Modeling of rotational molding process: Multi-layer slip-flow model, phase-change, and warpage

Abstract

A new multilayer slip‐flow model has been developed to simplify and to overcome current numerical difficulties of two‐dimensional model in predicting the internal air temperature inside a mold during a rotational molding process. The proposed methodology considers a macroscopic “layer‐by‐layer” deposition of a heating polymer bed onto the inner mold surface. A semi‐implicit approach is introduced and applied to compute the complex thermal interactions between the internal air and its surroundings. In the model, the lumped‐parameter system and the coincident node technique are incorporated with the Galerkin finite element model to address the internal air and the deposition of molten polymer beds, respectively. The simple phase‐change algorithm has been proposed to improve the computational cost, numerical nonlinearity, and predicted results. The thermal aspects of the inherent warpage are explored to study its correlation to the weak apparent crystallization‐induced plateau in the temperature profile of the internal air, as in practice. The overall predicted results are in favor with the available experimental data for rotomolded parts of cross‐sectional thicknesses up to 12 mm. POLYM. ENG. SCI. 46:960–969, 2006. © 2006 Society of Plastics Engineers

Estudo experimental do processo de rotomoldagem de PELBD: efeitos sobre a morfologia e estabilidade dimensional

“…Na rotomoldagem o resfriamento é assimétrico e produz um gradiente térmico através da espessura da peça que induz tensões residuais levando a formação de um momento fletor que provoca a distorção de sua geometria, levando ao empenamento. Quanto maior a taxa de resfriamento utilizada maior será o gradiente de temperatura, maior o nível de tensão residual através da espessura da peça e, consequentemente, ocorrerá um aumento na magnitude do momento fletor [14,15] . A tensão desenvolvida no processo de rotomoldagem inicia com a solidificação do polímero em contato com a parede do molde.…”

“…Considerando a retração térmica e o resfriamento assimétrico, as deformações surgidas são maiores quanto mais perto da superfície interna do molde. Assim, o material próximo à superfície do molde fica sob tensões compressivas enquanto que o material próximo à superfície livre está sob tensões de tração [14,15] . Em trabalho experimental Liu e Ho [16] relataram que o empenamento de peças rotomoldadas também está relacionado com o perfil de pressão do ar dentro do molde.…”

“…Estes fatores citados não afetam o empenamento de maneira isolada e sim como um todo [25,[14][15][16][17][18][19] . A seguir será feita uma análise individual de cada fator, de modo a verificar a contribuição dos mesmos no empenamento das peças rotomoldadas de acordo com as diferentes condições de processamento.…”

“…Este tipo de microestrutura era esperado já que quanto mais próximo da parede de molde maior a taxa de transferência de calor, e para regiões mais afastadas se têm menores taxas de transferência de calor do polímero para o ambiente externo. O polímero é um mau condutor de calor e por isso ocorre este gradiente térmico durante a etapa de resfriamento do processo de rotomoldagem [14][15][16][17][18][19]25] . A microestrutura do polímero é altamente dependente da taxa de resfriamento, assim nas regiões próximas às paredes do molde, Figura 5a, as altas taxas de resfriamento levam à microestrutura que se apresenta como esferulitos pequenos quando comparados às regiões de menor taxa de resfriamento, Figura 5b, que apresentam esferulitos comparativamente maiores.…”

Modelling of rotational moulding process: analysis of process parameters and warpage on cycle times

“…With symmetrical cooling assumption only half the slip flow model from Lim and Ianakiev 1,22 is applied to the cooling process. The details of the 2D slip flow model and the efficient algorithm for the non-isothermal phase changes can refer to the publications.…”