Il successo della
simulazione del flusso viscoelastico richiede dati reologici affidabili
Il
comportamento reologico è una delle proprietà più complesse e importanti nella
lavorazione dei polimeri.
Per
completare una simulazione di processo di successo, sono necessari dati e
modelli affidabili sui materiali.
Il flusso
del polimero può essere previsto ragionevolmente bene con l'ipotesi di fluidi
anelastici (newtoniani generalizzati) e con i dati del reometro capillare.
Tuttavia,
l'analisi anelastica potrebbe non riuscire a descrivere i fenomeni
viscoelastici, perché i polimeri sono di natura viscoelastica.
La curva
tipica di modulo e viscosità di un polimero amorfo è mostrata in Fig. 1 [1].
Fondamentalmente,
il comportamento elastico diventa sempre più significativo rispetto al
comportamento viscoso al diminuire della temperatura.
Secondo la
fisica del polimero, lo stato di un polimero può essere suddiviso in cinque
regioni.
(1) regione
vetrosa;
(2)
transizione vetrosa;
(3) regione
gommosa;
(4) flusso
viscoelastico;
(5) flusso
viscoso.
Nella
regione viscosa (5) il modello anelastico (o newtoniano generalizzato) è il
modello appropriato per simulare il flusso del fluido.
La
componente elastica inizia a diventare sempre più importante dalla regione di
flusso viscoelastico (4) alla regione “gommosa” (3).
Il materiale
si comporta sempre più in modo solido (elastico) dalla transizione vetrosa (2)
alla regione vetrosa (1).
Nella fase
di riempimento, la temperatura del fuso è solitamente superiore alla
temperatura dell'ugello a causa del riscaldamento viscoso; la temperatura
scende nella regione del flusso viscoso indicando che possono essere utilizzati
modelli anelastici (newtoniani generalizzati).
Nella fase
di impaccamento, la temperatura del fuso inizia a raffreddarsi e passa da
viscoelastica (4) a gommosa (3), il che indica che il comportamento elastico
inizia a svolgere un ruolo cruciale. Dopo la fase di impaccamento, il polimero
attraversa la transizione vetrosa nella fase di raffreddamento e raggiunge la
regione vetrosa nella fase di espulsione.
Fig.1 Modulo
e viscosità del polimero amorfo (sono indicate le zone di transizione)
Oltre a un
risolutore viscoelastico stabile ed affidabile, sono necessari dati consistenti
sui materiali e parametri del modello matematico per completare una simulazione
di flusso viscoelastico che abbia validità. In laboratorio sono disponibili diversi
tipi di reometro, come un reometro capillare, un reometro rotazionale e un DMA
nel laboratorio materiali di CoreTech System Co. (Moldex3D).
Fig. 2 (a)
Reometri rotazionali inclusi Anton Paar MCR-502 e TA DHR-3; (b) Sentmanat
Extensional Rheometer (SER); (c) fissaggio della piastra parallela; (d)
fissaggio torsionale della modalità DMA; (e) reometro capillare.
In generale,
si ritiene che il riempimento nello stampaggio a iniezione abbia un'elevata
velocità di taglio e un flusso ad alta temperatura.
Pertanto, il
reometro capillare è generalmente lo strumento ideale per caratterizzare il
comportamento del flusso.
Tuttavia, ci
sono alcune regioni nella cavità, come lo strato centrale o l'area spessa, dove
il flusso è inferiore con una velocità di taglio bassa.
Inoltre, la
bassa temperatura sarebbe osservata negli strati superficiali esterni,
soprattutto nella fase di confezionamento.
Di conseguenza,
i dati di viscosità solo dal reometro capillare potrebbero non essere
sufficienti per descrivere con precisione l'intero processo.
Per
estendere l'intervallo tra velocità di taglio e temperatura, vengono utilizzati
entrambi il reometro a piastra parallela e capillare.
Inoltre,
polimeri fusi con comportamento al taglio simile possono mostrare un
comportamento estensionale molto diverso, specialmente per polimeri altamente “ramificati”
[2].
Pertanto, il
SER è stato utilizzato per ottenere le proprietà reologiche nel campo di flusso
estensionale.
L'intervallo
misurabile del reometro capillare ha una temperatura elevata (intorno alla
temperatura di processo) e un'elevata velocità di taglio (10 - 10.000 s-1).
Tuttavia,
quando si passa alla fase di impaccamento, la sua velocità di taglio
diminuirebbe improvvisamente a meno di 10 s-1 e la temperatura sarebbe
inferiore di quella nella fase di riempimento.
Nella fase
di raffreddamento, la temperatura risulterebbe inferiore a Tg.
Le finestre
di temperatura e velocità di taglio degli stadi sono mostrate in Fig. 3 (a).
Ovviamente,
la temperatura e la velocità di taglio delle fasi di impaccamento o
raffreddamento sono al di fuori del normale intervallo misurabile del reometro
capillare.
Potremmo
sfruttare vari strumenti (inclusi reometro rotazionale e DMA) per ottenere dati
reologici con velocità di taglio e temperatura inferiori. Gli intervalli
misurabili di questi strumenti sono mostrati nella Fig. 3 (b).
Fig 3.
Finestre di temperatura e velocità di taglio di (a) vari stadi nello stampaggio
a iniezione; (b) vari strumenti reologici.
Per
modellare accuratamente il flusso del polimero sia per le fasi di riempimento
che per quelle di impaccamento le cui velocità di taglio sono comprese tra 104
e 10-3 s-1, potremmo integrare i dati del reometro capillare e rotazionale.
Un esempio
(polistirolo) è mostrato in Fig.4.
La
temperatura del polimero nello stampaggio a iniezione può variare dalla
temperatura del fuso alla temperatura dello stampo (es. Tmelt ≈ 200 ℃ e Tmold ≈ 60 ℃ per PS).
Per ottenere
dati reologici affidabili, potremmo combinare il reometro rotazionale e il DMA.
La Fig. 5
mostra i moduli dinamici di PS dalla temperatura di fusione (200 ℃) allo stato vetroso (30 ℃).
Fig. 4
Viscosità di taglio da reometro capillare e rotazionale.
Fig. 5
Moduli dinamici della curva master sia dal reometro rotazionale che dal DMA
Fig.6
viscosità estensionale da SER
Il modello
viscoelastico potrebbe essere utilizzato per adattare i dati reologici di vari
strumenti. L'esempio EPTT è mostrato in Fig. 4-6 come linea continua).
Il modello
viene applicato nel risolutore di flusso viscoelastico Moldex3D.
La figura 7
(a) mostra una geometria dello stampo che include la guida e ed il dispositivo
di iniezione.
Lo spessore
della parte è di 2 mm e la larghezza e la lunghezza sono entrambe di 60 mm.
Per la
convalida vengono condotti vari esperimenti di stampaggio a iniezione del
polistirolo. Il confronto tra sperimentale e simulazione per varie pressioni di
impaccamento è mostrato in Fig. 7 (b).
Si è
riscontrato che le simulazioni sono coerenti con le curve sperimentali durante
l'intera fase di riempimento e impaccamento tranne il momento immediatamente
successivo al cambio V / P, che è fortemente influenzato dalla risposta della
macchina. La pressione di picco degli esperimenti situati su V / P è 53,7 ± 0,3
(MPa), che è molto vicina al risultato della simulazione 54,6 (MPa).
Fig. 7 (a)
geometria dello stampo ad iniezione; (b) curve di pressione nel canale di
colata (valori sperimentali e di simulazione).
Se
esaminiamo i dettagli nel processo di iniezione di Moldex3D, possiamo scoprire
che la distribuzione della velocità di taglio durante il riempimento è da circa
2.000 a 7.000 s-1 nel corridore e da 600 a 1.000 s-1 nella cavità, come
mostrato in Fig. 8.
Queste
velocità di taglio rientrano nell'intervallo del reometro capillare.
La Fig. 9
mostra la distribuzione della velocità di taglio nella fase di imballaggio.
La velocità
di taglio è inferiore a 20 s-1 nel corridore e inferiore a 1 s-1 nella cavità,
che non rientra nell'intervallo misurabile del reometro capillare.
In altre parole,
non solo la temperatura ma anche gli intervalli misurabili della velocità di
taglio del reometro capillare non sono sufficientemente ampi da coprire la
simulazione di impaccamento.
Fig. 8
Distribuzione della velocità di taglio alla fine del riempimento in (a) cavità
(b) corridore
Fig. 9
Distribuzione della velocità di taglio nella fase di riempimento nella guida
(a) della cavità (b).
La Fig. 10
mostra la temperatura nella fase di impaccamento.
È inferiore
a 180 ℃ nello
strato del guscio del sistema di alimentazione ed è inferiore a 140 ℃ nella cavità.
Ovviamente
le temperature sono nuovamente al di fuori del range del reometro capillare.
Inoltre, si
trovano nell'intervallo di temperatura dalla regione viscoelastica a quella
gommosa, in cui il comportamento elastico gioca un ruolo importante.
Di
conseguenza, il reometro rotazionale contribuisce a ottenere una velocità di
taglio bassa e dati a bassa temperatura per completare una simulazione di
successo, specialmente nella fase di imballaggio.
Fig. 10
Distribuzione della temperatura nella fase di riempimento nella guida (a)
cavità (b).
In sintesi,
per simulare l'intero processo di stampaggio a iniezione in modo più realistico
e accurato, potremmo combinare i vari strumenti per ottenere un'ampia gamma di
dati reologici coerenti e consistenti.
Tuttavia, ci
vorrà un forte sostegno da parte dei fornitori di materiali per aumentare la
disponibilità generale di dati viscoelastici.
Riferimenti
1. Shaw,
M.T.; MacKnight, W. J. Introduzione alla viscoelasticità dei polimeri; Wiley,
2005.
2. Macosko,
C. W. Reologia: principi, misurazioni e applicazioni; Wiley, 1994.
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