（机械制造及其自动化专业论文）微注塑成型充填过程的数值模拟研究.pdf

摘要 微成形技术提出于2 0 世纪9 0 年代末，它是一种将传统塑性加工工艺应用于 大批量微型金属或非金属元件制造的技术。但是目前微机械领域中普遍采用的是 硅基材料构件，其制造工艺复杂、成本高、周期长、精度不易控制，势必不能适 应大批量的制造要求，因此必须寻找新技术。微注塑成型作为新兴的现代加工重 要手段，具有大幅度节约材料、降低成本、提高生产率、高精度等众多优点。进 入九十年代以来，特别是最近几年，航空航天、m e m s 、生物医疗等高精密领域迅 速发展，对微型构件的需求也越来越大，精度要求越来越高，国外各工业发达国 家纷纷投资大力开发研究微注塑成型技术并广为应用，而国内有关这项技术的研 究很少。由于应用这项技术要采用高压射、高射速、高模温和高料温的成型条件， 成型难度大，可成型性差，工艺过程敏感，成型过程很难把握，因此非常有必要 进行模拟研究。本文主要针对微注塑成型中的熔体填充过程从以下几个方面进行 了深入的研究： 1 对世界上最先进的微成形技术进行了分析，指出微注塑成型技术将是未 来微成形技术的主流，阐述了其发展的概况和趋势。 2 对描述微注塑成型中熔体充填流动的数学模型进行了深入研究。初步建 立了适用于微注塑成型充填过程的流体控制方程。 3 对微注塑成型的可成型性的微观影响因素进行了深入研究，分析了微观 下的流体流动情况。 4 对典型微结构件的充填流动过程进行了实例模拟研究，分析了各个工艺 参数对微充填过程的影响，得出温度、压力和注射速率是三个最重要的 参数，并对微流动过程中的滑移现象进行了数值模拟，指出了其不可忽 视的作用。 关键词：微注塑成型技术，充填过程，滑移效应，数值模拟 a b s t r a c t m i c r o f o r m i n gi s a ni n n o v a t i o nt e c h n o l o g yp u tf o r w a r di nt h e9 0 s ，w h i c hp u t t r a d i t i o n a lm a n u f a c t u r ep r o c e s si n t ot h eq u a n t i t yp r o d u c t i o no fm i c r om e t a la n d n o n m e t a lc o m p o n e n t s i nc u r r e n tm i c r o - m e c h a n i c a lf i e l d ，s i l i c o nb a s e dt e c h n o l o g yi s w i d e l yu s e d ，b u ti tc a nn o tm e e tt h en e e d so fq u a n t i t yp r o d u c t i o nb yt h ef a u l t so f c o m p l i c a t e dp r o c e s s ，h i g hc o s t ，l o n gc i r c u l a t et i m ea n dd i f f i c u l tp r e c i s i o nc o n t r o le t s ow en e e dt of i n dan e w t e c h n o l o g yt op r o d u c em i c r oc o m p o n e n t s m i c r oi n j e c f i o n m o l d i n gt e c h n o l o g yi sa l li n n o v a t i o nt e c h n o l o g y , w h i c ho w n st h ea p p a r e n ta d v a n t a g e s s u c ha ss a v i n gm a t e r i a l sg r e a t l y , r e d u c ec o s t ，i m p r o v ep r o d u c t i 、，i t ya n dp r e c i s i o n ，a n d s oo n i n9 0 s ，e s p e c i a l l yp r e s e n t l y , t h en e e d so fm i c r oc o m p o n e n ti sm o l ea n dm o r e l a r g e ，a n dt h eq u a l i t ys t a n d a r db e c o m e sh i g h e r ，u n d e rt h er a p i dd e v e l o p m e n to f a v i a t i o na n ds p a c e f l i g h t ，b i o m e d i c i n e ，a n dm e m s ( m i c r oe l e c t r o - m e c h a n i c a l s y s t e m s ) t h e r e f o r e ，m o s to ft h ed e v e l o p e dc o u n t r i e si n v e s tm u c hi nm i c r oi n j e c t i o n m o l d i n gr e s e a r c ha n da p p l i c a t i o nf i e l d ，b u ti nc h i n at h er e l a t i v er e s e a r c hi sr a r ea n d s l o w f u r t h e r m o r e ，t h et e c h n i c a ln e e d sh i g h e rm o l dt e m p e r a t u r e ，h i g hi 巧e c f i o ns p e e d ， h i g h e ri n j e c f i o np r e s s u r e ，h i g h e rm e l tt e m p e r a t u r ea n di t sm o l d i n gp r o c e s s i n gi sv e r y d i f f i c u l ta n dv e r ys e n s i t i v e s oi ti sh a r dt om a s t e rt h em i c r oi n j e e t i o nm o l d i n g t e c h n i q u e t h e r e b y , i ti sn e c e s s a r y t os t u d yt h em i c r oi n j e c t i o nm o l d i n gb ys i m u l a t i o n ， a n dt h i st h e s i sm a k ead e e dr e s e a r c ho ns o m ec o n t e n t so fm e l tf i l l i n gp r o c e s so ft h e m i c r oi n j e c t i o nm o l d i n ga sf o l l o w s ： f i r s t ，t h ea r t i c l er e v i e w ss o m em i c r o f o r m i n gt e c h n o l o g i e sa n dg i v e sa s u m m a r i z a t i o no fm 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 y , i n c l u d i n gi t sp r e s e n ts i t u a t i o n a n dd e e pd e v e l o p m e n t s e c o n d l y , i tm a k e sar e s e a r c ho f t h ed i f f e r e n c e sb e t w e e nm i c r oi n j e c f i o nm o l d i n g a n dt r a d i t i o n a li n j e c t i o nm o l d i n g ，a n da n a l y z e st h ef a c t o r st h a t w i l li n f l u e n c et h e m i c r oi n j e c t i o nm o l d i n gp r o c e s s o nt h eb a s eo ft h ea n a l y s i s ，t h et h e o r ym o d e lw h i c h s u i tf o rm i c r oi n j e c t i o nm o l d i n gi sd e d u c e d f i n a l l y , i tm a k e sad e e p l yr e s e a r c ho fm i c r oi n j e c f i o nm o l d i n gp r o c e s sb yu s i n g c a et e c h n o l o g y t h es i m u l a t i o nr e s u l t st e l lt h a tm o l dt e m p e r a t u r e ，i n j e c t i o nv e l o c i t y a n di n j e c t i o np r e s s u r ea r et h em o s ti m p o r t a n tf a c t o r s ，a n dm a t e r i a lp pi sm o r es u i t a b l e f o rm i c r oi n j e c f i o nm o l d i n g t h es i m u l a t i o na i m e do i lw a l ls l i pe f f e c ta l s oi n d i c a t e s t h a th i g hw a l ls l i pc o n d i t i o nw i l lr e d u c ei n j e c t i o np r e s s u r ea n dm a k e st h ef i l l i n g p r o c e s sm o r ee a s ya n dr a t i o n a l 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 ，f i l l i n gp r o c e s s ，n u m e r i c a ls i m u l a t i o n ，w a l l s l i pe f f e c t i i 学位论文版权使用授权书 y9 7 5 1 5 1 本学位论文作者完全了解学校有关傈辩、使用学位论文的娥定，同 意攀菝霖黎并爨溪家畜关帮门或撬褥遴交论文熬夔零髀帮毫予版，完许 论文被套阕器借阕。本人授鼓江苏大学可戬将本学位论文鲶全豁内容壤 入肖关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫撼等艘铡手段保存和 汇编本擎饿论文。 绦密口 本学位论文属于 在年我解密后造用本授权书。 | 不僚密团 学盘论文捧耆签名：舀徽潞 细毒年舌胃缪警 指导激师签名： 7 半渗 细年6 嚣泊 独创性申明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立 进行研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容以外，本论文 不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。对本文的研 究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全 意识到本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名： 马砍陇 加6 辱6 只f 靶 江苏大学硕士学位论文 第一章绪论 制造技术是人类生存和发展的基础及社会物质财富的主要创造方式。随着科 学技术和工业的迅速发展，以计算机辅助设计和制造集成技术、特种加工、智能 制造、反求工程、纳米技术、传感器技术和微成形技术等先进制造技术为主流的 现代制造技术格局已经形成并不断发展完善，全球制造业进入了一个全新的时 代。其中，微成形技术涉及了物理、化学、分子学等多个学科的交叉融合，不仅 补充和发展了传统制造工艺，而且在加工精度、应用范围、生产率和经济性等方 面，尤其是高、新、尖、精技术领域中发挥着越来越重要的作用。 微成形技术是一种全新的制造技术，它的出现主要是为了满足现代精密机械 发展的需求，特别是航空航天、生物医学、m e m s 和m s t 等先进领域的需求。 微成形技术具有高精度，工艺一致性，重复性好，高质量等特点。 1 1 微成形技术的发展概况 1 9 8 7 年加州大学柏克利分校首次采用“硅工艺”制造出了直径分别为1 0 0 u m 和6 0 u m 的微型电机，引起了国际学术界、产业界和政府部门的高度重视，自此 微电子机械系统时代开始了，产品微型化的萌芽也从此诞生n 随着现代科学技 术的发展，产品微型化的趋势日趋加快，对微、小型零件的需求量也越来越大， 特别是一些高新技术领域，如航空航天、m e m s 和m s t 等领域的飞速发展，使 微型模具制造和微成形技术成为工业界重点研究的对象。 微成形技术最早出现于2 0 世纪6 0 年代，但是其真正的提出是在2 0 世纪9 0 年代末，它是一种将传统塑性加工工艺应用于大批量微型金属或非金属元件制造 的技术。它的出现主要是为了满足微型零件大批量、高效率、高精度、短周期、 低成本、无污染的制造要求，而且采用这种技术生产出来的零件具有工艺一致性、 重复性好等高质量的优点，因此许多工业发达的国家，特别是德国、美国和日本， 已经把微成形技术与微型模具的制造列为重点科技研究项目。其中德国的c i r p 成员更是专门致力于微成形领域的研究 2 1 ，投入了大量资金在模具微细加工技 术，对微细立体光刻技术、高能束蚀刻技术、l i g a 技术、微挤出、微注塑等方 面进行了卓有成效的研究，并取得了一系列研究成果。如德国d rb o y 公司开发 了注射量为0 1 5 9 ，最小塑件质量为0 0 0 1 5 9 的注射机；美国的m a k u t a 公司制造 的塑件体积只有l m m 3 ，且误差在1 0 u m 以内，重量仅为o 0 1 9 ；日本g u n m a 大 江苏大学硕士学位论文 学的y s a o t o m e 和a i n o u e 等人在1 9 9 4 年应用微挤出成形技术制造出了模数为 1 0 u m 的微齿轮p 】。在2 0 0 0 年，日本的一个研究小组提出了一个桌面加工微型工 厂，它代表了微成形技术发展过程中的一个里程碑【4 j 。 在国内，微成形技术和微型模具制造才刚刚起步，所进行的研究主要集中于 m e m s 这一领域，但是国家自然科学基金委员会十分重视，已将其列为重点资 助领域【5 】。近几年来研究进展较快，国内一些高校和研究所在这一领域进行了研 究，先后研制出多套塑件轮廓尺寸在5 m m 以下，局部最小结构尺寸在几十微米 的微小模具。由此可见，在未来的几年里，微型模具和微成形技术将得到迅速发 展，成为工业界的又一个新兴领域。 1 2 几种微成形技术 零件微型化使车、铣、磨等传统加工方法失去了用武之地，于是科研学者们 把目光转向了微细制造技术的研究，并先后出现了一系列面向微细制造的现代高 科技制造技术。 1 2 1l i g a 技术 早在2 0 世纪6 0 年代初，德国的k a r l s r u h e 原子能研究中心致力于研究用气体弯 曲喷射的离心力方法处理六氟化铀和轻的辅助气体，从而分离出铀同位素的方 法。为了提高这个方法的效率，需要将分离喷嘴的相关结构尺寸缩小到几个微米 的尺度，这促使了l i g a 技术的开发研究。g l j 2 0 世纪7 0 年代末由该中心的e h r f e l d 教授开发了l i g a 技术【6 】。 l i g a 技术的工艺流程如图1 1 所示，将光刻胶均匀的涂抹在导电性能良好的 基片上，然后利用同步x 射线将光掩膜上的二维图案转移到涂抹的光刻胶上，曝 光后将光刻胶放到显影液中进行显影处理，使曝光后的光刻胶分子发生降解，而 未曝光的光刻胶显影依然存在，形成一个和二维图形现同的三维光刻胶结构。利 用基片上的金属薄层作为阴极对三维光刻胶微结构进行电镀，用金属将降解的光 刻胶区域填充完全，并在光刻胶表面添加进料口模板或电镀至完全覆盖，这样一 个可以用于注塑成型或模压成型的微型结构件或微型模具就制造完成了。通过 l i g a 技术能制造大深宽比( 比率大于1 0 ) 并有一定厚度( 一般大于2 0 0 u m ) 的 微型器件，而且加工精度在f 负0 5 u m 以内，表面精度仅1 0 n m ，侧壁垂直度大于 8 9 9 度，纵向高度可以达n s 0 0 u m 以上；其用才也极广泛，从塑料( p m m a 、聚 2 江苏大学硕士学位论文 擎醛、聚碳酸l 旨等) 踊龛属( n i 、a g 、e u 等) 鞭劐陶瓷( z n 0 2 ) 等，都霹以用 l i g a 技术露l 逢三终微结构肛勰。 曝光 显彩 电铸 铡模 注黧 。! 兰! 竺竺竺竺，一党楚攥：= = ! = ：= = ：三暖牧罄 ，r 。， ! r ，“ ， t 7 。1，肚 遴料器模缀 注射口 瞄品斟错掏蒜蒜皋蠲警蕾群阑 髓横。 翼| | 嚣毽r 誊= l 一燮料薅粒 避1 ，1l i c a - f 艺虢霹t 示意爨 签- 3 = l i o a 技零所典蠢麴众多像煮，诲多鹫蒙投入了鞍多鹣人力、耪力、瓣 力避行了魄较深入的研究。从1 9 9 3 颦歪今，德国、美国已在实验嶷尾先矮研制惑 了微型传感器( 热速度传感器、溢发传黪器) 、微登电视、微整喷媾、徽黧镊子 及徽羹枫械零传，工蚊孰鼙生产瞧蓬程硬究孛。一答戮基 = l i g a 瓣改进懿徽袋 形技术 鎏纷纷搿璃。蛳美萄威斯廉基大学h e n r yg u c k e l 教授镁导的小组对l i g a 技术进褥了改进，提感了增龆凝畿驻歉牺被鬣特殊工艺韵s l i g a ：e 笔；戳及粥紫 斟1 2l i g a 工艺制造出的微型马迭和微传感器 获 剞板艳蓦 蒋垒 愁 江苏走学硕士擎位论史 辨光积激光 弋罄x 复尊线曝光晌u v - - l i g a 技术粒l a s e r - - l i o a 技术。图l 。2 熟各嗣 媛究人员运熙l i g a 技术剁逡出皋懿微裂鹞达和微传感器【9 j 。 国内，强戆中嚣科学技术大学辫家围步辐瓣实验室秘书国科学陵离能物理硪 衮濒爨步辍魅实验寰等单挝正残进行这方霭的辑究正佟。农1 9 9 3 年颇剥疆制出露 波愿电微电规的基础上，2 0 0 2 霉中国科学院长誊必机所铡煺l i g a 2 1 2 艺磷制出了 攀窝予一双转予结构载奄磁型乎露微魄枧。此终，溃孥大学、上海交通大学也农 这矮域遴行了富鸯戒效熬疆究。 1 2 。2 微挤磁成形技术 微挤出成形技术是道避研究微型模其流邋内趣塑能成形材料的微流体力学， 包括逐力和温度的分布、滤溺健能、成澎能能簿。涮蹋材料良好的牛顿流体的特 性鞠延展链，对材料施加挤出压力，控制工艺参数，使材料通过高精度、商质麓 的微型挤出模具，成形高形状精度和低表面粗糙度值的高强度微型塑件的过獠。 其熬个过程都工作在真空或者氯气颓：境下，阻止了材料的氧纯。 微蘩融战形技术的研究起步予2 0 懒纪9 0 年代米，霹前逐存在着大鬃的技术闽 题满礤究，但该技术已表现慰精度高、生产效率搞等诸多优点。国外开展这方磷 的磷究较晕，日本o u n m a j 学的y s a o t o m e 和a 。i n o u e 等人i 1 0 1 - 7 = 1 9 8 9 年开展研究 遁髑予徽挤出成形的掰材料，在1 9 9 4 簪斑用微型挠出擞产单元翻造出了模数为 1 0 u m 麴微泼轮，如图1 3 。嗣内开嶷这方蕊的磺究还锵肖搬道。 鼹1 3 微挺挤出装鬣与其制造出的徽型齿轮 采建按出戏形技米豢8 遥徽凌轮与袋用h g a 技零纛攘铡遗擞拨轮鞠魄，具有 效率蒜、溺裳短成本 氛等俊焘，产品露妻按盛溺农徽穰魄系统中，佟必徽鍪! 拭簿 器。徽墼揍凄模暴是藏接影嘲产熬形状、足砖窝壤瘦熬羹罄部搏，其铡造技本是 熬令辚出设罄铡造魏关键。 4 江苏大学硕士学位论文 1 2 3 微注塑成型技术 微成型技术主要包括微型注塑机和微型注塑模具两大部分，主要是用于制造 微型结构塑件。但是现在对微型结构塑件的“微型”两字，还没有形成统一的概 念和定义。德国埃尔兰根纽伦堡大学的u e n g e l 给出的定义是：“塑件至少要有 2 维方向上的尺寸在微米级( 1 0 0 。c ) ，所以普通的水冷已经 不可用，现在普遍被接受的是变模温控制的油冷系统【1 7 。18 】。该系统使用油做冷却 液，既能通过电加热升高油温对模具加热满足热模的要求，又能通入冷油实现对 模具的冷却，被注射机设计公司所采用。二是注射机喷嘴的冷却，注射机喷嘴应 该在模具之外做为一个单独的部件进行快速冷却。喷嘴采用的冷却技术是液体 c 0 2 冷却技术( t o o l v a c 技术) ，这是a g ag a sg m b h ，h a m b u r g g p 请的一项 专利【2 ”，其原理如图2 5 ，c 0 2 液体进入气化室吸收模具热量气化后从排气管排出， 这能使喷嘴在注射和保压过程结束后迅速冷却，避免泄漏。 2 2 4 其他工艺条件 2 进口 图2 5t o o l v a c 技术的喷嘴冷却示意图 微注塑成型是一个复杂的工艺，它涉及材料学、分子学和模具等多个学科领 域，因此需要考虑工艺条件十分众多，除了上述三种典型工艺参数外，还有浇口、 流道、保压压力和时间、塑件的检测与包装等众多工艺。这些基于一般注塑成型 江苏大学项士学位论文 工艺而改进或优化的工艺参数和检测方法，都只有一个共同的目标实现微型 塑件的工业化大批量生产。因此在浇口、流道方面应尽可能的减少其在整个注塑 制件中所占的比例，降低制件的成本；对于保压压力和时间来说，在保证微型塑 件质量的前提下尽可能的缩短成型周期是其目标：而微型塑件的检测和包装是对 现代测量包装技术的一大挑战，现在基本采用光学成像技术来观察微型塑件的 质量，还没有形成完整的配套技术，微型制件的无损检测技术和包装方法还有待 于研究。 2 3 微型模具设计与制造技术的研究 由于微型塑件的结构尺寸和体积微小，质量在毫克级，传统的注塑模具设计 理论己不能正确用于微型注塑模具的设计。同时为缩小浇注系统凝料与塑件的比 例，微型模具一般采用一模多腔，因此基于微注塑成型工艺的特征，必须在对传 统注塑模具设计理论的基础上，进行适当的修改和优化，增加一些特殊结构及设 备，如型芯都是作为嵌件装入模板的等。图2 6 所示的是由德国亚琛理工大学的 塑料加工学院( i k v ) 设计制造的一套完整的微型模具【3 4 】。 模温控制系统及微型传感器的应用。采用热模充填成型，必须精确地提高和 图2 6i k v 设计制造的用于微注塑成型的微型模具 控制模具的温度，使聚合物能快速均匀的进行充填过程，同时在充填完全后快速 冷却。采用高频电感应加热与油路循环冷却相结合的变温控制系统调整模温虽然 能得到较快的升温速度，但是在多模腔、复杂形状的型腔中安置感应器进行电感 应加热难度较大，而且模具的型芯、模板都是钢铁，会有热量的传递和散发，增 加了温度控制的难度。因此，应专门针对模仁或型腔区域进行加热，同时在模腔 边缘安装绝热层( 如石棉网) 以减缓和阻止热量的散发，再在模腔内安置微型传 感器，将模腔内的温度、压力准确地显示在外部仪表上，进行实时控制，保证最 江苏大学硕士学位论文 佳的充填温度和压力p ”。 热流道的浇注系统的运用。流道部分和微型塑件的比值直接显示了材料的利 用率，降低两者的比值就意味着节省成本、节约资源。热流道的采用避免了熔体 在流道中的热量损失，保证熔体能顺利到达型腔不在流道中冷凝，从而能减小流 道的直径，减少了浇注系统的凝料。同时使热流道的喷嘴尽可能靠近型腔，采用 多型腔同时浇注成型，使物料的利用率大为提高。采用热流道浇注系统有利于压 力的传递，在一定程度上避免了制品因供料不足而产生凹陷、缩孔等缺陷。由于 微型注塑所用的塑料的熔融粘度很低，为避免出现流延现象，热流道模具宜采用 针阀式喷嘴，在注射和保压阶段使喷嘴处的针阀处于开启状态，而在保压结束后 则将针阀关闭【3 6 j 。 抽真空设备。整个微注塑成型过程，要使用到两次抽真空。一次是在注射前， 由于微型模具十分精密，型腔中的空气不能像一般注塑模具那样从合模缝隙中排 出，整个微型模腔就像盲孔一样，不抽真空势必会造成填充不完全或者有气泡， 不能达到制件要求，因此必须在注射前把模腔抽成真空状态【”】。第二次抽真空 是用于微型塑件的脱模，微型塑件的精度都在微米级，采用顶出脱模方式势必会 对其表面质量产生影响，甚至发生变形；同时制造能顶出微米级塑件的顶杆本身 就是一个难题。因此，克服塑件和模具间的静电引力的真空吸出无损伤脱模方式 是比较理想可行的。 相比于微注塑成型工艺，微型模腔的制造技术是比较成熟的，已有多种微细 加工技术能完成微型模腔的微细加工成形，如l i g a 技术、微细放电加工( e d m ) 、 准分子激光加工、电子束光刻、微车削加工、微铣削加工、微磨削加工等等。运 用这些技术加工出来的微型模具的精度都能达到几个微米，甚至更小，充分满足 了微型塑件的精度要求，所以微型模具的制造已不是难题。 2 4 微注塑成型的聚合物材料 微注塑成型不仅对射出机、模具提出了高要求，同时也对注塑原料的材料性 能提出了新的标准和要求。w e b e l 等人【3 ”设计并采用x 射线成像和电火花蚀刻技 术加工出了壁厚为2 5 2 0 u m ，顶角半径为0 5 5 u m ，可用来模拟材料在型腔的一 些阶梯和顶角处的充模情况，研究微型塑件可模塑性的微型注塑模具，并通过实 验研究发现聚合物的众多参数都直接影响着注塑制件的质量和性能。 首先，材料的玻璃化温度要低且与粘流温度的差值要小。微型注塑采用的是 热模，模具的温度必须高于材料的玻璃化温度，降低材料的玻璃化温度，意味着 1 6 江苏大学硕士学位论文 降低模具的温度，缩短了模具加热的时间。玻璃化温度与粘流温度差值越小，熔 体的固化时间越短，进一步缩短了整个成型周期，提高了效率。 其次，选择粘度低的材料。在微注塑成型中，熔体都是在微米级的流道或型 腔内流动，粘度低则受到的阻力也相对较小，有利于快速充模，保证填充完全， 而不会产生冷接缝，应力集中现象。另外，在微流道中熔体剪切流动对粘度的影 响要大于温度，加上聚合物的高剪切稀薄效应，可见提高剪切速率也能有效的降 低聚合物在微流道中的粘度，保证制件的成型质量。 还有其他一些材料要具备的特性，如高温稳定性能，防止聚合物熔体在微流 道中由于高温而发生降解；高刚强度的机械性能，防止被外力变形损伤；较小的 收缩率等等【1 7 埔】。 综上所述，用于微注塑成型的聚合物材料要具备低玻璃化温度、固化温度差 值小、低粘度、高机械性能、热稳定性好等性能，同时还要有良好的力学性能、 光学性能等使用性能。一般的聚合物材料很少能同时满足加工和使用性的要求， 因此必须添加特殊助剂，改变材料的一些性能，以使其满足要求。现阶段用于微 注塑成型的聚合物原料主要有p a 、p c 、p p 、p o m 、p m m a 、p e e k 、l c p 3 8 1 。 2 5 本章小结 本章对微注塑成型技术的基本问题进行了研究，就微注射机的原理、微注塑 模具的设计与制造、微注塑成型聚合物材料的选择和微注塑成型工艺四个方面， 讨论了其与传统注塑成型的差异，以及应该如何进行改进和优化。 江苏大学硕士学位论文 第三章微观充填过程的流动分析与数学建模 区别于传统注塑成型，微注塑成型并不是单一的尺度减小，其充填过程中熔 体在微型型腔内的流动行为也发生了复杂的变化，许多原本在宏观条件下可以忽 略的因素都必须加以考虑，范围涉及了微机械系统、聚合物熔体的微流变学、材 料学、微传热学、分子学等多个交叉技术领域。可见传统的宏观注塑成型理论和 充模控制方程已不能适用于微型注塑成型，因此各国研究人员进行了深入的理论 和试验研究，虽然至今没有统一见解，也没有提出完全正确的可用于指导微注塑 成型的技术理论，但是还是在一些主要微观流动影响因素上取得了普遍的认识， 如表面张力、滑移机理对微观流动的重要作用。本章首先对微观充填过程中对聚 合物熔体的流动有重要影响的因素进行了分析，并借鉴宏观充填过程的控制方 程，结合考虑这些影响因素，推导了适用于微观充填过程的控制方程。 3 1 微观充填流动中的影响因素 由于模具尺寸的缩小，微观充填过程的影响因素也相应增加，而且相互影响 和作用，与传统的宏观注塑充填过程有着明显的不同。在宏观注塑成型充填过程 中的一些重要影响因素在微注塑充填过程中可能影响不大，甚至可以忽略不计： 同时原本在宏观注塑成型充填过程中忽略不计，或相对影响比较小的因素一跃而 成为微注塑充填过程中的决定因素。总之，一切成型的参数和影响因素都随着尺 度的缩小而发生了变化，需要重新分析和衡量。其中主要的因素包括：热传导和 热对流、模具流道和型腔的表面粗糙度、表面力与体积力、边界层理论( 表面滑 移) 、分子间作用力等。 3 i 1 热传导与热对流 传统注塑成型的充填过程是不等温充填，即模具的温度和聚合物熔体的温度 不同，存在温差，模具温度一般在4 0 6 0 ，而熔体的温度都在2 0 0 左右。但 是由于聚合物材料的低导热性，加上聚合物熔体在流动过程中剪切运动产生的剪 切热，模具表面和聚合物熔体之间的热传导可以忽略不计，所以在对宏观不等温 充模过程的分析中都采用等温模型，等到充填完成后在冷却的过程中再考虑热传 导。很明显这种为了方便计算而简化了的模型理论在微注塑成型中已不能适用， 江苏大学硕士学位论文 必须重新分析微注塑成型中影响温度和充填质量的决定因素。 在传统注塑成型的充填过程中，能量方程的矢量一张量形式可以表示如下 3 9 1 ： 刚詈世v 丁) = k v - v t + 三兰 t ) 式中：c 。一比热( j ( k g + ) ) ； k 一热传导率( w ( m + ) ) ： 丁一温度( ) ； f 一时间( s ) ； d 一填充速率( m s ) ； 矿一应变率张量。 可见能量方程主要有四个要素：( 1 ) 流动方向的热传导率；( 2 ) 厚度方向的 热传导率：( 3 ) 流动方向的热对流：( 4 ) 粘性损失。在这里采用无量纲量分析法 来重新分析当塑件从宏观转向微观时，填充过程中热量的传递和散发现象。 图3 1 填充过程中的热量传递示意图 佩克莱特数( p e c l e tn u m b e r ) 4 0 l 的物理意义是表示充填过程中在聚合物熔体 在流动方向上热对流强度与热传导强度的对比关系。其数学表达式为： p p ：p c u l( 3 2 ) 口 其中口是热量的扩散系数，p 是聚合物流体的密度，c 是聚合物流体的比热， “是流速，三流动方向的长度。由此可见，塑件缩小与佩克莱特数直接相关的就 是流动方向的长度，三值的缩小直接导致了凡值的减小。也就是说热对流的作 用在缩小，热传导逐渐成为主要因素，在微型模腔中，我们能忽略流动方向上的 热对流。 格雷茨数( g r a e t zn u m b e r ) 4 1 1 的物理意义是表示充填过程中在聚合物熔体 1 9 江苏大学硕士学位论文 在流动方向上的热对流强度和厚度方向上的热传导强度的对比关系。在微注塑模 的微型型腔中，主要的热传导是在厚度方向而主要的热对流是在流动方向上，因 此格雷茨数可以定义如下： g z ：u h 吐 ( 3 3 ) 式中日为厚度。由式可见，g ：和掣成正比。在传统注塑模中，我们取 l 口11 0 m s ，“= 1 0 0 s 和注塑模尺寸l = 2 0 c m ，h = 2 m m ，我们能得到g z = 4 0 ； 但是当在微型注塑，取模具尺寸l - - 0 2 c m ，h = 0 0 2 m m 时，g z = o 4 。可见在填充 阶段热传导会迅速占主要地位。同时从方程( 3 3 ) 来看，c , a 将随着注射速率的 增大而增大，从而减少了微注塑中短射现象的发生。这种快速填充技术被材料供 应商所提倡，因为它能降低微型模具的设计制造和充填难度。方程( 3 3 ) 同样 也显示出对于g z 来说注射速率是仅次于厚度的第二重要的参数。但是，进一步 减小模具尺寸会使快速填充也不能很好的完成充填，所以我们要把模具的温度提 高到聚合物的熔融温度以上。 布林克曼准数( b r i n k m a n n u m b e r ) 1 4 0 1 的物理意义是表示充填过程中在聚合 物熔体的粘滞扩散与热传导的比率。对高粘性流体来讲，粘滞扩散是能量方程中 的一个重要参数。如果聚合物流体流经条装模腔，假设它有稳定的粘度，那么布 林克曼准数可以用下式来表示： 西：壁：贮日z t f 尬了 ( 3 4 ) 对于传统注塑模具来讲，我们取汀= 1 0 0 s ，r = 1 0 0 0 p a - s ，l = 2 0 c m ，h = 2 m m ， k = o2 w m c ，a t = 1 0 0 。c ，那么布林克曼准数就是2 。这说明粘滞扩散和 热传导是差不多的。但是在微型模具中，由于布林克曼准数和日2 成正比，热传 导就占主要地位了。例如，当厚度减d n 02 r n m 时，布林克曼准数才0 0 4 。因此 粘滞扩散在微型模具中可以忽略不计。 通过对以上三个无量纲参数的分析，可以得出随着塑件尺寸的减小，其表面 积与体积之比成倍增大，甚至是几个数量级的变化，表面积的增大必然导致了热 量快速散发，作为模具材料的钢的导热系数又大，模腔内的温度必然急剧下降， 冷却时间缩短，熔体快速凝结。熔体充模过程中的冷凝层厚度可以通过下式近似 计算 4 2 】： 2 0 江苏大学硕士学位论文 6h = 4 a a t ( 3 5 ) 由于微型塑件体积十分小，所以填充时间十分短，我们取t = o 5 s ， 口= 6 3 1 0 8 r n2 s ，计算得冷凝层厚度民= 3 1 4 6 u r n ，这也就是说还没填充完全 的时候流道中的聚合物熔体已经凝结，阻碍了充填过程的进一步发展，其形成过 程如图3 2 。因此，为了在微型模具中避免出现填充不充分、空腔现象，应当对 模具进行加热，。很多文献都提到模具温度应达到聚合物的玻璃化温度，但是模 温的提高意味着成型周期的延长和能耗的增加，同时也几乎不形成冷凝层，出现 壁面滑移现象。当然对整个模具加热不经济，因此采用特殊工艺仅对其模腔部分 单独恒温加热。 图3 2 冷凝层形成示意图 注塑成型的充填过程是一个极为复杂的非等温过程。在宏观充模过程中，由 于热传导的作用不明显，速度场和温度场的差距比较大，所以都把宏观充填过程 假设为等温充填过程。对于微注塑成型的充填过程来说，虽然热传导的作用十分 明显，速度场和温度场几乎处于统一数量级，但是恒温热模充填的特殊要求使得 微观充填过程更趋进于等温充填，所以在微观充填过程中采用等温模型合理可 行。 3 1 2 表面粗糙度 在宏观注塑成型充填过程中，其型腔表面的粗糙度相对于模具型腔本身的尺 寸来说非常微小，而且由于冷凝层的生成，使原本粗糙的型腔表面变得相对光滑， 因此表面粗糙度对于宏观充模过程的影响可以忽略不计。但是在微注塑成型的充 填过程中，表面粗糙度的影响迅速增大，必须予以考虑。表面粗糙度的产生和值 的大小主要取决于所使用的加工方法，虽然现在的加工技术日益精密，可以达到 镜面程度，但是相对于微型模具的结构尺寸还是比较大的。另外由于使采用热模 注塑，在充填过程中型腔的温度始终高于聚合物融体的玻璃化温度，也就不可能 像在宏观充填过程中一样产生冷凝层。因此表面粗糙度对微观充填过程的影响主 要表现在以下两个方面：一是粗糙表面形貌对聚合物熔体流动产生的阻碍和逆流 2 江苏大学硕士学位论文 效应；二是聚合物熔体和型腔表面的滑移效应。 图33 微观充填过程中型腔表面粗糙度影响熔体流动的示意图 由此可见，在微观充模流动中，型腔表面的粗糙度不可忽视，它与滑移速度 有着直接的关系。另外有文献”1 提及在模具型芯上涂上p v d 薄膜，如w c c 碳 涂层、t i n ( h c d ) 涂层均能有效地促进充填过程的进行。所以在微观注塑的充 填过程中必须充分考虑表面粗糙度的影响。 3 1 3 熔体表面张力 微注塑充填过程中的聚合物熔体流动因一些表面力的作用而出现了一些新 现象。这些表面力在宏观尺度的流动中通常被忽略了，这是由于在支配物理现象 的所有作用力中长度尺度是表征作用力类型的基本特征量。体力以特征尺度的三 次幂标度，而表面力则依赖于特征尺度的一次幂或二次幂【4 3 1 。由于对应于幂次 的变化快慢的不同，在宏观中体积尺寸的增长明显的大于表面积，所以表面力可 以忽略不计；对微注塑过程来说，随着尺度的减小，表面积和体积之比值较大， 表面力与体积力的比值也较大，这是微型塑件的一个固有特征( 对于微型塑件来 说，几何特征尺度大约是1 微米量级) 。这进步说明了表面力和其他表面效应 的重要作用，表面力相对于体积力来说越来越重要。 对微流道内流体流动起主要影响作用的表面力是表面张力，它可以阻碍聚合 物熔体在微管道内的流动，也可以促进熔体的流动，甚至可以单独做为熔体流动 的驱动力来使流体运动。 在毛细管中因液面弯曲而产生的附加压强可以按以下公式进行计算【删： 口：2 0 c o s( 3 6 ) 。 ， 式中：口熔体的表面张力( n m ) ； 口一熔体与固体表面的接触角( 。) ； 江苏大学硕士学位论文 r 一毛细管流道半径( m ) 。 可见附加压强的值随着流道半径的减小和表面张力的增大而迅速增大。如果 取o - = o 1 n m ，r = 2 0 u m ，0 为零度，那么附加压强a p = o 0 0 5 m p a ，这对于体 积不到一立方毫米的微型型腔来说己不可忽视。另外对于表面张力起促进还是阻 碍作用主要有接触角0 决定，如图3 4 。另有文献【4 5 】提及，当流动现象趋于稳定 时，表面张力越大，其流体流速越快，流动速度的大小约与表面张力大小的平方 根正比。 阻碍流动 图3 4 微观充填过程中表面张力对熔体流动的影响 3 1 4 边界层理论 在宏观充模过程中，通常认为和流道以及型腔表面相接触的一层聚合物熔体 是黏附在管壁上的，这就意味着摩擦力阻滞了与管壁相贴的熔体的运动，与管壁 相贴的熔体相对于管壁是不运动的，速度等于零，这就是管壁无滑移假定【4 6 】。 但实际上，壁面的滑移特性由流体的流动性质决定的。虽然一般情况下，均 采用无滑移的壁面边界条件，但对于微观充填过程，由于是热模充填，模腔的温 度高于聚合物材料的玻璃化温度，熔体的粘度值下降，在流道和型腔中不会形成 冷凝层，也不会黏附在流道和型腔的表面，所以流体对于壁面将会有一个滑移速 度，发生壁面滑移现象，示意图如下。 图中b 是长度转换因子，u ( ，1 为熔体前沿的速率曲线，v 。为滑移速率。其 中b = 竺，口为熔体流动前沿的曲率半径，卵为聚合物流体粘度，r o 为聚合物流 江苏大学硕士学位论文 体单个分子的粘度。 b 图3 5 微观充填过程中的滑移机理 当然在微观充填过程中，聚合物熔体的管壁滑移现象也不是无条件的发生 的。聚合物熔体都是高分子有机物，分子量达到十几万、上百万，分子链冗长， 分子间相互缠绕，若要使贴近型腔表面的分子随熔体本体的分子一起运动，则必 须克服分子与型腔表面和管壁间的剪切应力。有文献【4 7 】把这一应力值称为流体 相对与管壁发生滑移现象的临界应力t 。只有当聚合物熔体在流道壁承受的剪 切应力超过这一临界剪切应力时，流体才沿着壁面发生相对滑动。 为了在数值模拟中加入滑移效应，可以引入相应的滑移运动的数值模型，使 用极限定律来进行表示 4 2 , 4 8 ： z = 一，k ( v ，一v 。) 一卜，一( 别 v 。一v h p c p a 。 江苏大学硕士学位论文 表5 - 1 不同工艺参数下微型齿轮的注射压力和收缩率 、填充时间 0 1 s0 6 s1 1 s 蒺卜 1 3 5 2 9 4 3 m p a ( 注射压力) 1 7 2 l 伊a 1 4 0 4 口a 7 9 1 5 ( 收缩率) 7 8 6 0 7 8 4 2 1 6 0 2 7 4 8 i p a1 4 9 0 伊a 1 1 9 7 口a 1 2 4 9 1 2 4 8 1 2 4 8 1 8 0 2 4 5 5 伊a1 1 5 7 衅a1 0 4 8 a 1 3 8 l 1 3 7 2 1 3 7 l 表5 2 不同材料下微型齿轮的工艺参数 、参数熔体温度( )模具温度充填时间充填压力 泳( )( s )( a ) 队3 4 03 2 0o 6 3 1 75 3 2 6 p c3 1 02 0 0 0 6 4 9 6 4 9 9 4 p p2 3 01 3 5 0 6