（机械电子工程专业论文）微注塑成型充模流动中粘性耗散与对流传热研究.pdf

大连理工大学硕士学位论文 摘要 微注塑成型是一种可以进行大批量生产微小或带有微细结构塑件的塑料成型加工 技术。应用微型注塑成型方法成型微机电系统中的微小构件，与目前微机电系统领域常 用的硅基材料构件相比，具有制造成本低，生产周期短，成型工艺简单，构件质量易于 保证等特点。 然而，由于微型塑件结构尺寸与体积极其微小，使得微注塑成型充模流动过程中高 聚物熔体流过微小通道时的流变特性与宏观注塑成型时有许多不同，因而影响微型塑件 成型质量的关键因素亦与传统大尺寸塑件成型过程有所不同。 本文在深入分析微注塑成型充模流动过程中的各种影响因素，如模具和熔体温度、 流动过程的非等温效应、壁面滑移、粘性耗散、表面积与体积比的增加、型腔排气、流 动通道的表面粗糙度、熔体的表面张力、重力、惯性力、粘弹性效应以及流动过程的可 压缩性等的基础上，依掘聚合物流变学、流体力学和注塑成型的基本理论，采用数值模 拟方法，研究了微注塑成型充模流动中熔体的粘性耗散及熔体与壁面间的对流传热对模 具温度的影响，并建立了求解因粘性耗散引起温度增加值的数学模型：应用p o l y f l o w 模 拟工具，分别对特征尺寸为5 0 p m 、1 0 0 p , m 和2 0 0 p _ m 等圆形截面微通道中熔体流动时的 粘性耗散与对流传热行为进行了模拟，并分别考虑了局部热对流系数和壁面滑移的影 响。粘性耗散作用引起熔体温升现象的模拟结果与j h c h e n 在相同条件下的实验结果 有较高的吻合度，熔体与壁面间对流传热对填充长度影响的模拟结果与l y u 的相关实 验数据也有较好的一致性。 模拟结果表明，考虑熔体的粘性耗散作用与采用局部热对流系数能较好地反映微注 塑成型充模流动中熔体温度场的变化，本文所考虑的粘性耗散作用与局部热对流系数分 别在熔体温度升高与熔体填充长度上得到了验证，能够反映微型模具通道中熔体的充模 流动行为，对微注塑成型模具的设计和成型工艺具有良好的参考价值。 关键词：微注塑成型；粘性耗散；局部热对流；数值模拟 微注塑成型充模流动中粘性耗散与对流传热研究 r e s e a r c ho hv i s c o u s d i s s i p a t i o na n dh e a tt r a n s f e r i nm i c r oi n j e c t i o nm o l d i n g a b s t r a c t m i c r oi n j e c t i o nm o l d i n gi san e w l ye m e r g i n gt e c h n o l o g yt h a tc a nb eu t i l i z e dt of o r m m i c r op a r t si nm a s sp r o d u c t i o n c o m p a r i n gw i t ht h et r a d i t i o n a lm a n u f a c t u r i n gt e c h n o l o g i e sa s w e l la st h e c u r r e n t l y u s e ds i l i c o n b a s c dm i c r o p r o c e s s i n g i n f i e l d s o f m i c r o e l e c t r o - m e c h a n i c a l s y s t e m ( m e m s ) ，m i c r oi n j e c t i o nm o l d i n gi sm o r ea d v a n t a g e o u si n m a n u f a c t u r i n gc o s t ，p r o d u c t i v ec y c l e ，r e l i a b i l i t yo f q u a l i t y , e t c h o w e v e r , d u r i n gm i c r oi n j e c t i o nm o l d i n g , r h e o l o g i c a lc h a r a c t e r i z a t i o n so ft h em e l t e d p o l y m e ri nm i c r oc h a n n e l sa r eq u i t ed i f f e r e n tw i t ht h o s eo ft h et r a d i t i o n a lo n eb e c a u s eo ft h e s c a l ee f f e c ti nt h i sp r o c e s s t h e s ed i f f e r e n c e sm a yl e a dt oq u a l i t yd e f e c t si nm i c r op l a s t i cp a r t s i f t h et r a d i t i o n a lp r o c e s s i n gt e c h n i q u e sa r es t i l lu s e di nt h e s ec a s e s b a s e do nt h e o r i e so fp l a s t i ct h e o l o g y , h y d r o d y n a m i c sa sw e l la s f a c t o r - i m p a c t c o r r e l a t i o na n a l y s i si nm i c r oi n j e c t i o nm o l d i n g an e wm a t h e m a t i c a lm o d e lt h a tt a k e st h e e f f e c t so fv i s c o u sd i s s i p a t i o na n dt h eh e a tt r a n s f e ri n t oa c c o u n tw a se s t a b l i s h e di nt h i sp a d e r s o m ek e yi n f l u e n c e sd u r i n gm i c r oi n j e c t i o nm o l d i n gs u c ha st e m p e r a t u r eo fm o dc a v i t ya n d m e l t e dp o l y m e r ，n o n i s o t h e r m a lf e a t u r ei nf l o wp r o c e s s ，w a l ls l i p ，r o u g h n e s si nc h a n n e l sa n d v i s c o e l a s t i c - e f f e c t ，w e r ea n a l y z e db yu s i n gt i f f sm o d e l v i s c o u sd i s s i p a t i o na n dh e a tt r a n s f e r e f f e c t sw e r et h e ns i m u l a t e du s i n gc o m m e m i a lp o l y m e rf l u i ds o f t w a r e ，n a m e l y , p o l y f l o wi m t h ef e a t u r ed i m e n s i o n so ft h em i c r oc h a r m e l sw e r es e tt o5 0 t t m 1 0 0 1 m aa n d2 0 0 r t m 。 r e s p e c t i v e l y t h es i m u l a t i o nr e s u l t sw e r ev e r i f i e db yc o m p a r i n g 稍n it h ee x p e r i m e n t a ld a t ao f f i l l i n gp r o c e s sa sw e l la sv i s c o u sd i s s i p a t i o ni nm i c r oc h a n n e l si nl i t e r a t u r e sr e p o r t e db yl y u a n dj h c h e n r e s p e c t i v e l y r e s u l t so ft h i sr e s e a r c hs h o wt h a tt e m p e r a t u r ec h a n g eo ft h em e l t e dp o l y m e ri nm i c r 0 f i l l i n gp r o c e s sc a nb em o r ea c c u r a t e l ye v a l n a t e dw h e nc o n s i d e rt h ee f f e c t so fv i s c o u s d i s s i p a t i o na n dl o c a lh e a t i n gt r a n s f e rc o e f f i c i e n t 1 ki n f l u e n c e so ft h e s et w of a c t o r s ，w h i c h a r ed e s c r i b e di nt h em a t h e m a t i c a lm o d e li nt h i sp a p e r , h a v ea l s ob e e np r o v e db yt h er e s u l t so f t e m p e r a t u r er i s ea n df i l l i n gl e n g t ho ft h em e l t e dp o l y m e rc o m e sf r o mb o t hs i m u l a t i o n sa n d e x p e r i m e n t s f i n a l l y , r e s e a r c h e si nt h i sp a p e rm a yp r o v i d ev a l u a b l er e f e r e n c e si nd e s i g n ， m a n u f a c t u r i n ga n do p e r a t i n go f t h em i c r oi n j e e t i o nm o l d k e y w o r d s ：m i c r oi n j e c t i o nm o l d i n g ：v i s c o u sd i s s i p a t i o n ；l o c a lh e a tt r a n s f e r ；n u m e r i c a l s i m u l a t i o n 大连理工大学硕士研究生学位论文 1 绪论 微机电系统( m e m s ) 技术经过近十几年的快速发展，现已取得了很大的进步，并在流 体、医疗、光学和信息通信等领域得到了广泛的应用。为了进一步拓展微机电系统的应 用领域，微型部件或微小构件的批量化生产具有重要的意义。虽然现有的微成型方法可 以成型三维的单晶硅、纯金属和一些二元合金等各种微型制件，然而其制造成本较高， 且难以做到批量生产。而近年来发展起来的微注塑成型技术是一种可以进行大批量成型 体积微小或有精密微细结构塑件的成型加工技术。应用微型注塑模具成型微机电系统中 的微小构件，与目前应用在微机电系统领域的硅基材料构件相比，其制造成本低，生产 周期短，成型工艺简单，构件质量更易于保证。 1 1 微注塑成型技术的含义及应用 1 1 1 微注塑成型技术的含义 到目前为止，对于微注塑成型技术还没有准确统一的定义，但多数研究者都是从成 型微小尺寸与微小体积塑件开始研究的。k u k l ac 等从微型翅件的角度，给出了微注塑 成型技术的概念。即微注塑成型技术应能够成型以下类型的塑件： ( 1 ) 塑件的整体结构尺寸微小； ( 2 ) 表面具有微细结构的塑件； ( 3 ) 微型精密塑件。 据此，微型塑件应是指单件重量仅为几毫克，并具有微米量级尺寸的塑件。而表面 具有微小结构的塑件，通常是指虽然总体尺寸仍为普通的尺度，但其局部细微结构处的 尺度已达微米量级。微精密塑件可以是任意尺寸的，但应有微米量级的精度【i l 。 根据k u k l ac 等人的描述，可将微注塑成型理解为，它是一种成型的制件重量以毫 克( m 曲为计算单位，制品几何尺寸以微米( r u n ) 为度量单位的成型方法。界定范围又可分 为四类： ( 1 ) 以m g 为单位的注塑制件，但其尺寸精度不一定要达到肛l 级的水平。 ( 2 ) 不以m g 为单位的注塑制件，但其尺寸精度却应达到叫l 级的水平。 ( 3 ) 以m g 为单位的注塑制件，其尺寸精度也应达到l a m 级的水平。 ( 4 ) 不以m g 为单位的注塑制件，但其上的微结构如孔、槽等的尺寸却应达到岬l 级 的水平。 本论文研究工作得到国家自然科学基金资助，项目编号：5 0 2 7 5 0 2 0 独创性说明 作者郑重声明：本硕士学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工 作及取得研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外， 论文中不包含其他入已经发表或撰写的研究成果，也不包含为获得大连理 工大学或者其他单位的学位或证书所使用过的材料。与我一同工作的同志 对本研究所做的贡献均已在论文中做了明确的说明并表示了谢意。 作者签名：日期碰。二- 膨 微注塑成型充模流动中粘性耗散与对流传热研究 大连理工大学学位论文版权使用授权书 本学位论文作者及指导教师完全了解“大连理工大学硕士、博士学位论文版权 使用规定”，同意大连理工大学保留并向国家有关部门或机构送交学位论文的复印 件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权大连理工大学可以将本学位论文的 全部或部分内容编入有关数据库进行检索，也可采用影印、缩印或扫描等复制手段 保存和汇编学位论文。 作者签名 导师签名 魏岛表 手虹 ， 砸为年i 可月如日 大连理工大学硕士研究生学位论文 1 绪论 微机电系统( m e m s ) 技术经过近十几年的快速发展，现已取得了很大的进步，并在流 体、医疗、光学和信息通信等领域得到了广泛的应用。为了进一步拓展微机电系统的应 用领域，微型部件或微小构件的批量化生产具有重要的意义。虽然现有的微成型方法可 以成型三维的单晶硅、纯金属和一些二元合金等各种微型制件，然而其制造成本较高， 且难以做到批量生产。而近年来发展起来的微注塑成型技术是一种可以进行大批量成型 体积微小或有精密微细结构塑件的成型加工技术。应用微型注塑模具成型微机电系统中 的微小构件，与目前应用在微机电系统领域的硅基材料构件相比，其制造成本低，生产 周期短，成型工艺简单，构件质量更易于保证。 1 1 微注塑成型技术的含义及应用 1 1 1 微注塑成型技术的含义 到目前为止，对于微注塑成型技术还没有准确统一的定义，但多数研究者都是从成 型微小尺寸与微小体积塑件开始研究的。k u k l ac 等从微型翅件的角度，给出了微注塑 成型技术的概念。即微注塑成型技术应能够成型以下类型的塑件： ( 1 ) 塑件的整体结构尺寸微小； ( 2 ) 表面具有微细结构的塑件； ( 3 ) 微型精密塑件。 据此，微型塑件应是指单件重量仅为几毫克，并具有微米量级尺寸的塑件。而表面 具有微小结构的塑件，通常是指虽然总体尺寸仍为普通的尺度，但其局部细微结构处的 尺度已达微米量级。微精密塑件可以是任意尺寸的，但应有微米量级的精度【i l 。 根据k u k l ac 等人的描述，可将微注塑成型理解为，它是一种成型的制件重量以毫 克( m 曲为计算单位，制品几何尺寸以微米( r u n ) 为度量单位的成型方法。界定范围又可分 为四类： ( 1 ) 以m g 为单位的注塑制件，但其尺寸精度不一定要达到肛l 级的水平。 ( 2 ) 不以m g 为单位的注塑制件，但其尺寸精度却应达到叫l 级的水平。 ( 3 ) 以m g 为单位的注塑制件，其尺寸精度也应达到l a m 级的水平。 ( 4 ) 不以m g 为单位的注塑制件，但其上的微结构如孔、槽等的尺寸却应达到岬l 级 的水平。 本论文研究工作得到国家自然科学基金资助，项目编号：5 0 2 7 5 0 2 0 微注塑成型充模流动中粘性耗散与对流传热研究 微成型技术经过近年来的不断研究，现己取得了长足的进步。制造的微器件按照尺 度不同可分为微小零件、微零件、分子零件。其相对应的观测方法和制造技术如表1 1 所幂甜。 表1 1 微成型中尺度与其他技术之间的关系 t a b 1 1t h er e l a t i o n s h i po f d i m e n s l o na n do t h e rt e c h n o l o g ymn n c r om j e e t l o nm o l d i n g 名称尺度观测方法零件制造技术 毫米机器1 0 m m l m m目视 微小零件精密制造 硅工艺、 微米机器 l n n 1 i x m光学显微镜( o l v 0微零传 l i g a 工艺 扫描式电子显微镜( s e m ) 毫微米机器 1 u n l l n m 分子零件蛋白质工程 原子力显微镜( a f m ) 微注塑成型技术，虽已达到了制造微米尺度制件的水平，但由于尺度在l m m 1 1 t m 之间的模具零件在制造上具有很大的困难，而且存在许多技术难题需要解决。因此，根 据目前的微细加工技术水平，本文所研究的微注塑成型的尺度范围限定在l m m l u m 之 间。微注塑成型在这个尺度范围内所要解决的难题，就是如何使高聚物熔体在高温高压 下充满具有高深宽比的模具型腔。本文研究的主要内容就是针对微型模具的微小型腔或 流动通道中的熔体充模行为进行理论研究与数值模拟，以期建立表述微注塑成型过程中 熔体充模流动时的粘性耗散和热量传递的理论模型，用以指导微型模具设计及微型塑件 注塑成型加工。 1 1 2 微注塑成型技术的应用 随着m e m s 技术研究的深入和微电子行业的飞速发展，微型塑件在微电子、通讯、 微机械、精密仪器以及生物医学和微光学等领域的应用越来越广泛，但不同领域对微小 塑件的质量与性能要求不同。微型塑件的成型要受到材料特性、成型设备与工艺、以及 模具微细加工技术等的影响。表1 2 给出了微注塑成型目前常用的材料，以及模具成型 零件能够达到的最大深宽比和最小结构壁厚等数据【3 1 。 d e s p am s 等对应用微注塑成型技术成型表面带有高深宽比微结构( h i 曲a s p e c tr a t i o m i c r o s t r u c t u r e s h a r m s ) 的制品进行了研究【4 j 。 n i g g e m a n nm 等介绍了用微型注塑成型技术制造纳米滴定芯片的应用研究。所用材 料为光学质量的聚碳酸酯，芯片的底部厚度为1 2 5 9 i n ，表面粗糙度仅为5 0 n m 5 1 。 h t t p ：w w w m i c r o m o u l d i n g c o u k 介绍了大量的微型塑件应用。其中包括：钟表业应 用的重量为0 0 3 4 9 的锁紧装置；重量为0 0 0 8 9 的齿轮及0 0 0 2 2 9 的转子；微机械行业应 大连理工大学硕士研究生学位论文 用的重量为o 0 0 6 7 9 的制动棘轮；医学领域应用的重量为0 0 3 7 9 的夹持装置；重量为 0 0 0 2 2 9 的可以植入人耳中的助听装置；电子行业应用的同轴连接器等( 6 1 。 表1 2 微注塑成型常用材料、最大深宽比、最小结构壁厚及典型应用 t a b 1 2p o l y m e rm a t e r i a l so f t e nu s e di ni i l l c l om j c c t l o nm o l d i n g ，m a x i m u ma s p e c tr a t t o s ( a r ) m i m m u m s t r u c t u r a lt h l c k n e s s e s ( s m m ) ，a n dt y p i c a la p p h c a t m n s 聚合物 深宽比 最小结构 应用举例 材料 壁厚( 岬) p m m a2 02 0 光纤连接器 p c73 5 0 电解容器 p a1 05 0 微型齿轮 p o m5 5 0 给定孔径的过滤器 p s u52 7 0微流控设备组件 p e e k52 7 0微泵泵体 l c p5 2 7 0 微电子设备 p e 2 3 0 。 2 0 微执行器组件 p a l 2 c 1 05 0 静电微阀壳体 表示流动长度与壁厚之比 由于微型制品的尺寸和重量非常微小，整个微系统的装配就变得非常困难，并且要 耗费大量时间。德国亚琛工业大学的i k v 研究所在进行微型注塑成型技术基础研究的同 时，还对生产混合结构的微系统技术进行研究，称为微装配注塑成型技术( m i c r o a s s e m b l y i n j e c f i o nm o l d i n g ) 或微插件注塑成型技术( m i c r oi n s e r ti n j e c t i o nm o l d i n g ) ，使微型零件的装 配效率大大提高。 w a l l r a b eu 等介绍了一种用微型注塑成型技术生产的光纤连接器。实现了精密零件 的低成本制造，并且具有弹性，使其结构装配变得容易，同时采用一体化的设计还避免 了精密微细结构的损坏【7 1 。 m i c h a e l iw 等对微装配注塑模具技术进行了研究。在该研究中，微型注塑成型技术 不仅被用来生产微型塑件结构，还实现了混合微结构的装配。并对不同的结构进行了成 型试验：如由两个可动部分组成的微铰链结构、具有中空结构的流体器件和一种微光学 元件8 】等。 微注塑成型充模流动中粘性耗散与对流传热研究 1 2 微注塑成型技术的研究内容及发展趋势 1 2 1 微注塑成型技术的研究内容 目静，关于微注塑成型技术及其相关理论的研究还不很成熟，对微小尺度下的塑件 成型过程中的许多问题还认识不清。因此，关于微型塑件的成型技术与相关基础理论的 研究以及微成型设备的研制，受到世界各国科学家和相关领域专家的极大关注。目前针 对微注塑成型技术的研究。主要包括以下几个方面：即微型注塑机、微注塑成型工艺技 术、微型注塑模具设计与制造及与模具微小尺寸通道中的高聚物熔体流变特性相关的基 础理论。 1 2 1 1 微注塑成型机的研究 微型塑件不仅尺寸与体积微小，其重量也可小至毫克级或更小。显然如此微小的塑 件，用普通小型注塑机成型，不仅会产生很大的注塑机能力和材料与能源的浪费，而且 增加了塑件的生产成本，同时也难以保证塑件的质量与精度要求。因此，研制具有微小 注射量的精密注塑机成为实现微注塑成型的重要目标之一。 当微注塑成型技术在2 0 世纪8 0 年代后期开始发展的时候，没有专门的加工技术， 因此只能对以液压驱动、锁紧力为2 5 5 0 吨的已商品化的普通设备配以特殊的装置， 来生产具有较大流长比的微型注塑制件。这种情况在2 0 世纪9 0 年代中期有了改善。以 德国的b a t t e n f e l d 公司、b o y 公司、日本的s o d i c k 公司和美国的m u r r a y 公司等为代表 的注塑机生产商们，先后研制开发出了各种不同类型的微型注塑机，其螺杆直径最小可 达妒5 唧，注射容积只有几立方厘米至零点几立方厘米。成型的塑件重量也从零点几克 小至零点几毫克。如b a t t e n f e l d 公司专门为成型精密微型塑件设计制造的一种全电子驱 动的微型注塑机m i c r o s y s t e m 5 0 ，其注射重量从0 2 5 r a g 到1 9 变化，可用来成型单件质 量在0 i g 以下的微型塑件。 德国a a c h e n 大学的i k v 研究所一直从事注塑成型及其模具技术的研究，他们新近 研制了一种高技术含量的微注塑成型概念机，获得了比m i e r o s y s t e m 5 0 更小的注射量。 这种微注塑机技术代表了目前最新的研究进展，它仍采用螺杆预塑化和柱塞注射单元分 离式设计，只是注射推杆的直径由m i c r o s y s t e r a 5 0 型的由5 m m 减小到由2 m m ，其注射重 量可在5 m g 3 0 0 m g 范围内变化。 微型注塑机，经过十几年的发展，已经商品化的机器类型有多种，其制造商除了上 述的b a t t e r t f c l d 、b o y 、s o d i c k 和m u r r a y 公司以外，还有a r b u r g 、d c m a ge r g o t c c h 、e t t l i n g e r 、 f e r r o m a t i k m i l a e r o n 、n i s s c i 、s u m i t o t r i o 、t o m k e n t o o l 和v a n d o r a d e m a g 等多家公司。 大连理工大学硕士研宄上学位论文 各公司及其研究机构都在不断地提高其微注塑机的设计与控制技术。目前的开发研究， 仍在向着获得更小的注射量和更高的计量与控制精度的目标而努力。此外，成型过程中 微型塑件脱模时的夹持、输送、质量检测等功能也与注塑机集成为一体，使得生产过程 更加自动化，加工效率大大提高。 大连理工大学模具研究所采用的就是德国d r b o y 公司开发的锁模力为1 2 0 k n 的 b o y1 2 a 型微注射机，注射量最小可达o 1 5 克，利用多型腔模具单个塑件的重量可以小 于0 0 0 1 5 克。如图1 ，1 所示。 1 2 1 2 微注塑成型工艺的研究 图1 微型注塑机 f i g 1 m i c r oi n j e e t i o nm a c h i n e 微型塑件成型过程中，其注塑工艺条件和普通注塑成型有很大差剐，例如，如果仍 采用普通注塑成型时的模具温度和注射压力，通常会导致微小模具型腔充填不足。然而 目前关于微注塑成型工艺条件的具体研究尚未获得一致的结果 9 - 1 6 1 。 在p i o t t e rv 等的研究中，使用由l i g a 工艺成型的微结构模具型腔进行注塑成型试 验，指出必须通过提高模具温度才能保证微型塑件的成型质量。对于无定形塑料( 如 p m m a ，p c ，p s u 等) ，模具温度要高于其玻璃态转化温度；对于半结晶形塑料( 如p o m ， p a 等) ，模具温度通常要达到其结晶温度。而且在多数情况下，塑料熔体在注射机喷嘴 处的温度经常要达到材料允许的成型温度的上限。同时指出，在微结构模具注射成型中， 只有预先将模腔内的气体排净，才能实现微结构塑件的完全充填旧。 微注塑成型充模“i ：动中粘性耗散与对流传热矶亢 k u k l a c 等也指出，微注塑成型过程模具的温度和普通注塑加工相比必须提高，他 们通过采用一种被称为“变温工艺”的技术，来控制模具温度。即在熔体注射之前和注 射过程中均对模具实施主动加热，注射完成后再使用快速冷却技术，使模具温度迅速降 低到塑件脱模温度，以缩短加工周期。同时提出，模具间隙在5 1 a r n 量级时不需要预先 排气，只有当模具间隙小于此值或有盲孔等结构时才需要主动排气。 e b e r l eh 与合作者z u m t o b e l 的研究，是将上述变温工艺进行了改进，即只对微型模 具的型腔部分实施温度控制，使成型周期迸一步缩短，从改进前的最短周期9 0 s 降低到 1 5 s ，大大提高了微型注塑成型的生产效率【l ”。 d e s p am s ，对注塑成型具有高深宽比的模具微结构型腔的工艺参数进行了试验研 究，试验的参数包括：注射速度、模具温度和型腔压力。结果表明，模具温度对熔体充 模有重要影响。模具温度低于一定值时，仅提高注射速度不能保证微结构型腔的完全充 满【1 9 i 。 y ul y 等对用不同方法加工的模具型腔镶件，包括c n c 加工的钢材料、环氧树脂、 光刻和电铸的镍模具零件进行了测试。其特征尺寸从5 微米到几百微米不等。同时考虑 了模具镶件的表面粗糙度和脱模斜度等问题。使用p m m a 和光学质量级的p c 材料，对 模具镶件在不同的模具和熔体温度、注射速度、注射量和保压压力条件下进行了试验， 结果发现注射速度和模具温度严重影响微结构的复制精度1 2 0 1 。 s h e ny k 等对厚度为2 0 1 m a ，半径为1 5 0 1 x r n 的圆柱齿轮，在不同的注射时间、模具 温度、注射温度和注射压力条件下进行了数值模拟试验，给出的结论同样是模具温度要 高于塑料的玻璃化转变温度。与p a 和p o m 相比，p p 为最合适的成型材料1 2 1 1 。 z h a oj 等在m i e r o s y s t e r a 5 0 型微注塑机上，进行了一系列微型齿轮的成型试验和数 值模拟 z 2 l ，所用材料为p o m ，采用t a g u e h i 试验分析方法，得出的结论是计量精度和 保压时间是影晌微型塑件成型质量的决定性因素。模具温度也要高于普通注塑成型时的 模具温度“。 综合上述研究发现，尽管各研究者所用研究方法与试验条件不同，得出的结论也不 尽一致，但有一点结论是共同的，即在微注塑成型中，模具温度在注射充模阶段应比普 通注塑成型时的温度要高。注射充模完成后，为了缩短加工周期需将模具快速冷却。但 对不同的材料或塑件，模具应达到的具体温度水平各研究者还没有形成统一的认识。 1 2 1 3 微注塑成型模具设计与制造 微模具的制造是制约微注塑成型技术发展的一个重要因素。微型模具的制造，其难 点在于微小型腔或微小凸凹结构的加工，而模具其他结构零件的制造与普通模具基本一 大连理工大学硕士研究生学位论文 致。微小型腔的成型可以在一个很小体积的金属块上加工，然后把金属块作为一个镶块 嵌入模板并进行整体组装，这不仅便于微小型腔的微细加工和镶块的更换。而且能够提 高模具整体的使用寿命i z 。 目前用于微型模具型腔制造的相关技术，按其加工方式的不同可分为两种类型：( 1 ) 光制作技术，如l i g a 技术、x 射线光刻、电子束光刻、激光加工技术和蚀刻技术等；( 2 ) 微机械加工技术，如微细电火花加工、微车削、磨削和铣削加工等。以光制作为主的微 加工技术主要用于微米量级零件( m i c r o - p a r t s ) 的加工，其加工精度可达1 0 n m 以下。微 机械加工技术剐一般用于毫米量级零件( m i n i a t u r i z e dp a r t s ) 的加工，其加工精度可达 1 0 0 r i m 以下。但是微机械加工零件的几何结构通常都是回转体或平面等比较简单的形 体。其中微细电火花加工所用的微小电极本身就制作困难，并且加工后模具的表面粗糙 度难以达到要求，需要进行后续研抛加工，从而降低了生产效率，所以微机械加工的应用 范围有限。当模具型腔结构复杂并且精度要求高时，光制作技术不仅能够达到要求的精 度而且成型效率较高，因此在未来的微型模具制造中将发挥重要作用。 ( 1 ) l i g a 技术 l i g a 技术被认为是微细加工领域中极有发展前途的一种新技术，其实质就是把用 同步辐射x 光进行光刻腐蚀、电铸成型和注塑三种工艺过程组合在一起的新型微细加工 工艺。应用l i g a 技术可加工出具有高深宽比和高精度的微结构零件，且加工温度较低， 使得它在微传感器、微执行器、微光学器件及其他微结构产品零件加工中显示出突出的 优势，它不仅可成型纳米级尺度的微小结构，而且还能制造出大到毫米级尺寸的微小结 构，因此非常适用于微型模具制造。 ( 2 ) 电化学微细加工 对于原材料不适合传统机械加工或者只允许在工件上施加非常小的工作压力时，可 以用电化学微细加工的方法来成型。电化学微细加工的基本过程就是用一个微小电极作 为阴极，沿着被加工零件的外形切线方向移动，莉厢金属在电解液中发生电化学阳极溶 解的原理，将工件加工成所需形状的一种特种加工方法。与电解有关的放电加工都可以 归类为电化学微细加工的范畴，例如电火花加工( e d m ) 、电火花线切割加工 ( w e d m ) 、线电极电火花磨削( w e d g ) 等。微细电火花加工在微型模具制造中的应用 比较广泛，实现微细电火花加工的关键在于微小电极的制作、微小能量放电电源、微量 伺服进给系统、加工状态检测及系统控审8 等环节。日本东京大学增泽隆久等应用线电极 电火花磨削( w e d g ) 技术，圆满地解决了微细电极的制作与安装问题，已加工出直径小 于2 1 5i lm 的微细轴和直径为5 1 1m 的微细孔w e d g 以金属线作为电极，由于金属导 微注塑成型充模流动中粘性耗散与对流传热研究 线移动缓慢，几乎没有振动及反作用力，加工时对电极的消耗影响极小。所以可得到很高 的加工精度，能成型多种形状的工具或电极。 ( 3 ) 微车削、磨削和铣削加工 像电火花加工一样，传统的车削、磨削和铣削等微型机械加工方法已经用于微型模具 型腔的加工。用于车削、磨削和铣削的刀具通常是单晶体钻石，其切削刃可以被磨得非常 锋利，圆度误差小于2 0 n m 。或者用方形、梯形及半圆的钻石刀具。目前研究最多、最成 熟的是超精车削。利用微型机械切削加工方法制作电极或刀具进行微型模具制造是一种 常用的加工方法，电极的成型以微电铸、放电加工及线切割加工为主：切削刀具的加工以 磨削或高速铣削加工为主。因此，微机械切削加工一般作为微型模具制造的辅助加工手段， 其直接加工的型腔尺寸一般在毫米级以上，并且多为回转体等较为简单的几何结构。 1 2 1 4 微注塑成型基础理论研究 微泣塑成型充模流动过程中，高分子熔体流过微小通道的流变特性，与宏观上的注 塑成型理论已有很大的不同，微观熔体充模流动涉及的影响因素多，相互作用关系复杂， 但其区别于宏观充模流动的主要特征是其熔体流动通道与型腔的截面尺寸及注射熔体 的量微小，由此引发的充模流动中的许多因素明显与宏观充模过程不同。宏观充模流动 中可被忽略的影响因素，在微观条件下可能成为主要因素；而宏观条件下影响熔体流动 的主要因素，在微观条件下可能变得并不重要而被忽略。这些可能的因素包括模具和熔 体温度、流动过程的非等温效应、壁面滑移、粘性耗散、表面积与体积比的增加、型腔 排气、流动通道的表面粗糙度、熔体的表面张力、重力、惯性力、粘弹性效应以及流动 过程的可压缩性等。目前，在关于微注塑成型充模流动理论的研究还处于起步阶段。由 于微型塑件的结构尺寸与体积极其微小，并且微注塑成型技术的研究涉及到许多相关技 术领域，如微流变学、微传热学、微流体力学、聚合物的微观形态学等，加之各相关技 术领域的理论与技术本身的研究也不够成熟，因此还没有形成能够指导微注塑成型的理 论与方法。 目前，关于高聚物熔体在微小通道中流交特性的研究，国外也刚刚开始，其研究内 容主要集中在高聚物熔体微观流动的表面效应和尺度效应，由于熔体的非牛顿粘度的复 杂性，研究中大量使用了牛顿流体进行实验 po l l e y 探讨了高聚物熔体流经两相距1 5 4 m m 平行板的实验，利用显微摄影，可清 楚地观察出高聚物熔体流经平行板时，应力的分布情况【2 5 】 bx u 主要探讨低粘度液体，如：水，气体，当流经不同管径( 2 5 - 1 0 0 t a n ) 微通道时， 对所产生的粘性热进行影响评估，并指出当微通道越小时，粘性热所产生的影响也就 人连理工大学硕士研究生学位论文 越大【2 6 】。 台湾中原大学的陈嘉濠对高分子熔体在微通道中的流动的流变特性进行了初步研 究。研究中建立了微通道流变测量系统，经由初步的探讨测得高聚物熔体在微通道中流 动时，其粘度相对于大尺寸通道降低了；并且通道尺寸越小，粘性热所造成的影响越明 显，并会引起较大的熔体温度升高【27 1 。 意大利波罗尼亚大学的g i a nl u c am o r i n i 对流体在微通道内的粘性耗散现象进行了 研究，利用宏观理论( n a v i e r s t o k e s 方程) ，通过实验的方法，研究了流体在考虑了摩 擦因素的微通道内流动时的流变行为，并提出了粘性耗散作用不可忽略的准则，重点讨 论了微通道横截面形状对粘性耗散的影响，针对不同流体计算了粘性耗散不可忽略时的 最小雷诺数【2 8 】。 k i md s 等采用实验和数值模拟相结合的方法，针对微注塑成型和微流控装置中经 常遇到的瞬态填充流动问题进行了研究。实验中采用了流体可视化装置和数值分析方 法，研究了流动过程中的压力梯度、粘性力和表面张力的几何效应等问题。数值模型中 通过表面接触角的概念引入了表面张力的影响。试验中还观察到了较小尺寸通道中的流 体阻塞现象，同时指出这种现象是由于表面张力产生的阻碍作用所致【2 ”。 y a od g 等对聚合物熔体在微通道中的流动问题进行了理论分析和模拟，模拟是基 于宏观的2 5 维方法，同时考虑了微观因素的影响，并对其进行了修正。这些修正包括 借用摩擦学研究中的聚合物粘度理论模型，将粘度表示为尺度函数，并考虑了熔体微观 流动中的壁面滑移问题。对于普遍认为有较大影响的表面张力作用，进行了简单的分析 计算，得出的结论是在微型模具充模流动时不必考虑表面张力的影响。该研究最终显示， 只有当模具微观尺度降至几个微米或更小时，熔体的微观充模流动行为才会显著地区别 于宏观的充模流动【j u j 。 x ub 等从分子理论角度研究了极性和非极性液体流动时微通道几何尺寸对粘度和 流动特性的影响。研究发现，对于在亚微米通道中流动的极性液体，其粘度发生了改变。 而且对于水这一典型的极性液体，研究清楚的表明其在微流动时的粘度会比普通状态下 变小。对于非极性液体则未发现这神变化。然而，因为分子理论本身的发展尚未完善， 其分析中应用的现有的分子模型并未得到广泛的认可，所以该研究的意义在于它开创了 新的研究思路和对微观粘度变化的定性解释【3 1 l 。 a w a t ik m 等分别对线性低密度聚乙烯和聚苯乙烯的熔体在高剪切速率下的壁面滑 移进行了试验，不考虑压力和粘性熟的影响。目的是研究不同性质的熔体在两种滑移机 理下的转变规律。这两种滑移机理为：低剪切速率下的线性滑移机理，此时熔体和壁面 之间的缠结仍然保持( 弱滑移) ；高剪切速率下的滑移机理，此时熔体和壁面处的分子链 微。上塑成型充模流动中粘性耗散与对流传热研究 发生解缠( 强滑移) 。结果显示对于多分散性聚乙烯，两种滑移的转变是渐进的且滑移速 度较低，对于单分散性聚苯乙烯则存在一个明显的转变临界值【3 2 】。 c h e ny 等分别采用铜、不锈钢、铝和玻璃材料的毛细管，研究不同的材料结构对 线性低密度聚乙烯的滑移速度的影响，同时应用化学刻蚀的办法使铜材料毛细管具有不 同的表面粗糙度，以研究粗糙度对滑移速度的影响程度。试验结果表明不锈钢材料的滑 移速度最大，铝材料由于其多孔性的表面特征，滑移速度可以忽略不计。关于表面粗糙 度的试验结果显示，滑移速度随表面粗糙度的降低而增加【3 ”。 k a l y o nd m 等用聚乙烯进行了测量松弛模量的试验，对影响试验结果的壁面滑移 效应进行了研究。并对滑移的机理进行了分析例。 k o oj 等对流体在微通道中流动进行了一系列试验研究，并讨论了关于微流体的入 口效应、壁面滑移、非牛顿效应、表面粗糙度、粘性耗散以及紊流对阻力系数的影响等 3 5 1 。 m a l ag m 等分析了双电层效应对微通道中流体流动和传热的影响。应用 p o i s s o n b o l t z m a n n 方程的线性近似解描述双电层效应，引入由双电层电场产生的电子 体积力对运动方程进行了修正。并给出了方程的稳态流动解，从而得到了双电层电场和 通道尺寸对速度分布、流动势能、表观粘度、温度分布和热对流系数的影响【3 ”。 r e nl q 等对几种不同的液体在微通道中的流动特性进行了研究。主要目标是研究 微通道中双电层效应引起的流动阻力。发现几种试验液体的压力梯度与相同雷诺数下应 用传统层流理论的预测值相比非常大。这种增大依赖于微通道的高度、液体中离子的离 子价和液体的浓度。文中提出了电粘性流动模型，但是并不能预测所有的试验结果【”】。 上述关于流体微观效应的研究中，研究对象并不全是聚合物熔体，有些是水和高分 子溶液。由于本研究针对的是聚合物熔体的微观流动特性，其微观效应是需要考虑的重 要因素，但以上研究成果对本课题的研究仍具有较高的参考价值。 1 2 2 微注塑成型技术的发展趋势 随着微系统技术的发展及对微小塑件需求的日益增长，微注塑成型技术的发展呈现 以下趋势： ( 1 ) 塑件尺寸和体积仍会继续减小 应用注塑成型技术可以达到的最小临界尺寸主要由零件的深宽比决定。对于深 宽比小于l 的情况，目前的注塑工艺可以达到的最小结构尺寸在次微米量级，例如c d 和d v d 的生产。 对于典型的微注塑成型，通过采用某些专门的措施，例如模具抽真空或增加高 效的温度调节装置，可以获得最小壁厚为l o p j n ，结构细微部分尺寸为o 2 p j n ，表面租 大连理工大学硕士研究生学位论文 糙度约为r z 0 0 5 i t m 的微型塑件。更为重要的是，它证明了微注塑成型的复制精度仍有 提升的空间。除此之外，增加温度调节装置还可以使流体充满具有更大深宽比的型腔。 然而，现在的研究仍不能定义成型微型塑件的最小极限尺寸，在小于l g m 的尺度范围 仍有发展的空问p 。 ( 2 ) 生产日趋自动化、智能化 对于结构尺寸小至微米量级的零件，加工过程中的质量控制已不能通过人的视觉或 者检测零件重量的方法进行监控，因此智能化的控制技术如机器视觉监控系统需要引入