异形医用双腔导管挤出离模膨胀变形机理与调控(3)
图12 松弛时间对第二法向应力差沿经线分布影响Fig.12 Influence of relaxation time on second normal stress difference distribution along the meridian
图13 体积流量对第二法向应力差沿经线分布影响Fig.13 Influence of inlet volumetric flow rate on second normal stress difference distribution along the meridian
图14和图15分别为熔体松弛时间和进口体积流量对外表面离模膨胀径向运动位移沿环线(Z=41mm截面)分布规律影响模拟结果,研究结果表明离模膨胀径向运动位移沿环线分布不均匀,导致异形医用双腔导管整体出现不圆度误差,其最大椭圆度误差图16和图17分别为熔体松弛时间和进口体积流量对外表面径向二次流动强度沿环线分布规律影响模拟结果。由此可见,沿环线的离模膨胀径向运动位移演化规律与沿其径向二次流动强度的演化规律较为吻合,可以通过径向二次流动强度阐释离模膨胀变形产生的机理。
图14 松弛时间对位移沿环向分布影响Fig.14 Influence of relaxation time on the distribution of displacements along hoop direction
图18和图19分别为其环线的最大第二法向应力差与熔体松弛时间、熔体进口体积流量关联曲线。可以看出,最大第二法向应力差与熔体松弛时间、熔体进口体积流量近似呈线性正关联关系,随着熔体松弛时间、进口体积流量增加而增大。由此可见,由于最大第二法向应力差随着熔体松弛时间、熔体进口体积流量增加而增大,必然导致熔体挤出成型的径向二次流动强度增强,而二次流动强度增强必然诱发沿外表面环线的熔体径向向外的离模膨胀运动位移增加。这就是异形医用双腔导管的离模膨胀变形随熔体松弛时间和进口体积流量增加而增大的流变学机理。
图15 体积流量对位移沿环向分布影响Fig.15 Influence of inlet volumetric flow rate on the distribution of displacement along hoop direction
图16 松弛时间对二次流动强度沿环向分布规律影响Fig.16 Influence of relaxation time on distribution of secondary flow intensity along hoop direction
图17 流量对二次流动强度沿环向分布规律影响Fig.17 Influence of inlet volumetric flow rate on distribution of secondary flow intensity along hoop direction
图18 最大第二法向应力差与熔体松弛时间Fig.18 Second normal stress difference time
图19 最大第二法向应力差与体积流量Fig.19 Second normal stress difference vs.inlet volumetric flow rate
综上分析,异形医用双腔导管的离模膨胀变形是由熔体径向向外的二次流动驱动二产生,而异形医用双腔导管挤出成型的熔体径向向外的二次流动产生的直接驱动力是挤出成型过程中熔体的第二法向应力差。由于随着熔体松弛时间、熔体进口体积流量增加而增大,导致其第二法向应力差增加,必然诱发异形医用双腔导管挤出成型过程的熔体径向向外的二次流动增强,从而导致异形医用双腔导管的离模膨胀变形随着熔体松弛时间、进口体积流量增加而增大。由此可见,减小和消除异形医用双腔导管离模膨胀变形的技术关键是要减小异形医用双腔导管挤出口模内熔体流动诱发的第二法向应力差。本文通过气辅滑移挤出成型技术,在异形医用双腔导管挤出口模内,使熔体挤出流动形成柱塞流,来调控第二法向应力差。
为了进一步验证第二法向应力差驱动熔体二次流动,而二次流动诱发离模膨胀的研究结论的正确性,本文模拟研究了异形医用双腔导管的气辅挤出成型过程,气辅挤出成型口模壁面的滑移系数取为1×105,视为完全滑移。现给定传统挤出成型和气辅挤出成型的工艺参数与流变性能参数相同。进行二种成型过程的离模膨胀变形、径向二次流动强度与第二法向应力差的对比分析。
图20为传统和气辅挤出成型过程中,异形医用双腔导管沿经线第二法向应力差的对比曲线。研究结果表明,气辅挤出成型基本可以消除异形医用双腔导管离模膨胀区的第二法向应力差。由于成型过程的熔体的径向二次流动是由其第二法向应力差驱动而产生,第二法向应力差趋于为零,自然熔体的径向二次流动必将趋于消失。
图20 传统与气辅成型第二法向应力差对比曲线Fig.20 Comparison curve of the second normal stress difference between traditional and gas-assisted molding
为了进一步论证这一推论,本文模拟研究了径向二次流动强度。图21为传统和气辅挤出成型过程中,熔体径向二次流动沿经线分布的对比曲线。研究结果表明,气辅挤出成型的径向二次流动强度比传统挤出成型小3个数量级。证明气辅挤出成型基本可以消除异形医用双腔导管离模膨胀区的径向二次流动,模拟结果与本文推论完全吻合。由于气辅挤出成型基本可以消除异形医用双腔导管离模膨胀区的径向二次流动,必然可以消除熔体的离模膨胀变形,所以气辅挤出成型能实现异形医用双腔导管的精密控形。
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