射方向的接触面积,△T为从喷射到注射的温度变化,r为水力半径=(2*面积/周长)中,E为杨氏模量,ν为泊松比,m,p分别是模具和零件的下标表示。
提及△Tp,部分材料的杨氏模量只有在温度低于其玻璃化温度Tg,p时是显著的。
因此,由于部分冷却后产生的热应变只有在部分冷却到低于Tg,p才能被收入。
换句话说,△Tp=Tg,p—Te,p其中,Te,p表示喷射温度的一部分。
2.3有限元建模与分析
有限元分析对力方程(方程2和5)和实验结果进行验证,以及将其用作独立的模型来预测注射和弹射力的情况时力的方程可能是不够的,例如,较大尺寸的模具或更复杂的几何形状。
一个耦合场序技术被用于进行热分析和模具/部件集后续的结构分析。
对于注射而言,C-模具是用来确定的热和压力状态。
ANSYS然后被用来确定应力状态。
弹射,3-D建模使用ProE与ANSYS模具/部件集。
热分析在ANSYS中进行,获得模具/部件集内的瞬态温度分布。
热分析结果作为结构分析输入,以确定弹射时应力状态分析。
该接触应力当即获得。
3实验程序
3.1材料表征
通过实验,以确定两种光固化树脂的机械性能的影响:
CibaTool7510和DSMSomos7110。
动态力学分析(DMA)(单悬臂35x12x2mm),紧凑的八字形(ASTMD638-94b:
II型),弯曲和断裂韧性(ASTME399-90(B)为12mm的厚度)试样建于三个方向:
顶部,底部和侧面。
这些名称是指在生成过程中产生的部分分层的位置(图2)。
构建和一小时的紫外线室后,部分在80℃的热炉内进行2小时的固化。
样品在没有进一步老化(NA)的状态下进行测试;一个热老化状态(TA)-在80℃下经受6小时;和一个机械老化状态(MA)-在30℃的DMA里经受1000次1mm振幅的弯曲循环。
以一种方式模拟后者条件的加工效果。
来自TA仪器的一个2890DMA模型和来自被用于测试的Instron的一个4446型万能材料试验机(UTM)携带型号A74低温的试验箱。
DMA试验是一个以3℃/min的扫描速率,20um的位移和1赫兹频率来进行的,来确定Tg,E'(储能模量)和E''(损耗模量)。
DMA也进行了疲劳试验。
疲劳试验是以1mm的振幅为7510树脂进行300次弯曲循环,直到7110树脂的故障。
拉伸试验在UTM上以1.5mm/min与25mm的标距长度和引伸计。
3.2注塑成型实验
部件(图1和图3)使用雪佛龙MC3600聚苯乙烯被注射模制在日本住友注塑机(SG75-CI60-MLLL)。
模具内置了使用CibaTool7510的一个3D系统SLA3500。
在图1中,51um(0.002'')的层厚度的部件被使用。
表2包含的几何形状零件。
对于在图3中,模具的部件均建有层厚度51um(0.002'')的,102um(0.004'')和153um(0.006'')。
对于图中的零件,拔模角1°,3°,6°上的模具被用于核心。
腔体尺寸(部分尺寸)[液压]内半径r=5.4mm(0.250''),厚度t=2mm(0.079''),高度H=16mm(0.625'')。
弹射力由Dynisco换能器放在背后的推顶销进行测量。
图3:
方块和凸台的部分
4结果
4.1材料表征
无统计学显著差异在两种树脂作为构建风格功能的机械性能(拉伸或弯曲,静态或动态)中被找到。
后固化完全粘合了层一起,从而否定分层的影响,由此防止分层裂纹的增长。
60和70℃之间的杨氏模量大幅下降(图4)示出材料的T。
上面的T,该材料发生延性的方式失败,下面,用脆性的方式进行。
建模是很重要的。
类似的结果,发现屈服强度和极限拉伸强度。
老化被发现对在UTM的性能测量没有可辨别的作用。
温度(C)
图4:
弹性模量作为温度和老化的功能
六个小时的热老化似乎增加挠曲模量,如由DMA(表1)进行测定。
此表也表明,增加测试温度大大减少循环次数的失败。
机械老化似乎没有任何影响。
UTM上的疲劳试验和DMA删的疲劳单悬臂测试显示老化树脂7510往往有更高的强度(表1)。
树脂7110给出的结果类似关于杨氏模量的下降与结果周期循数目增加根据时效处理具有相同的趋势。
同样,一条S-N线伴随UTM被实现,此外,S-N曲线(恒定的频率(赫兹),而在负载控制。
再次,老化样品似乎失效定的频率(赫兹),而在负载控制。
再次,老化样品似乎,__________________________________________________________________________________________________有更长的时间。
在NA(3.36)和TA(3.37)的样品之间的KLC值无显著差异。
因此,该材料的固化有对裂纹扩展没有影响。
表1:
平均模量和Tg值
图5:
疲劳行为SL树脂7510
4.2注塑结果
表2计算值与实测的挠度特性进行比较。
人们可以看到,实验值和理论值之间的差异,由于在建模不准确或使用注射成型模拟估算注射压力的不准确。
作为边注,它已被提出,特征偏转过程中可能出现的冷却阶段已被提出。
由收缩引起这种运动可能进一步变形很小模具的特点。
表2:
特征偏转比较
4.3弹射结果
图6比较为SL工具对实验值计算的平均粗糙度的比较。
计算值与实测值之间的良好配合表明,阶梯模型是适当的制定弹射力方程。
表3比较了由方程3-7的测定值计算出的喷射力。
采取在喷射温度的杨氏模量的值对所计算的值进行评价,典型的范围从60-75℃对SL插入和7585°C对模具部件。
所示的测量值被平均到从30个或更多部分的批次。
可以看出,该计算值是在大多数情况下在平均实验值的10%。
图6:
SLA部分粗糙度
表3:
脱模力
图7呈现用于在喷射模的温度分布的有限元的热分析的结果。
图8描绘了在模具内喷射的应力分布。
图7:
热有限元法的分析结果
表4示出结果的结构为有限元分析,并将其与由方程3-7计算出的值比较。
有限元分析结果的广泛是由于强调的极端值出现在顶部和底部的模芯。
远离这些极值点时,接触应力是相对均匀的,并且是相当接近由方程3-7中预测的值,即假定一个均匀的应力预测的值。
5总结
本文所提出的模型和实验结果的塑料部件在sterolithographic模具注塑成型。
在注射过程中的温度和力,冷却/收缩,喷出阶段进行建模,计算和测量。
在这些条件下的材料特性被确定为输入到模型。
该力方程给了看到的模具注塑和弹射力的好估计。
有限元分析提供了方式来获得合理的温度资料和冷却时间的预测,用来计算在注入和弹出过程中的应力状态和部位。
图8:
有限元应力分析结果
表4:
有限元计算结果的比较和计算
构建定位对机械性能没有影响。
温度降低了模具的机械性能;低于T时观察到脆性断裂;在此之上,收益率占主导地位。
可以借鉴SLA模具的设计准则。
在注射过程中,表面温度高于T,(约120'C)在表面上,因此,对于小的特性强调的弯曲,可以使用的屈服应力值作为破坏准则。
在喷射时,由于冷却温度降低,可以使用一个断裂力学的方法解决。
6致谢
这项工作是由乔治亚理工大学快速成型与制造研究所和美国国家科学基金会(DMI-9618039)赞助的。
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