基于变温模具的无纺织物热模压成型

孙亮　倪俊芳

摘要：为了解决传统热模压过程中无纺织物受热不均匀的问题，文章通过对热模压加热结构和变温模具进行改进与理论分析，根据实际需要设计并选择合理可行的变温模具加热装置，即采用可控热风加热方式。采用ANSYS软件对变温模具进行热场分析，并仿真了变温模具的温度场状况。结果表明，采用可控热风加热方式，可以提高无纺织物的拱度，改善无纺织物的手感和柔软度；采用有限元分析，对确定和验证模具工艺参数具有指导性的作用。

关键词：热模压；无纺织物；变温模具加热；温度场

中图分类号：TH16

文献标志码：A

文章编号：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

传统热模压是一种使无纺织物一次压制成型的工艺，热模压的无纺织物材料是聚氨酯（PU）软泡材料，如图1所示，其透气好。由于热模压时，无纺织物的空间尺寸是曲线变化的过程，且受热是非线性的，有些部位已达到所需温度，但是有的部位还未达到所需温度。模压温度过高会导致模压出来的无纺织物出现发黄、走形、容积变大等问题；模压温度过低会导致模压出来的无纺织物出现拱度不够、或者容积变小等问题。

目前，Yick等[1]对聚氨酯泡沫材料模压的性能进行了研究，其研究了在不同温度下聚氨酯泡沫材料软化程度，但是并没有研究模具在模压过程中是否受热均匀。Yip等[2]对间隔织物的物理机械性能进行了研究，但是并没有研究在不同时间和温度作用下，间隔织物的物理机械性能变化，没有做对比试验。段强[3]为了提高高深径比塑件微注塑成型质量，提出了采用近红外加热与循环水加热结合的方式，将模具温度快速提高至高于聚合物的玻璃化转变温度的方法，用红外加热的方法固然很快，但是并没有研究在模压过程中如何保证聚合物处于恒定的温度环境中。李冬梅[4]对热模压模具的加热系统进行了改造，以若干内热式电烙铁芯并联安装在柱形蓄热元件中，可以较大幅度增加模具的加热效率，降低加热时间，但是电烙铁芯并联安装时较困难，而且很难控制其热惯性。

本文基于无纺织物热模压成型的理论模型，通过对原有模具热传递过程进行分析，利用无纺织物的透气性特点，重新设计上、下模的热传递的路径，通过改变模具加热结构，采用可控热风加热方式，主要解决无纺织物热模压过程中受热不均匀的问题。

1热模压成型的理論模型

无纺织物在热模压的过程中，无纺织物和上、下模具是完全接触的，所以无纺织物和上、下模具之间由于温度梯度，从而引起了内能的交换。由于上、下模具和无纺织物之间主要是固体与固体之间的传热，根据热传递的方式可知[5]，选用热传导进行理论分析。

热传导的表达式：q*=-KnnTn，其中，q*为热流密度（W/m2）；Knn为导热系数（W/m·℃）；Tn为沿向的温度梯度，负号表示热量流向温度降低的方向。

因此，上、下模在合模的过程中会损失一定的能量，无纺织物尺寸变化加剧了受热不均匀问题，这样就无法保证上、下模具受热均匀，所以需要通过改变模具加热结构，采用可控热风加热方式，来弥补模具在模压过程中损失的热量，使得模具合模后受热均匀。

即：W1+W2=0，其中W1表示模具的热量损失，W2表示吹入热风的能量。

2变温模具加热系统设计

无纺织物热模压成型时，在上、下模模压过程中不能保持恒定的温度，这就影响了模具传热的均匀性及有效性。图2为设计的变温模具结构，图3为改进后加热系统工作示意图，图4为改进后加热系统工况。

设计采用在原有电加热板加热的基础上，通过改变模具加热结构，采用可控热风加热方式，模具四周开了很多个小孔，无纺织物是内部通气，通过控制热风吹出的温度，无纺织物在热模压过程中能始终处在恒温的模压环境中。

3基于ANSYS温度场仿真分析

3.1有限元热分析理论

设计的变温模具加热系统的温度场随时间在发生变化，所以采用瞬态热分析计算温度场[5]。

其控制方程是热存储项的计入将静态系统转变为瞬态系统，矩阵形式如下：

[C]{T·}+[K]{T}={Q}

式中：[C]为比热矩阵，考虑系统内能的增加；{T·}为温度对时间的导数；[K]为传导矩阵，包含导热系数、对流系数及辐射率和形状系数；{T}为节点温度向量；{Q}为节点热流率向量，包含热生成。

3.2变温模具有限元温度场分析

为验证此加热装置的加热效果，采用有限元法分析该变温模具的温度场状况，根据物体传热的状况，其物体边界上的热流密度已知，判断此类边界条件为第二边界条件[6]，用公式表示为：

-kTnΓ=q；-kTnΓ=g（x，y，z，t）

式中：k为热导率，W/（m·K）；Tn为等温面法线方向上的温度变化率；Γ为物体边界；q为热流密度（常数）；g（x，y，z，t）为热流密度函数。

采用Solid Works软件建立变温模具实体模型，然后将之导入ANSYS14.0软件中进行模型分析。在ANSYS14.0分析软件中，选择Thermal（热），Structural（结构），采用Thermal Mass Solid（热固体）模块中的Brick 20 node 279（适用于三维划分）进行模型网格划分，Key points（关键点）423，Lines（线）634，Areas（面）210，Volumes（体）1，Size（网格单元）划分大小是0.006 5，一共划分51 430个单元，其中节点83 685个，网格模型，如图5所示。实验室气动热模压成型机所用的变温模具材料是铝，铝的弹性模量70GPa；泊松比0.3；导热系数96.2 W/（m·℃）；热膨胀系数24×10-6 m/℃；密度2.7×103 kg/m3；比热容880 J/（kg·℃）；设置边界变温模具的初始温度24 ℃，自然对流传热系数20 W/（m2.K），加热棒加热功率为1根500 W，4根2 kW，加热板的横截面积0.08 m2，传热效率80%，热流密度2.0×104 W/m2。

由此可知，ANSYS仿真出来的温度曲线和实验测得的温度曲线基本一致，约需加热40 min能达到实验时所需的热模压温度。

4实验验证与分析

4.1加热结构改进后无纺织物表面温度分布状况

对于改进后的变温模具加热系统来说，无纺织物在热模压的过程中是否处在恒定的温度，需要用多路温度测试仪器来试验无纺织物表面温度分布状况。通过对改进后的变温模具加热系统进行反复的试验，得出了无纺织物表面不同位置点的温度分布状况，实测数据如表1所示。

由表1可知，位置1、2、3、4点所能达到的最高温度不同，但是基本能保持在一条直线上，不同位置点的温度变化不大。

4.2加热结构改进前和改进后无纺织物杯深差

在模具加热结构改进前对无纺织物进行热模压，模具加热结构改变之后，采用可控热风加热方式，以相同的模压温度和模壓时间，再对无纺织物进行模压，改变热模压温度和可控热风温度进行多组实验，把标准的胶碗放在一个由三根支柱组成的支架上，测量出每次对应模压出来无纺织物的杯深差，所测实验数据如表2所示。

由表2可知，无纺织物在加热结构改进后的模具中进行热模压时，杯深差相比改进前均有所下降，前几组测得无纺织物杯深差下降明显，后面几组杯深差渐渐趋于相等，这是因为随着模压温度的升高，无纺织物各处均达到玻璃化的温度。

4.3加热结构改进前和改进后无纺织物压缩率

对于无纺织物手感的柔软度用压缩率来反映，计算公式如下：

l′/%=l0-l1l0×100

式中：l0为测量点的原平均厚度，mm；l1为测量点在50 cN压力下的厚度，mm；

用改装的厚度仪所测得的l1实验数据如表3所示，加热结构改进前和改进后的无纺织物压缩率如图8所示。

通过实验所得的数据可知，无纺织物在加热结构改进后的模具中进行热模压时，压缩率相比改进前均有所提高，前几组测得无纺织物压缩率上升明显，后面几组压缩率渐渐趋于相等，这是因为随着模压温度的升高，无纺织物各处均达到玻璃化的温度。

5结论

通过对改进后的加热结构和变温模具进行理论分析以及实验验证得到了：

a）采用多路温度测试仪器测得无纺织物表面不同位置的温度分布，证实了无纺织物在加热结构改进后的模具中进行热模压时，各处基本能处在恒定的温度中。

b）无纺织物在加热结构改进后的模具中进行热模压时，无纺织物的杯深差相比改进前均有所减少，证实了采用可控热风加热方式可以提高无纺织物的拱度。

c）无纺织物在加热结构改进后的模具中进行热模压时，无纺织物的压缩率相比改进前均有所提高，证实了采用可控热风加热方式可以改善无纺织物的手感和柔软度。

d）采用有限元对变温模具进行温度场分析，能够准确的计算出变温模具内各点温度和整个加热系统的热效率，对确定和验证模具工艺参数具有指导性的作用。

参考文献：

[1] YICK KL， WU L，YIP J， et al.Study of thermal-mechanical properties of polyurethane foam and the threedimensional shape of molded bra cups[J].Materials Processing Technology， 2009（1）：116-121.

[2] YIP J， NG SP.Study of threedimensional spacer fabrics： physical and mechanical properties[J]. Materials Processing Technology， 2008，206（1）：359-364.

[3] 段强.微注塑模具近红外加热方法及装置研究[J].塑料工业，2013，41（12）：32-35.

[4] 李冬梅.热模压成型模具加热系统的改进[J].现代塑料加工应用，2009，21（3）：60-63.

[5] 凌桂龙.ANSYS14.0从入门到精通[M].北京：清华大学出版社，2013：322-324.

[6] 张朝晖.ANSYS热分析教程与实例解析[M].北京：中国铁道出版社，2007：18-21.

[7] 张兴友.塑料模具加热方法的改进[J].科技咨询导报，2007（23）：212-213

[8] 黄春曼，邵明，刘华.粉末温压中模具的加热设计及有限元场分析[J].华南理工大学学报（自然科学版），2005，33（8）：33-35.

[9] BROSKY M E， PESUN I J， LOWDER PD， et al. Laser digitization of casts to determine the effect of tray selection and cast formation technique on accuracy[J]. The journal of prosthetic dentistry. 2002，87（2）：204-209.

[10] YIP J， NG S P. Study of threedimensional spacer fabrics： physical and mechanical properties[J]. Journal of Materials Processing Technology， 2008，206（1）：359-364.

（责任编辑：张会巍）