星期一, 5月 16

    熔喷布挤出模具CAE分析

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    ■型创科技 / 刘文斌 & 罗子洪

    摘要

    最近因为新型冠状病毒的肆虐,医疗口罩与N95防护口罩已变成了各国的战略物资,且一片难求;为因应口罩的爆量需求,许多相关供应链厂家都相继投入口罩与防护产品的相关生产,其中包括聚丙烯(PP)加工原料、押出模具与押出相关加工设备、模具精密加工等产业需求大幅增加且供不应求。医疗防护口罩的核心材质是PP熔喷不织布(非编织布),而其生产方式是借由押出机将高流动性PP塑胶塑化后,再经过衣架型押出平板模头展流至所需的不织布产品宽度,最后PP熔胶通过押出模头出口处模唇上数目极多的毛细管熔喷孔洞喷出,经冷却后形成最终的熔喷不织布。在连续押出生产PP熔喷不织布制程中,押出模具是生产产量、良率与产品品质与功能性的最大影响因素。所以押出衣架模头的设计攸关最终熔喷PP不织布的产品品质,本研究利用Moldex3D模流分析软体,来协助进行衣架型押出模具设计,借由CAE分析结果来评定押出模具流道系统的尺寸设计优劣,并由PP熔胶在衣架型押出模具出口所表现的性质均匀性与一致性,来调整模具设计参数与押出成型加工参数,并协助缩短产品与模具的开发时程,并提升生产产品的品质。

    前言

    防护口罩的核心材质是具有过滤细菌病毒效果的熔喷PP不织布;具有微细孔洞的PP不织布,是以非织造法的熔喷不织布连续式押出生产技术制造,生产出比头发更细的极细PP纤维不织布。熔喷不织布的加工生产方法,利用高速高温的热空气对押出模头出口喷丝孔流出的PP极细纤维进行喷气扰动牵引,PP极细纤维在高速空气喷吹下,受到极度拉伸而产生极微细纤维,之后在模具外部后段制程上的多孔性滚轮表面或是透气织布表面上进行自身凝固黏合作用而生成熔喷PP不织布产品。

    熔喷不织布的押出生产制程中最重要的核心是押出模具的设计与制作,目前业界熔喷PP不织布的宽度可以从254mm到4米多,不织布产品宽度也就决定了单座押出模头的宽度要求。熔喷PP不织布的衣架型押出模具最关键的部分包含宽度展开的流场分配歧管流道系统与模具出口的模唇毛细管微孔部分;衣架型押出模头主要是由进口区、分配歧管、狭缝区、松弛区、调节区及模唇区所构成。分配歧管展流区主要是借由展开角度、流道厚度与流动长度等参数来控制熔胶流经此区域后的展流与整流的效果;当熔胶进入押出模头出口段的模唇区域时,熔胶在宽度方向上的每一个出料孔洞,需要达到有相同料温、相同流率与相同压力。这样出料才能达到稳定与均匀,所生产的产品也才能有良好的产品品质。

    本研究利用Moldex3D模流分析软体,使用高流动性PP塑胶在不同温度与不同押出量条件下,探讨押出模具流场的流动分析及特性;如熔胶的流量均匀度、压力分布、温度变化、滞留时间、剪切速率分布…等,在流动过程中与模具出口处所显示的熔胶参数差异程度与流动趋势都会影响最终之产品品质;当建立一个衣架型押出模头,并利用CAE分析软体工具来探讨该不同的模型设计参数与不同的押出成型加工参数,在观察与比对软体分析结果,将可以评定较优化的模头设计参数与加工成型条件。最后也可以与实际模具在押出加工的现场状况加以分析比对。押出模头设计重点包括:熔胶在出口处的流量均匀度、整体的压力损失、各出料孔的均匀压力损失、释放应力程度、赋予押出时适当的产品形状、足够的模头背压等。在制程条件的调整方面,应在不影响产能与品质的情况下,使熔胶的温度尽可能均匀,不要有过多的剪切温升现象、并减少熔胶在模具内的滞留时间。

    针对塑胶产品与模具的开发,随着多元化产品之需求,原料经制程到最后的产品分析,复杂度更胜以往,过去只锁定单一制程下手,或利用尝试-错误-尝试(trial-and-error)方法,虽可提供部份之开发与结果;然而因整体产品制程有时须要牵涉到不同之加工制程,另外塑胶材料之黏弹特性也相当复杂,产品与模具设计的需求繁多,押出机台条件的设定多变化,加上产品精度要求日益严苛与复杂,此种采用摸索式的方式,在效率及功能上已无法满足实际产品与加工制程需求。另一方面,过去仰赖之单一制程的CAE技术也不能全然掌握整体制程;为此本文以衣架型押出模具产品制程为例,借由不同衣架型押出模具的流道设计参数与押出加工成型参数变化,来进行CAE模拟分析,可借由分析结果提供模具设计参数与押出加工成型参数优化的参考依据。

    数值模型

    假设高分子熔胶行为为黏弹性流体,非恒温的三维流 动之数学方程式可以表示如下:

    其中, u为速度向量、 T为温度、 t为时间、 ρ为压力、 σ为总应力张量、 ρ为密度、 τ 为额外应力张量、 k 为热传导系数、 CP为比热。 在本文中, τ由White-Metzner 模型的本质方程式可得:

    其中, λ 为松弛时间而η为黏度,两者皆式温度与剪切率的函数。 体积分率函数 f ,用来追踪波前的移动。 f=0 代表为空气, f=1 为高分子熔胶,而波前的位置就是落在格点中体积分率为 0 < f <1 的区域。体积分率随着时间的推进可以表示为下列的传输方程式:


    在模穴入口处之进胶面给定充填流率或者射出压力, 在模壁给定无滑移边界条件,而特別需要注意是, 在体积分率的传输方程式中,由于是双曲线式之方 程式,只需给定入口边界条件。本文利用有限体积法(Finite Volume Method )求解各流场与应力相关之统 驭方程式,而数值核心在许多文献已经被验证可以成 功的应用在射出成型充填模拟,而许多实验与测试也确认了此数值核心在可靠度上与效率上的表现。

    如何应用CAE模流分析技术,有效且完整地协助业者解决许多过去无法瞭解之疑难杂症,一直都是业界殷切期盼。为此,本文将就如何应用CAE模流分析技术,有效且完整地进行产品设计及开发。

    结果与讨论

    本设计分析研究以一宽度为1200mm衣架型熔喷模头厚度不同进行CAE分析,判断厚度差异对喷头处温度和压力的影响。押出熔喷布成型制程开发中,押出模具的设计考量上,主要是要让熔胶从押出机料管出口进入到衣架型平板模头,押出模头的流道设计上如何能让熔胶在宽度上有效展开,经过展流区后抵达模头出口的模唇位置时,各点位置的熔胶品质,例如流率、温度与压力都可以达到一致性。押出平板模具从入料点开始展开到出模模唇位置的流道厚度与流动长度尺寸参数设计的调动,则是衣架押出模具设计影响最终产品品质一致性最重要的因素。着重产品之均匀度外,如何有效分析预测衣架型押出模头中熔胶温度均匀的控制,常常深切地影响产品之品质。具体说来,正确的熔胶温度常常是主导优良品质的不二法门。

    图 1:高流动性 PP 材料的粘度曲线

    如图1为PP材料的黏度曲线,MFI是1500g/10min,通过黏度曲线可知,成型过程中,剪切越大,黏度越低,流动性越好,在不同温度下,阻力不同,温度越高阻力越小,反之,温度越低阻力越大。
    如图2、图3通过Moldex3D数值分析可知,熔体到达喷头的时间相近,并在喷头处熔体的温度、压力相同的情况下,模头喷出的流量方能均匀。

     

    图 2:挤出模头熔胶流动场暂态流动时间分布;图 3:挤出模头模口流动压力分布

     

    图 4:通过流动波前及等值线,判断模头出口的模唇板瞬间的熔胶流动均匀性程

    图4,通过流动波前及等值线,判断模头出口的模唇板瞬间的熔胶均匀度分布情况,此资讯可让我们预估最终由每个毛细管孔洞流出的PP熔胶,是否在流率与温度压力分布上可以有较佳的一致性。另外制程中我们也须解析模头内部各部位的暂态与稳态的压力、温度、滞留时间等情况。

    如图3、图5、图6显示模头内流动场压力分布及温度和剪切应力分布情况,透过此等可视化机制让我们能进一步深入掌握成型系统,以判断衣架型熔喷模头几何设计的重要性。优良的设计可以提供稳定均匀的喷线流量,较低的压力损失、均匀的滞留时间。

    图 5:挤出模头中央层熔胶温度分布

     

    图 6:挤出模头与模口剪切应力分布情况

    结论

    衣架型熔喷模头设计重点是厚度的分布使其喷头处熔 胶的压力、温度及滞留时间相同,依靠高温、高速的 气流喷吹聚合物熔体,使其得到迅速拉伸而细化的纤 维丝均匀的收集在凝网帘或滚筒(如图7)。如图6, 衣架型熔喷模头厚度分布不同,对波前、型腔内的温 度分布和压力分布影响较大,而影响喷丝的均匀性。

    图 7:以高温、高速气流喷吹 PP 聚合物熔胶,使其拉伸成的纤维丝均匀收集在凝网帘或滚筒

     

    图 8:熔喷模头厚度分布设计不合理,将会导致熔胶无法同时到达模口,且将造成出模产品流速与厚度无法均匀

    如果熔喷模头厚度设计不合理,会导致熔胶到达喷头 的时间不同(如图8所示),以及喷头的温度和喷头 的剪切应力差异(如图9)。在熔喷设备中,熔喷模 头是实现高聚物拉丝成型的核心组件之一,模头几何 厚度设计和加工精度直接影响拉丝的长度、均匀性、 韧性、细度等诸多方面,从而对最终的卷材品质产生 决定性影响。■

     

    图 9:熔喷模头厚度设计不合理,会导致喷头的温度和喷头的剪切应力差异

    参考文献

    1. US patent #3,051,994.
    2. Chao-Tsai Huang et al, SPE ANTEC, 1888-1892 (2006).
    3. R. Y. Chang and W. H. Yang, International Journal for
    Numerical Methods in Fluids, 37: 125-48 (2001).
    4. Rong-Yeu Chang et al, SPE ANTEC, 496-500 (2004).
    5. Yuan-Rong Chang, et al, SPE ANTEC, 2490-2493 (2007). 

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