（机械电子工程专业论文）微注塑成型充模理论模型与数值模拟.pdf

大连理工大学硕士学位论文 摘要 随着微机电系统技术的发展对微型制件需求的不断增长，以传统的微细加工方法成 形微小制件难以满足微系统的应用要求，而用微注塑成型的方法成型微d , n 件，具有生 产效率高，制件质量稳定等优点，成为微成形加工领域的重要工艺发展方向。 由于微型塑件的结构尺寸与体积微小，传统的宏观上的注塑模具设计理论及方法在 某种程度上已经失去指导意义，需要从微观尺度上根据微型塑件成型的特点，建立新的 微注塑模具设计的基本理论与方法。因此研究微小熔体在模具型腔中的流动行为成为微 型模具设计理论研究的重要内容，其中建立适台微注塑成型充模流动的理论模型是关 键。 本文依据塑料流变学、流体力学等基本理论，借鉴宏观熔体的充模流动理论模型， 比较了微型注塑成型技术与传统注塑成型技术的差异，对微观熔体充模过程中的诸多可 能的影响因素，如模具和熔体温度、流动过程的非等温特性、型腔排气、流动通道的表 面粗糙度、熔体的表面张力、惯性力与重力、微观粘度、粘性耗热、粘弹效应等进行了 全面分析，初步建立了反映微观熔体充模流动行为的理论模型。进而，采用p o l y f l o w 等 流体分析软件对模型中的影响因素进行模拟，根据模拟结果进一步完善了理论模型。最 后，本文引用美国俄亥俄大学的l i y o n gy u 博士的实验结果，分别对2 0 0 9 m 和l o o b m 两种宽度的微流道进行充模流动模拟，并将模拟结果与实验数据进行对比，验证了理论 模型的正确性，同时分析了模拟结果与实验数据之间产生误差的原因。 通过模拟结果的分析可知，考虑壁面淆移影响和采用局部热对流系数能够较好的反 映温度变化、流道表面粗糙度和熔体弹性等因素对微小熔体充模流动行为的影响。本文 所建立的理论模型在微小流动通道中的充模长度预测上已经得到了较好的验证，能够反 映出微型模具通道中熔体的充模流动行为，为微型注塑模具设计理论奠定了有力的基 础。 关键词：微注塑成型；理论建模；壁面滑移；局部热对流；数值模拟 王斌：微注塑成型充模理论模型及数值模拟 t h e o r ym o d e la n dn u m e r i c a ls i m u l a t i o no ft h ef i l l i n go fm i c r oi n j e c t i o n m o l d i n g a b s t r a c t d u et ot h ei n c r e a s i n gd e m a n df o rm i c r op r o d u c t sa l o n gw i t ht h ed e v e l o p m e n to fm i c r o e l e c t r o m e c h n i c a l s y s t e mt e c h n o l o g y ，f a b r i c a t i n g m i c r o p r o d u c t sb y t r a d i t i o n a l m i c r o f a b r i c a t i o nt e c h n o l o g yc a nh a r d l ym e e tt h er e q u i r e m e n to fm i c r o s y s t e mn e v e r t h e l e s s ， f a b r i c a t i n gm i c r op a r t sb ym i c r oi n j e c t i o nm o l d i n gt e c h n o l o g yh a sb e c o m ea ni m p o r t a n t d e v e l o p m e n tt r e n df o ri t sh i g he f f i c i e n c y ，s t a b l eq u a l i t ya n ds oo n f o rt h em i n i a t u r eo fs t r u c t u r es i z ea n dv o l u m eo fm i c r op l a s t i c sp a r t s ，t h et r a d i t i o n a l d e s i g nt h e o r i e sf o ri n j e c t i o nm o l dh a v e1 0 s tt h e i ri n s t r u c t i o n a ls i g n i f i c a n c ei ns o m es e n s e n e w d e s i g nt h e o r i e sa n dm e t h o d sf o rm i c r oi n j e c t i o nm o l ds h o u l db eb u i l ta c c o r d i n gt ot h e c h a r a c t e r i s t i c so fm i c r oi n j e c t i o nm o l d i n go nm i c r o s c a l es ot h er e s e a r c ho fm i c r o s c a l em e l t f l o wb e h a v i o ri nm o l dc a v i t yb e c o m e sa ni m p o r t a n tp a r to fm i c r o m o l dd e s i g nt h e o r i e sv e r y m u c h ，i nw h i c ht h ek e yi se s t a b l i s h i n gt h e o r ym o d e ls u i t e df o rm i c r oi n j e c t i o nm o l d i n g a c c o r d i n gt ot h eb a s i ct h e o r i e ss u c ha sp 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 se t c ，u s i n gt h e m a c r o s c a l em e l tf i l l i n gf l o wt h e o r yf o rr e f e r e n c e ，c o m p a r i n gt h em i c r oi n j e c t i o nm o l d i n g t e c h n o l o g yw i t ht h et r a d i t i o n a lo n e ，a n da n a l y z i n gs o m ep o s s i b l ei n f l u e n c i n gf a c t o r so nm i c r o f i l l i n gp r o c e s sc o m p r e h e n s i v e l y ，s u c ha s n o n - i s o t h e r m a lf e a t u r ei nf l o w p r o c e s s ，c a v i t y v e n t i n g ，s u r f a c er o u g h n e s so ff l o wc h a n n e l ，s u r f a c et e n s i o no fm e l t ，g r a v i t ya n di n e r t i a ， m i c r o s c a l ev i s c o s i t y ，v i s c o u sh e a t i n ga n dv i s c o e l a s t i ce f f e c t ，e t c ，t h ep a p e re s t a b l i s h e sa t h e o r ym o d e lt h a t r e f l e c t sm i c r os c a l em e l tf l o wb e h a v i o rp r i m a r i l yt h e na d o p t i n gf l u i d a n a l y s i ss o f t w a r e ，s u c ha sp o l y f l o w ，e t c , s i m u l a t e se f f e c tf a c t o r si nt h em o d e l ，a n di m p r o v e s t h et h e o r ym o d e la c c o r d i n gt ot h es i m u l a t i o nr e s u l t sf u r t h e r f i n a l l y , t h e p a p e rc i t e st h e e x p e r i m e n tr e s u l t si n v e s t i g a t e db yl i y o n gy u ，t h ed o c t o ro ft h eo h i o s t a t e su n i v e r s i t y ， s i m u l a t e st h ef i l l i n gp r o c e s s e si nt w o 轴n d so fm i c r oc h a n n e l sw h i c ha r e2 0 0 9 ma n d1 0 0 9 m r e s p e c t i v e l y ，c o n t r a s t ss i m u l a t i o nr e s u l t sw i t he x p e r i m e n td a t a , v a l i d a t e st h ec o r r e c t n e s so f t h e o r ym o d e l ，a n da n a l y z e st h er e a s o n sf o rt h e e r r o r sb e t w e e nt h es i m u l a t i o nr e s u l t sa n d e x p e r i m e n td a t a t h r o u g ha n a l y z i n gt h es i m u l a t i o nr e s u l t s ，c a nk n o wt h a t ，c o n s i d e r i n gw a l ls l i pe f f e c ta n d a d o p t i n gl o c a l h e a tt r a n s f e rc o e f f i c i e n tc a nr e f l e c tt h ee f f e c t st h a ti s t e m p e r a t u r ec h a n g e ， s u r f a c er o u g h n e s so f f l o wc h a n n e la n dm e l te l a s t i c i t y ，e t c ，t om i c r om e l tf i l l i n gf l o wb e h a v i o r t h et h e o r ym o d e le s t a b l i s h e di nt h i sp a p e ri sp r o v e di t sv a l i d i t yf o rt h ep r e d i c t i o no ff i l l i n g i i 查堡里三奎堂堡圭堂堡堡塞 l e n g t hi nm i c r of l o wc h a n n e l sb e t t e r , c a nr e f l e c tm e l tf i l l i n gf l o wb e h a v i o ri nm i c r om o l d c h a n n e l s ，a n de s t a b l i s h e sv a l u a b l ef o u n d a t i o nf o rm i c r oi n j e c t i o nm o l dd e s i g nt h e o d e s k e yw o r d s ：m i c r oi n j e c t i o nm o l d i n g ；t h e o r ym o d e l i n g ；w a l ls l i p ；l o c a lh e a tt r a n s f e r ； n u m e r i c a is i m u l a t i o n i i i 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， 论文中不包含其他人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： 王醯：日期：丝丝l 丝删 大连理工大学硕士研究生学位论文 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： 互i 基i 作者签名： 垒宣丞i 导师签名：。j 塑丛 4 年上月卫e t型生6 年上月l 大连理工大学硕士学位论文 1 绪论 微电子机械系统( m e m s ) 具有集成度高、体积小等特点，广泛应用于微机械、航空 航天、生物医疗、化学分析等各个领域。然而目前m e m s 领域广泛研究与应用的硅基 底材料的微型构件，其制造工艺复杂、成本高、周期长且工艺不稳定，不适于大批量生 产。塑料材料具有透明性和生物相容性及优秀的力学性能等特点，在微光学器件、生物 分析芯片和某些微小器件或结构中具有突出优势。用微注塑成型( m i c r oi n j e c t i o nm o l d i n g ) 技术成形微小塑件则为m e m s 领域提供了一种经济地快速制造大批量微型塑件的解决 方法，在某些方面弥补了硅基材料的不足。这势必会遇到一个问题，即在特征尺度由宏 观( c m - - m ) 量级减小到微观( 岬) 量级时，微小熔体的流动行为会发生哪些变化? 描述宏观流体力学运动的方程是否仍然适用? h oa n dt a i t l 噜g a d e l - h a k 2 】在其综述文 章中引用了一些实验结果，表明在微管道中气体流动出现沿流动方向压力梯度的非线性 变化和液体流动中表观粘性的改变。这些结果说明在某种条件下微尺度流动规律的确与 宏观理论不一致。 注塑成型是热塑性塑料成型的一种重要工艺方法。近年来，某些热固性塑料也可以 采用注塑成型。它具有成型周期短，生产率高，能一次成型外形复杂、尺寸精确、或带 有嵌件的塑件，产品质量稳定，易于实现自动化大批量生产等优点，因此广泛应用于各 种塑料件的生产。当前注塑模具技术在精密化和微型化方面有很大进展，国外已经有研 究应用其生产表面具有微结构或重量达毫克级的微小塑件，用于微机械系统及某些生物 医学领域。为有效的预测最终产品的质量和性能，一个可靠的熔体流动模型和充模流动 过程的数值模拟方法是非常重要的。注射成型填充过程的模拟可在模具制造之前充分反 映模具型腔是否充满，以及制品熔接痕的位置和模具温度场的分布等情况。保压和冷却 阶段将影响收缩变形、残余应力和翘曲等。微成型技术与传统的、常规的注塑成型技术 在许多方面都存在着差异，不能简单地将现有的、常规的注射成型技术应用到微成型中 去，有许多理论上和实践中的问题尚待解决，特别是在微型型腔内聚合物熔体的流动行 为与在常规情况下有显著的不同。微型塑件因其结构尺寸与体积微小，传统的宏观上的 注塑模具c a e 软件及设计方法由于其理论模型是基于宏观流体建立的，在运算过程以 及结果上都会产生偏差。因此，需要从微观尺度上根据微型塑件成型的特点，采用新的 思维方式建立新的微型注塑模具设计的基本理论与方法。由于微型注塑模具设计的复杂 性，涉及的技术领域较多，如高聚物熔体的微流变学、微传热学等相关技术领域，加之 各相关领域的理论与技术本身的研究还不够成熟，还没有形成能够指导微型注塑模具设 计的理论与方法。建立新的微型注塑模具设计的基本理论与方法，对推动微机电系统技 王斌：微注塑成型充模理论模型及数值模拟 术研究成果的实用化与大批量生产，扩大微机械科学技术的研究与应用领域，以及提高 我国精密微型模具的技术水平都具有十分重要的理论意义和应用价值。 1 1 微注塑成型技术的含义及应用 111 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 等从微型塑件的角度，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形以下类型的塑件： ( 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 尺度己达微米量级。微精密塑件可以是任意尺寸的，但应有微米量级的精度 1 。 根据k u k l ac 等人的描述，可将微注塑成型理解为，它是一种注射制件重量以毫克 ( m g ) 为计算单位，制品几何尺寸以微米( um ) 为度量单位的成型方法。界定范围又可分 为四类： ( 1 ) 以m g 为单位的注射成型件，但其尺寸精度不一定要达到g m 级的水平。 ( 2 ) 不阻m g 为单位的注射成型件，但其尺寸精度却要达到岬级的水平。 ( 3 ) 以m g 为单位的注射成型件，但其尺寸精度却要达到岬级的水平。 ( 4 ) 不以m g 为单位的注射成型件，但其微结构如孔、槽等却要达到g m 级的水平。 微成型技术经过近年来的不断研究，现已取得了长足的进步。制造的器件按照尺度 不同可称为微小零件、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 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 p o f d i m e n s i o na n d o t h e r t e c h n o l o g y i n m i c r o i j e c t i o n m o l d i n g 名称尺度观测方法零件制造技术 微小零 毫米机器1 0 m m l m m目视 精密制造 件 硅工艺、 微米机器l m m 1l m光学显微镜( o m )微零件 l i g a 工艺 扫描式电子显微镜( s e m )分子零 毫微米机器1 l l m 1 m蛋白质工程 原子力显微镜( a f m )件 大连理工大学硕士学位论文 不。 微注塑成型通过近几年的发展，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 i p 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。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1 m m i g 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 高压下充满高深宽比的模具型腔。本文研究的主要内容就是对微小型腔或通道中的充模 流动行为进行理论建模与数值模拟，以期建立微注塑成型模具的设计理论，用以指导微 型模具设计及微型塑件成型加工。 112 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l2 给出了微注塑成型目前常采用的材料，以及模具成 型零件能够达到的最大深宽比和最小结构厚度等数据1 3 1 。 表1 2 微注塑成型常用材料、最大深宽比、最小结构厚度及典型应用 t a b1 2 p o l y m e r m a t e r i a l so f t e n u s e d i n m i c r o i n j e c t i o n m o l d i n g ，m a x i m u ma s p e c tr a t i o s ( a r ) ，m i n i m u m s l l m c t m - a lt h i c k n e s s e s ( s m i n ) ，a n dt y p i c a la p p l i c a t i o n s 聚合物 深宽比 最小结构 应用举例 材料 厚度( 岬1 ) p m ! m a 2 02 0 光纤连接器 p c73 5 0 电解容器 p al o5 0 微型齿轮 p o m 55 0 给定孔径的过滤器 p s u 52 7 0 微流控设备组件 p e e k52 7 0 微泵泵体 l c p 52 7 0 微电子设备 p e 2 3 0 02 0 微执行器组件 p a l 2 cl o5 0 静电微阀壳体 表示流动长度与壁厚之比 王斌：微注塑成型充模理论模型及数值模拟 d e s p ams 等对应用注塑模具技术生产表面带有高深宽比微结构( h i g ha 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。所用材料为高密度聚乙烯h d p e ，模具镶 件的表面细微结构是许多长方体组成的柱状结构，尺寸为高7 5 0 9 i n ，截面为1 8 0 9 m 1 8 0 u m ，相邻两柱之间间隔为9 0 9 i n l 4 1 。 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 wm i c r o m o u l d i n g c ou 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o0 3 4 9 的锁紧装置；重量为00 0 8 9 的齿轮及o 0 0 2 2 9 的转子；微机械行业应 用的重量为o0 0 6 7 9 的制动棘轮；医学领域应用的重量为o 0 3 7 9 的夹持装置；重量为 o 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 。 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的非常困难，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 yi n j e c t 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 n m 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，使得其结构装配变的容易，同时采用了一体化的设计还 避免了精密微细结构的损坏p j 。 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料结构，还实现了混合微结构的装配。并对不同的结构进行了成 形试验：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p 1 。 1 2 国内外研究概况及发展趋势 l21 微注塑成型技术的研究概况 目前，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。 大连理工大学硕士学位论文 1 21 l 微型注塑机的研究 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。 图1 1 微型注射机 f 远11m i c r oi n j e c t i o nm a c l i ” 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， 因此只能改进用液压驱动，锁紧力为2 5 5 0 吨的已商品化的设备配以特殊的装置，生 产具有较大流长比的微型注塑结构。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，从2 0 世纪9 0 年代中期以来，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0 5 m m ，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杌m i c r o s y s t e m 5 0 ，其注射重量从o 2 5 m g 到l g 变化，可用来成型单件质量在01 9 以下的微型塑件。 王斌：微注塑成型充模理论模型及数值模拟 德国a a c h e n 大学的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 c 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 m 5 0 型的0 5 m m 减小到0 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 n f e 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 e m a ge r g o t e c h 、e t t l i n g e r 、 f e r r o m a t i km i l a c r o n 、n i s s e i 、s u m i t o m o 、t o m k e nt o o l 和v a nd o m d e m a g 等多家公司。 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。 模具研究所采用的是德国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 型注射 机，注射量最小可达01 5 克，利用多型腔模具单个塑件的重量可以小于00 0 1 5 克。如 图11 所示。 12 12 微注塑成型工艺的研究 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别，例如如果仍采 用普通注塑成型过程时的模具温度和注射压力，通常会导致微小模具结构的型腔充填不 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 “】。 在p l 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【1 7 l 。 k u k l ac 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 p m 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。 6 大连理工大学硕士学位论文 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，使成型周期进一步缩短，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【1 8 】。 d e s p ams 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，模具温度对完整充模 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 1 。 y uly 等对用不同方法加工的模具镶件，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【2 “。 s h e ny k 等对厚度为2 0 1 t m ，半径为1 5 0 1 x m 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f 2 ”。 z h a oj 等在m i c r o s y s t e m 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 2 ”，所用材料为p o m ，采用t a g u c h i 试验分析方法，得出的结论是计量精度和 保压时间是影响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【2 3 j 。 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。 12l3 微注塑成型基础理论研究 普通注塑成型的熔体充模流动行为，已有很多商品化的c a e 软件可以对其进行有 效地分析与模拟，如m o l d f l o w 、c m o l d 、z m o l d 、m o l d e x 等。但对微注塑成型过程中 的熔体流动行为还没有相应的分析软件，若直接应用宏观的c a e 软件进行微型模具的 充模流动分析，会出现很多困难，有时甚至会得到与试验完全不同的结果。其主要原因 是： ( 1 ) 现有的商品化流动分析软件都是基于普通模具的充模流动问题开发的，不能 有效地分析具有高深宽比的微结构模具通道中的熔体流动。因为当塑件尺寸微小时，如 王斌：微注塑成型充模理论模型及数值模拟 仍采用宏观的网格划分方法，很容易出现网格畸变；同时直接应用小数进行模拟计算会 比较容易造成误差累积，使最终的结果偏离实际值。 ( 2 ) 微型模具注射充模时，其各种影响因素的作用程度不完全等同于宏观。因为 在微小尺度下，微结构的表面积对体积之比急剧增大，一些在宏观条件下完全可以忽略 的因素，往往会对熔体的微观流动产生较大的影响。普通的充模流动分析软件由于忽略 了这些影响因素，因而不能正确地预测熔体的微观流动行为。 ( 3 ) 目前的c a e 模拟软件中应用的聚合物流变学数据都是在宏观试验条件下测得 的，若将这些数据直接应用于微小熔体的流动分析也有可能会出现误差。 ( 4 ) 由上述分析可知，在微注塑成型过程中，其工艺条件和普通注塑成型有很大 不同。在普通注塑模具的c a e 分析软件中，表达熔体流动的数学模型的许多假设和边 界条件在微尺度下已经改变，因而不能直接用于微型模具的充模流动分析。 关于高聚物熔体在微小通道中流变特性的研究，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及尺度效应等方面，由于熔体非牛顿粘度的复杂 性，研究中大量使用了牛顿流体进行试验。 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。试验中观察到了较小尺寸通道中的流体阻塞现 象，同时数值分析指出，这种现象是由于表面张力产生的阻碍作用所致【2 ”。 y a odg 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25 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p “。 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种变化。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【2 “。 大连理工大学硕士学位论文 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，不考虑压力和粘性热的影响。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，此时体壁处的分子链发 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【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记。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力 1 1 2 吼。 k a l y o ndm 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【2 ”。 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 方面的数值研究p 。 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1 1 向 3 1 】。 r e n l 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。文中提出了理论的电粘性流动模型，但是并不能预测所有的试验结 果【3 2 】。 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。 12 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： 王斌：微注塑成型充模理论模型及数值模拟 ( 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1 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1 0 岫，结构细微部分尺寸为02 1 a m ，表面粗糙 度约为r z l 。即 后户”和仇。后( d v d ，) 2 后 ( 21 1 ) 显然，这种流体具有剪切变稠的特性，属于不适宜用剪切力加工成型的材料。实 应用中，具有这种流动特性的塑料熔体极少。 2 132 影响粘性流动的因素 粘度是描述塑料熔体流动行为的重要量度，为塑料模具设计不可缺少的重要工艺数 据，影响熔体粘度的因素有很多，但主要有如下几个： ( 1 ) 温度的影响 粘一陛流动通常可用阿雷尼厄斯( a r r h e m u s ) 方程来描述粘度对温度的依赖性。 叩= ，而e x 。 簧( 亭一专j c zt ：， 式中e 为流体的活化能( e ( y ) 或e ( r ) ) ( k j m 0 1 ) ； 王斌；微注塑成型充模理论模型及数值模拟 尺为分子能常数( 83 2j m o l k ) ； 丁为流体温度( 。c ) ； 乃为基本温度( 。c ) ； 玎。为基本温度下的粘度( p a s ) 。 ( 2 ) 压力的影响 聚合物的聚集结构态，实际上存在很多微小空穴，即所谓“自由体积”，从而使聚 合物熔体有了可压缩性。在模塑过程中，塑料熔体受到自身的流体静压力和外部施压的 双重作用。熔体中“自由体积”减小，大分子间的距离缩短，链段活动范围变窄；而分 子间的作用力增加，以致于流体的粘度增大。 增大压力引起粘度增大的事实表明，单纯通过增大压力去提高熔体流动性，是不恰 当的。过大的压力，不仅会造成功率的消耗，而且还会造成设备的过度磨损。事实上， 一种聚合物在正常加工条件下，增加压力对粘度的影响，与降低温度对粘度的影响，具 有等效性。 在生产过程中，通过改变压力或温度，都能获得相同的粘度变化效应，通常把这种 相关的变化效应称之为压力温度等效性，并以符号( a r p ) 。表示之。 ( 3 ) 剪切速率的影响 塑料熔体的一个显著特征是具有非牛顿性，即其表观粘度随剪切速率( 或剪切应力) 的升高而降低。在相同情况下，高户下的粘度值可比低户下的粘度值小几个数量级。正 如式( 2 1 0 ) 所描述的那样 r = k r ”。 ( 2 1 3 ) 或 r = k ”r ” ( 2 1 4 ) 表观粘度吼随剪切速率尹或剪切应力f 的增大而呈指数函数地降低。对塑料模具设 计来说，如果塑料熔体的粘度在很宽的剪切速率范围内都是可用的，则选择在粘度对剪 切速率不甚敏感的区段内的操作数据更为合适。因为此时剪切速率的波动，不会造成塑 件质量上的明显差异。 大连理工大学硕士学位论文 2 2 注塑成型充模流动理论 22 1 注塑成型理论研究的发展 为了探索注塑理论，人们对熔体注射阶段的充模过程数学模型和理论进行了大量的 研究。 2 0 世纪5 0 年代初期，s p e n c e r - g i l m o r e 利用圆盘形模腔及可视化手段，发表了有关 充模过程研究的开创性文献，这些文献提出了等温充模模型，并进行了熔体流动机理、 熔体前沿位置、充模压力损失、熔接痕的形成等研究，导出相关的经验公式。通过对充 模过程的观测，创立了充模过程的可视化研究方法。 2 0 世纪6 0 年代，注塑理论主要研究在特定条件下，塑料能否容易注塑。b a l l m a n 等人研究了矩形模腔的充填模型，同时还提出了注射充模过程中的分子取向理论。后来 由r o s e 提出的充模过程的“喷泉效应”，用于描述熔体流动前缘区的流动分析。p e r s o n 提出了矩行模腔的非等温充模模型，并给出一系列的模拟和数值分析方法，还提出了中 心浇口圆盘形型腔充模的非等温模型。 2 0 世纪7 0 年代，研究者们开始研究充模过程的动量和热量传递问题，h a r r y 等人 把能量方程应用于矩形模腔的研究，创立了一维半