基于變溫模具的無紡織物熱模壓成型

孫亮　倪俊芳

摘要：為了解決傳統熱模壓過程中無紡織物受熱不均勻的問題，文章通過對熱模壓加熱結構和變溫模具進行改進與理論分析，根據實際需要設計并選擇合理可行的變溫模具加熱裝置，即采用可控熱風加熱方式。采用ANSYS軟件對變溫模具進行熱場分析，并仿真了變溫模具的溫度場狀況。結果表明，采用可控熱風加熱方式，可以提高無紡織物的拱度，改善無紡織物的手感和柔軟度；采用有限元分析，對確定和驗證模具工藝參數具有指導性的作用。

關鍵詞：熱模壓；無紡織物；變溫模具加熱；溫度場

中圖分類號：TH16

文獻標志碼：A

文章編號：1009-265X（2017）05-0023-05

Abstract：To solve the problem of nonuniform heating of nonwoven fabrics in traditional thermally compression molding process， this paper is intended to make theoretical analysis of the heating structure of thermally compression molding and variothermal mold. A reasonable and feasible variothermal mold was designed and selected according to actual needs， namely controllable hotblast heating method. ANSYS software was adopted for thermal field analysis of variothermal mold， and simulating the temperature field of variothermal mold. The results show that the controllable hotblast heating method helps enhance the camber of nonwoven fabrics， and improve the hand feeling and softness of nonwoven fabrics； finite element analysis is of instructional significance to determination and verification of the technological parameters of the mold.

Key words：thermally compression molding； nonwoven fabrics； variothermal mold； temperature field

傳統熱模壓是一種使無紡織物一次壓制成型的工藝，熱模壓的無紡織物材料是聚氨酯（PU）軟泡材料，如圖1所示，其透氣好。由于熱模壓時，無紡織物的空間尺寸是曲線變化的過程，且受熱是非線性的，有些部位已達到所需溫度，但是有的部位還未達到所需溫度。模壓溫度過高會導致模壓出來的無紡織物出現發黃、走形、容積變大等問題；模壓溫度過低會導致模壓出來的無紡織物出現拱度不夠、或者容積變小等問題。

目前，Yick等[1]對聚氨酯泡沫材料模壓的性能進行了研究，其研究了在不同溫度下聚氨酯泡沫材料軟化程度，但是并沒有研究模具在模壓過程中是否受熱均勻。Yip等[2]對間隔織物的物理機械性能進行了研究，但是并沒有研究在不同時間和溫度作用下，間隔織物的物理機械性能變化，沒有做對比試驗。段強[3]為了提高高深徑比塑件微注塑成型質量，提出了采用近紅外加熱與循環水加熱結合的方式，將模具溫度快速提高至高于聚合物的玻璃化轉變溫度的方法，用紅外加熱的方法固然很快，但是并沒有研究在模壓過程中如何保證聚合物處于恒定的溫度環境中。李冬梅[4]對熱模壓模具的加熱系統進行了改造，以若干內熱式電烙鐵芯并聯安裝在柱形蓄熱元件中，可以較大幅度增加模具的加熱效率，降低加熱時間，但是電烙鐵芯并聯安裝時較困難，而且很難控制其熱慣性。

本文基于無紡織物熱模壓成型的理論模型，通過對原有模具熱傳遞過程進行分析，利用無紡織物的透氣性特點，重新設計上、下模的熱傳遞的路徑，通過改變模具加熱結構，采用可控熱風加熱方式，主要解決無紡織物熱模壓過程中受熱不均勻的問題。

1熱模壓成型的理論模型

無紡織物在熱模壓的過程中，無紡織物和上、下模具是完全接觸的，所以無紡織物和上、下模具之間由于溫度梯度，從而引起了內能的交換。由于上、下模具和無紡織物之間主要是固體與固體之間的傳熱，根據熱傳遞的方式可知[5]，選用熱傳導進行理論分析。

熱傳導的表達式：q*=-KnnTn，其中，q*為熱流密度（W/m2）；Knn為導熱系數（W/m·℃）；Tn為沿向的溫度梯度，負號表示熱量流向溫度降低的方向。

因此，上、下模在合模的過程中會損失一定的能量，無紡織物尺寸變化加劇了受熱不均勻問題，這樣就無法保證上、下模具受熱均勻，所以需要通過改變模具加熱結構，采用可控熱風加熱方式，來彌補模具在模壓過程中損失的熱量，使得模具合模后受熱均勻。

即：W1+W2=0，其中W1表示模具的熱量損失，W2表示吹入熱風的能量。

2變溫模具加熱系統設計

無紡織物熱模壓成型時，在上、下模模壓過程中不能保持恒定的溫度，這就影響了模具傳熱的均勻性及有效性。圖2為設計的變溫模具結構，圖3為改進后加熱系統工作示意圖，圖4為改進后加熱系統工況。

設計采用在原有電加熱板加熱的基礎上，通過改變模具加熱結構，采用可控熱風加熱方式，模具四周開了很多個小孔，無紡織物是內部通氣，通過控制熱風吹出的溫度，無紡織物在熱模壓過程中能始終處在恒溫的模壓環境中。

3基于ANSYS溫度場仿真分析

3.1有限元熱分析理論

設計的變溫模具加熱系統的溫度場隨時間在發生變化，所以采用瞬態熱分析計算溫度場[5]。

其控制方程是熱存儲項的計入將靜態系統轉變為瞬態系統，矩陣形式如下：

[C]{T·}+[K]{T}={Q}

式中：[C]為比熱矩陣，考慮系統內能的增加；{T·}為溫度對時間的導數；[K]為傳導矩陣，包含導熱系數、對流系數及輻射率和形狀系數；{T}為節點溫度向量；{Q}為節點熱流率向量，包含熱生成。

3.2變溫模具有限元溫度場分析

為驗證此加熱裝置的加熱效果，采用有限元法分析該變溫模具的溫度場狀況，根據物體傳熱的狀況，其物體邊界上的熱流密度已知，判斷此類邊界條件為第二邊界條件[6]，用公式表示為：

-kTnΓ=q；-kTnΓ=g（x，y，z，t）

式中：k為熱導率，W/（m·K）；Tn為等溫面法線方向上的溫度變化率；Γ為物體邊界；q為熱流密度（常數）；g（x，y，z，t）為熱流密度函數。

采用Solid Works軟件建立變溫模具實體模型，然后將之導入ANSYS14.0軟件中進行模型分析。在ANSYS14.0分析軟件中，選擇Thermal（熱），Structural（結構），采用Thermal Mass Solid（熱固體）模塊中的Brick 20 node 279（適用于三維劃分）進行模型網格劃分，Key points（關鍵點）423，Lines（線）634，Areas（面）210，Volumes（體）1，Size（網格單元）劃分大小是0.006 5，一共劃分51 430個單元，其中節點83 685個，網格模型，如圖5所示。實驗室氣動熱模壓成型機所用的變溫模具材料是鋁，鋁的彈性模量70GPa；泊松比0.3；導熱系數96.2 W/（m·℃）；熱膨脹系數24×10-6 m/℃；密度2.7×103 kg/m3；比熱容880 J/（kg·℃）；設置邊界變溫模具的初始溫度24 ℃，自然對流傳熱系數20 W/（m2.K），加熱棒加熱功率為1根500 W，4根2 kW，加熱板的橫截面積0.08 m2，傳熱效率80%，熱流密度2.0×104 W/m2。

由此可知，ANSYS仿真出來的溫度曲線和實驗測得的溫度曲線基本一致，約需加熱40 min能達到實驗時所需的熱模壓溫度。

4實驗驗證與分析

4.1加熱結構改進后無紡織物表面溫度分布狀況

對于改進后的變溫模具加熱系統來說，無紡織物在熱模壓的過程中是否處在恒定的溫度，需要用多路溫度測試儀器來試驗無紡織物表面溫度分布狀況。通過對改進后的變溫模具加熱系統進行反復的試驗，得出了無紡織物表面不同位置點的溫度分布狀況，實測數據如表1所示。

由表1可知，位置1、2、3、4點所能達到的最高溫度不同，但是基本能保持在一條直線上，不同位置點的溫度變化不大。

4.2加熱結構改進前和改進后無紡織物杯深差

在模具加熱結構改進前對無紡織物進行熱模壓，模具加熱結構改變之后，采用可控熱風加熱方式，以相同的模壓溫度和模壓時間，再對無紡織物進行模壓，改變熱模壓溫度和可控熱風溫度進行多組實驗，把標準的膠碗放在一個由三根支柱組成的支架上，測量出每次對應模壓出來無紡織物的杯深差，所測實驗數據如表2所示。

由表2可知，無紡織物在加熱結構改進后的模具中進行熱模壓時，杯深差相比改進前均有所下降，前幾組測得無紡織物杯深差下降明顯，后面幾組杯深差漸漸趨于相等，這是因為隨著模壓溫度的升高，無紡織物各處均達到玻璃化的溫度。

4.3加熱結構改進前和改進后無紡織物壓縮率

對于無紡織物手感的柔軟度用壓縮率來反映，計算公式如下：

l′/%=l0-l1l0×100

式中：l0為測量點的原平均厚度，mm；l1為測量點在50 cN壓力下的厚度，mm；

用改裝的厚度儀所測得的l1實驗數據如表3所示，加熱結構改進前和改進后的無紡織物壓縮率如圖8所示。

通過實驗所得的數據可知，無紡織物在加熱結構改進后的模具中進行熱模壓時，壓縮率相比改進前均有所提高，前幾組測得無紡織物壓縮率上升明顯，后面幾組壓縮率漸漸趨于相等，這是因為隨著模壓溫度的升高，無紡織物各處均達到玻璃化的溫度。

5結論

通過對改進后的加熱結構和變溫模具進行理論分析以及實驗驗證得到了：

a）采用多路溫度測試儀器測得無紡織物表面不同位置的溫度分布，證實了無紡織物在加熱結構改進后的模具中進行熱模壓時，各處基本能處在恒定的溫度中。

b）無紡織物在加熱結構改進后的模具中進行熱模壓時，無紡織物的杯深差相比改進前均有所減少，證實了采用可控熱風加熱方式可以提高無紡織物的拱度。

c）無紡織物在加熱結構改進后的模具中進行熱模壓時，無紡織物的壓縮率相比改進前均有所提高，證實了采用可控熱風加熱方式可以改善無紡織物的手感和柔軟度。

d）采用有限元對變溫模具進行溫度場分析，能夠準確的計算出變溫模具內各點溫度和整個加熱系統的熱效率，對確定和驗證模具工藝參數具有指導性的作用。

參考文獻：

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（責任編輯：張會巍）