超声与纳米流体辅助快速热循环注塑成型方法及关键技术研究

Rapid heat cycle molding is an advanced injection molding technology with remarkable energy saving and emission reduction effect. Focusing on the existing problems including long molding cycle and large energy consumption for rapid mold heating and cooling in the current rapid heat cycle molding technology, this project will conduct the research on method and key technologies of rapid heat cycle molding assisted by ultrasound and nanofluid. In one aspect, the influencing mechanism and regularities of the ultrasound and nanofluid on thermal response of the rapid heat cycle molding mold will be researched. An innovative rapid mold heating and cooling method based on ultrasound and/or nanofluid heat transfer enhancement will be established to significantly increase the heating and cooling speed of mold cavity surfaces. In another aspect, the influencing mechanism and regularities of the ultrasound and injection molding parameters on the process and part quality of rapid heat cycle molding will be also investigated. A new ultrasound assisted rapid heat cycle molding method will be developed to decrease the threshold value of mold cavity surface temperature during melt filling stage. This research not only processes great theoretical significance for enriching and perfecting the technical system of rapid heat cycle molding and important practical engineering value for shortening molding cycle, reducing energy consumption and decreasing cost, but also has great significance for enriching and expanding applications of ultrasound and nanofluid heat transfer enhancement theory.

快速热循环注塑成型技术是一种节能减排效果显著的先进注塑成型技术。针对目前快速热循环注塑成型技术存在的成型周期长和模具加热冷却能量消耗大等问题，本项目拟开展超声与纳米流体辅助快速热循环注塑成型方法及关键技术研究。一方面，研究超声振动和纳米流体对快速热循环注塑模具热响应的影响机理及规律，建立一种基于超声与纳米流体强化传热的快速热循环注塑模具快速加热与冷却方法，显著提高模具型腔表面加热与冷却速率；另一方面，研究超声振动参数和注塑工艺参数对快速热循环注成型工艺及塑件质量的影响规律与机理，建立一种超声辅助快速热循环注塑成型方法，减小快速热循环注塑填充阶段模具型腔表面温度阈值。本研究不仅对丰富和完善快速热循环注塑成型技术体系，缩短快速热循环注塑成型周期、减少能量消耗和降低生产成本，具有重要的理论意义和使用价值，而且对于丰富和拓展超声和纳米流体增强传热理论的应用同样具有重要的意义。

快速热循环注塑成型是一种基于动态模具温度控制策略的先进聚合物注塑成型加工新技术，可一次注塑成型高光泽、无熔痕、无流痕的高品质外观塑件，取消了常规高品质塑件所必需的打磨、喷涂等污染严重的二次加工工序，具有短流程、低能耗、无污染等技术优势，代表着传统注塑成型加工技术的绿色化发展方向。针对当前快速热循环注塑成型技术存在的成型周期长、能耗高、塑件翘曲变形等共性技术问题，本项目围绕模具快速加热与快速冷却方法、快速热循环注塑成型工艺机理、快速热循环注塑件表面凹缩与翘曲变形控制方法、三维复杂结构产品快速热循环注塑成型方法、快速热循环微孔发泡注塑成型方法等开展了深入系统的研究。构建了基于环形冷却间隙的电热式模具快速加热与快速冷却实验平台，系统研究了加热冷却系统设计参数对模具热响应的影响规律，深入揭示了强化传热机制；系统研究了模具型腔表面温度对常用典型塑料制品外观品质与力学性能的影响规律，深入揭示了快速热循环注塑成型工艺机理；揭示了快速热循环注塑制品表面凹缩与翘曲变形机理，建立了快速热循环注塑工艺优化设计与控制方法，提出了基于反向保压控制策略和表面气辅技术的减小塑件表面凹缩与翘曲变形的新方法；提出了三维复杂塑件快速热循环注塑模具的优化设计方法，建立了三维复杂结构产品快速热循环注塑技术与产品质量控制方法；建立了考虑模具耦合传热的微孔发泡注塑三维有限元分析模型，揭示了泡孔在注塑流动过程中的结构演变规律，提出了分别基于气体反压技术和快速热循环注塑技术的气泡结构调控方法，阐明了气体反压压力和模具型腔表面温度对微孔发泡塑件的影响规律及其作用机制。研究成果不仅对于丰富快速热循环注塑成型技术理论体系和模具增强传热理论具有重要科学意义，而且对于提高快速热循环注塑成型效率、减少能耗和生产成本具有重要实际价值。