注塑应力
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Ansys Mechanical 短纤维复合材料结构仿真解决方案
Ansys Mechanical 2021R1填补了短纤维增强复合材料注塑成型和结构模拟之间沟壑，这一新的工作流程使短纤维增强塑料的模拟比以往任何时候都更容易和更快。 Ansys 2021 R1最新版本的Ansys Mechanical能够模拟注塑塑料的真实和复杂细节，如纤维的方向和零件中存在的注塑应力。这将大大提高结构开发的准确性。
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注塑应力的实例教程
针对(丙烯腈/丁二烯/苯乙烯)共聚物(ABS)注塑件在使用中经常出现放射状裂纹,从而造成制件报废的问题。人们在分析原因时往往只考虑成型工艺的影响,而忽视使用环境的影响。
通过试验找到了ABS注塑件使用中产生的裂纹是因乙酸、油漆稀料等造成的外应力释放所致,并提出了ABS注塑件设计、制造、装配及使用的正确操作方法,为ABS注塑件的安全使用提供了科学依据。
(丙烯腈/丁二烯/苯乙烯)共聚物(ABS)树脂经共混改性后,形成了多种不同的牌号,其成型方法有注射、挤出、吸塑等,其中注射成型是主要的成型加工方法。注射成型主要有可成型复杂、尺寸精密的制件,易于实现自动化,操作简单等优点,但也存在注塑件会出现各种各样质量问题的缺点。
ABS注塑件质量分为内部质量和外部质量两方面的内容。内部质量包括制件内部的材料组织结构形态,制件的密度、强度、应力等;
外部质量即为制件表面质量,常见的有欠注(未注满)、分型线明显(跑料)、凹陷(塌坑或缩痕)、变色(分解纹)、暗纹(黑印)、熔接痕(合料纹)、银丝(水纹)、剥层(起皮)、流动痕(水波纹)、喷射流(蛇行纹)、变形(翘曲、扭曲)、光洁程度差(划伤、划痕)、龟裂(裂纹)、无光泽(不亮)、气泡(空洞或中空)、白化(有白印)等。
影响ABS注塑件质量问题的因素很多,其中应力开裂是常见的致命缺陷之一,严重阻碍了ABS注塑件的应用。
1、ABS注塑件应力开裂原因分析
应力分类及产生过程聚合物受力后,内部会产生与外力相平衡的内力,单位面积上的内力即称为应力。根据形成的原因应力可分为内应力和外应力。内应力包括主动应力和诱发应力两种类型。主动应力是与外力(注塑压力、保压压力等)相平衡的内力,故也称为成型应力。
展开 2、影响ABS注塑件应力的因素分析
影响ABS注塑件应力的因素主要有树脂的质量、成型条件、制件和模具设计的合理性、制件的使用环境和过程等。树脂的质量对制件的应力影响很大。挥发物多,分子量分布宽,制件应力就大。
成型条件的影响因素主要有材料中的水分、料筒温度、注塑压力、保压时间、模具温度等。ABS树脂成型前必须干燥,干燥程度越高,对降低内应力越明显。
提高料筒温度,可以降低熔体粘度,有利于解除分子取向,降低应力,但过高的料筒温度易使树脂分解,反而增大了制件应力,所以料筒温度应适宜。提高注塑压力或延长保压时间,会增加分子取向应力,但有利于降低收缩应力。模具温度提高会降低应力,但会使成型周期延长,增加了树脂分解的可能。
制件和模具结构主要包括制件厚度、转角过渡、进料方式等。如浇口位置、冷却管道的位置会对制件的成型质量有较大影响。增加制件壁厚会降低分子取向应力,但使收缩应力增加。制件转角处用圆弧过渡,可避免应力集中。
制件的使用环境主要包括受力情况、是否接触溶剂等。制件装配中与金属组合,应控制装配扭矩,过大的扭矩易使ABS注塑件在组合处产生较大应力。易使ABS注塑件应力开裂的溶剂或溶剂气体环境应避免接触。
展开 在保压阶段，跟着熔体温度的降低，熔体粘度敏捷增加，此时若施以高压，必定导致分子链的逼迫取向，从而形成更大的取向应力。
⑤注射速度
注射速度越快，越容易造成分子链的取向程度增加，从而引起更大的取向应力。但注射速渡过低，塑料熔体进入模腔后，可能先后分层而形成熔化痕，产生应力集中线，易产生应力开裂。
所以注射速度以适中为宜。最好采用变速注射，在速度逐步减小下停止充模。
⑥保压时间
保压时间越长，会增大塑料熔体的剪切作用，从而产生更大的弹性形变，冻结更多的取向应力。所以，取向应力随保压时间延长和补料量增长而明显增大。
⑦开模残余压力
应适当调剂注射压力和保压时间，使开模时模内的残余压力濒临于大气压力，从而避免产生更大的脱模内应力。
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展开 ④保压压力
保压压力对塑料制品内应力的影响大于注射压力的影响。在保压阶段，随着熔体温度的降低，熔体粘度迅速增加，此时若施以高压，必然导致分子链的强迫取向，从而形成更大的取向应力。
⑤注射速度
注射速度越快，越容易造成分子链的取向程度增加，从而引起更大的取向应力。但注射速度过低，塑料熔体进入模腔后，可能先后分层而形成熔化痕，产生应力集中线，易产生应力开裂。所以注射速度以适中为宜。最好采用变速注射，在速度逐渐减小下结束充模。
⑥保压时间
保压时间越长，会增大塑料熔体的剪切作用，从而产生更大的弹性形变，冻结更多的取向应力。所以，取向应力随保压时间延长和补料量增加而显著增大。
⑦开模残余压力
应适当调整注射压力和保压时间，使开模时模内的残余压力接近于大气压力，从而避免产生更大的脱模内应力。
（3）塑料制品的热处理
塑料制品的热处理是指将成型制品在一定温度下停留一段时间而消除内应力的方法。热处理是消除塑料制品内取向应力的最好方法。
对于高聚物分子链的刚性较大、玻璃化温度较高的注塑件；对壁厚较大和带金属嵌件的制件；对使用温度范围较宽和尺寸精度要求较高的制件；时内应力较大而又不易自消的制件以及经过机械加工的制件都必须进行热处理。
对制件进行热处理，可以使高聚物分子由不平衡构象向平衡构象转变，使强迫冻结的处于不稳定的高弹形变获得能量而进行热松弛，从而降低或基本消除内应力。常采用的热处理温度高于制件使用温度10~20℃或低于热变形温度5~10℃。
热处理时间取决于塑料种类、制件厚度、热处理温度和注塑条件。一般厚度的制件，热处理1~2小时即可，随着制件厚度增大，热处理时间应适当延长。提高热处理温度和延长热处理时间具有相似的效果，但温度的效果更明显些。
展开 塑料内应力是指在塑料熔融加工过程中由于受到大分子链的取向和冷却收缩等因素而产生的一种内在应力。
当大分子链间的作用力和相互缠结力蒙受不住这种动能时，内应力平衡即受到破坏，塑料制品就会产生应力开裂及翘曲变形等现象。
溶剂法
1、醋酸沉浸
所使用的乙酸(CH3COOH)必须是95%以上的乙酸且反复使用次数不得超过10次测试。
①表面应力测试：将乙酸(冰醋酸)倒入玻璃器皿中，将产品完全浸在乙酸里，时间为30秒。30秒后用夹子将样品取出并马上用净水(自来水即可)冲刷清洁，察看样品表面有无发白及裂纹。断定：不得有任何开裂现象，容许表面有稍微发白。
②内应力测试：将表面应力测试及格的样品擦干后完全浸在乙酸里，时间为2分钟。2分钟后将样品取出并当即用清水(自来水即可)冲洗干净，视察样品有无发白及裂纹。
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注塑应力的最新内容
而较高的注塑温度，可以降低产品的注塑残留内应力，从而提高材料的电镀性能。相关研究表明，相较于注塑温度为230℃的产品，温度提高到260℃-270℃时，镀层结合力提高约50%，同时表面外观不良率也大大降低。
然而，注塑温度也不能过高，如果超过了材料的裂解温度，将会导致注塑产品表面的外观不良，进而影响其电镀性能。
而较高的注塑温度，可以降低产品的注塑残留内应力，从而提高材料的电镀性能。相关研究表明，相较于注塑温度为230℃的产品，温度提高到260℃-270℃时，镀层结合力提高约50%，同时表面外观不良率也大大降低。
然而，注塑温度也不能过高，如果超过了材料的裂解温度，将会导致注塑产品表面的外观不良，进而影响其电镀性能。
背压
这是螺杆后退前所须要产生及超越的压力，采用高背压虽有利于色料散布均匀及塑料熔化，但却同时延长了中螺杆回位时间，减低填充塑料所含纤维的长度，并增加了注塑机的应力；故背压越低越好，在任何情况下都不能超过注塑机注塑压力（最高定额）的20%。
射嘴压力
射嘴压力是射嘴里面的压力。它大约就是引起塑料流动的压力。它没有固定的数值，而是随模具填充的难度加大而增高。
易使ABS注塑件应力开裂的溶剂或溶剂气体环境应避免接触。
注塑制品的内应力包两种：一种是注塑制品成型应力，另一种是温度应力。当熔体进入温度较低的模具时，靠近模腔壁的熔体讯速地冷却而固化，于是分子链段被“冻结”。由于凝固的聚合物层，导热性很差，在制品厚度方向上产生较大的温度梯度。制品心部凝固相当缓慢，以致于当浇口封闭时，制品中心的熔体单元还未凝固，这时注塑机又无法对冷却收缩进行补料。
所谓应力，是指单位面积里物体所受的力，它强调的是物体内部的受力状况；一般物体在受到外力作用下，其内部就会产生抵抗外力的应力；物体在不受外力作用的情况下，内部固有的应力叫内应力，它是由于物体内部各部分发生不均匀的塑性变形而产生的。
按照内应力作用的范围，可将它分为三类：
（一）第一类内应力（宏观内应力），即由于材料各部分变形不均匀而造成的宏观范围内的内应力；
塑料内应力是指在塑料熔融加工过程中由于受到大分子链的取向和冷却收缩等因素而产生的一种内在应力。
当大分子链间的作用力和相互缠结力蒙受不住这种动能时，内应力平衡即受到破坏，塑料制品就会产生应力开裂及翘曲变形等现象。
如何实现力学分析
ANSYS Mechanical 2021R1短纤维增强复合材料力学特性仿真功能得到了增强，该功能能够模拟注塑材料的真实和复杂细节，如纤维的方向和零件中存在的注塑应力等。下文主要阐述在Mechanical 2021R1中如何实现短纤维增强复合材料的力学分析。
总体上需要建立图1的项目流程并分析一个短纤维复合材料注塑而成的简单模型。
Ansys 2021 R1最新版本的Ansys Mechanical能够模拟注塑塑料的真实和复杂细节，如纤维的方向和零件中存在的注塑应力。这将大大提高结构开发的准确性。
本直播将介绍在Ansys Mechanical中开展短纤维注塑结构强度、振动特性分析的流程、方法及Demo。
易使ABS注塑件应力开裂的溶剂或溶剂气体环境应避免接触。
