Plastics_5_2021

СПЕЦТЕМА/ ЦИФРОВЫЕ ТЕХНОЛОГИИ В ОТРАСЛИ П Л А С Т И К С № 5 ( 2 1 1 ) 2 0 2 1 w w w . p l a s t i c s . r u 31 фективную вязкость η , при течении со скоростью сдвига γ ̇определяется сле- дующим образом: q ̇ = ηγ ̇̇ 2 (1). Эффективная вязкость является мерой затрат энергии, которая расходуется на разогрев расплава термопласта при его сдвиговом течении. Для поли- мерных расплавов эти затраты энергии составляют существенную часть общего расхода энергии при течении в каналах сопла литьевой машины, литниковой си- стемы и оформляющей полости литьевой формы на стадии заполнения, поэтому для течения расплава с заданной объ- емной или линейной скоростью в канале необходим соответствующий рост дав- ления на входе в канал. Это определяет требования к давлению, которое дол- жен обеспечивать инжекционный узел литьевой машины: при литье под давле- нием тонкостенных изделий из термо- пластов и для литьевых форм с большой длиной затекания давление впрыска термопластавтомата может составлять 2000-2500 атмосфер и более. Расплавы термопластов относятся к жидкостям с высокой сжимаемостью, поэтому еще одним «внутренним» ис- точником тепла является диссипативное тепловыделение при сжатии расплава, если процесс сжатия происходит на- столько быстро, что тепло не успевает отводиться (такие условия называют ади- абатическими). Повышение температуры Δ T сжимаемой жидкости при повышении давления на Δ P составляет: Δ T= Δ P/( ρ c p ) (2), где ρ — плотность жидкости; c p — сред- няя удельная теплоемкость жидкости для рассматриваемых диапазонов давлений и температур. В отличие от диссипации при сдви- говом течении процесс выделения тепла при адиабатическом сжатии является обра- тимым: при расширении расплав охлаждается, но процессы нагрева и охлаждения в условиях литья под давлением раз- делены в пространстве: максимальное сжатие рас- плава на стадии заполнения происходит в предшнековой области материального цилиндра (в дозе впрыска), и по мере течения расплава в каналах его давление снижается в на- правлении фронта потока, тогда как на самом фронте потока давление расплава в нормальных условиях процесса равно атмосферному. Влияние диссипативно- го тепловыделения при адиабатическом сжатии и обратный процесс охлаждения расплава при его расширении из-за сни- жения давления не всегда учитываются в современных CAE-системах. У кристаллизующихся термопластов тепло выделяется также при кристалли- зации (которая происходит при образо- вании застывших пристенных слоев на стадии заполнения), но удельная теплота кристаллизации не всегда принимается во внимание в цифровой модели процес- са. Это связано в том числе с тем, что увеличение количества источников тепла увеличивает проблемы сходимости при численном решении. Учет неизотермичности и фонтанного течения Важной особенностью процесса за- полнения при литье под давлением тер- мопластов является его неизотермич- ность, так как происходит отвод тепла через стенки канала в холодноканаль- ной литниковой системе и оформляю- щей полости литьевой формы, причем в нестационарных условиях (тепловые потоки изменяются во времени), что связано с периодичностью литьевого процесса. Цифровые модели стадии заполнения учитывают влияние неизотермичности в тепловом балансе расплава в соот- ветствии с уравнением энергии на не- котором макроуровне, определяемом размером элементов сетки. Благодаря этому рассчитывается толщина непод- вижных застывших пристенных слоев, которые образуются за фронтом пото- ка на стенках каналов (рис. 1, область А). Толщина застывших пристенных слоев определяется с использованием особой характеристики термопластичного мате- риала, которую называют температурой потери текучести или температурой пе- рехода. Увеличение толщины застывших пристенных слоев приводит к росту по- терь давления при продвижении фронтов потоков расплава с определенной ско- ростью течения ввиду уменьшения попе- речного сечения (в литниковой системе) или толщины (в оформляющей полости) незастывшей внутренней части каналов. Течение в канале прекращается, когда процесс заполнения области оформля- 1 — расплав; 3 — стенка литьевой формы; 6 — воздух, вытесняемый расплавом из оформляющей полости А — область за фронтом потока; Б — участок поверхности фронта потока Стрелками показаны направления течения 3 2 1 6 5 Б А 4 Рисунок 1. Схема течения расплава на стадии заполнения с фонтанным течением (4) у фронта потока (5) и застывшими слоями термопластичного материала (2)