（机械制造及其自动化专业论文）微注塑成型充模流动理论与工艺试验研究.pdf

大连理工大学博士学位论文 摘要 采用微注塑成型技术成型的微塑件具有质量轻、体积小、抗腐蚀及绝缘性能好、尺 寸一致性好、成型效率高等优点，在航空航天、精密仪器、生物与基因工程、医药工程、 信息通讯、环境工程和军事等领域，有着广阔的应用前景。微注塑成型中聚合物熔体充 模过程直接影响着微塑件的成型质量和生产效率，是成型中最重要的阶段。因此，对微 尺度下熔体充模流动行为尤其对微尺度效应进行深入研究，获得微小型腔内熔体的温 度、压力及速度场，在此基础上进行数值模拟与成型工艺试验，对设计优化微注塑模具、 合理设置成型工艺参数和提高微塑件质量都具有重要的理论意义和实用价值。 本文依据粘性流体力学和聚合物流变学的基础理论，借鉴传统注塑成型中熔体充模 流动的研究方法，构建了微注塑成型熔体充模流动的基本方程；采用非线性拟合数学建 模方法，建立了表征熔体粘度与微通道特征尺寸关系的微尺度粘度模型；通过引入 n a v i e r 滑移模型研究了微尺度下壁面滑移对熔体速度场和温度场的影响规律；通过对熔 体与通道壁面间热量传递机制的分析，获得采用瞬态对流换热系数模型时微通道中熔体 的温度分布规律；得到了粘性耗散对于微尺度下熔体充模流动的影响规律。 基于微注塑成型理论的研究结果，采用有限元数值分析方法，通过对熔体流变方程 和热力学边界条件的修正，系统研究了采用微尺度粘度模型和瞬态对流换热系数模型时 熔体的速度场和温度场分布，获得了考虑微尺度效应条件下选用不同成型材料时模具温 度、熔体温度、注射压力、注射速度及注射行程等工艺参数对哑铃形微结构塑件填充率 的影响规律。 设计和制造了用于微注塑成型熔体充模理论研究及成型工艺试验的哑铃形微结构 塑件注塑模具，结合微结构塑件结构及微注塑成型的特点，完成了电热水冷式微注塑模 具变温系统的设计，分别采用u v l i g a 技术和微细电火花技术，加工出具有通道宽度 分别为1 0 0 【l m 和5 0 0 9 i n 的微注塑模具型腔。 基于狭缝流变仪原理，研制了熔体压力在线测量装置，测量了熔体在微通道入口处 的压力值，通过对试验数据的修正及计算，验证了所建熔体微尺度粘度模型的正确性。 采用t a g u c h i 试验设计方法，进行了哑铃形微结构塑件的成型工艺试验，通过对试验结 果的均值分析与变量分析，获得了成型工艺参数的主次影响顺序和最优水平组合，同时 验证了数值模拟方法的可行性，给出了成型材料结构与性能及型腔表面粗糙度对微结构 塑件填充率的影响规律，对提高微塑件的成型质量具有重要的应用价值。 关键词：微注塑模具；充模流动；微尺度效应；微注塑工艺；u v - l i g a 技术；数值模拟 大连理工大学博士学位论文 a b s t r a c t m i c r op l a s t i cp a r t sm o l d e d b y m i c r oi n j e c t i o n m o l d i n gt e c h n o l o g y h a v e m a n y a d v a n t a g e s ，s u c ha sl i g h tq u a l i t y ，s m a l lv o l u m e ，g r e a tc o r r o s i o nr e s i s t i n ga n di n s u l a t i b i t y ，h i g h r e p l i c a t i o np r e c i s i o n ，h i g bp r o d u c t i o ne f f i c i e n c y ，e t c w h i c hi na e r o n a u t i c sa n da s t r o n a u t i c s ， p r e c i s i o ni n s t r u m e n t , b i o l o g y a n dg e n e t i c e n g i n e e r i n g ，p h a r m a c e u t i c a le n g i n e e r i n g , c o m m u n i c a t i o na n di n f o r m a t i o n , e n v i r o n m e n t a le n g i n e e r i n ga n dm i l i t a r yf i e l d , e t c ，s h o w b r o a dp r o s p e c t si na p p l i c a t i o n t h ef i l l i n gf l o wp r o c e s so fp o l y m e rm e l td u r i n gm i c r o i n j e c t i o nm o l d i n gd i r e c t l yi n f l u e n c e so nt h em o l d i n gq u a l i t yo fm i c r op l a s t i cp a r ta n d p r o d u c t i o ne f f i c i e n c y ，a n di sd e e m e dt ob et h em o s ti m p o r t a n tp h a s ei n m i c r oi n j e c t i o n m o l d i n g s o ，p o l y m e rm e l tf i l l i n gf l o wb e h a v i o r si nm i c r o s c a l ei ns p e c i a lm i c r o s c a l ee f f e c t s w e f cr e s e a r c h e d ，a n dd i s t r i b u t i o n so ft e m p e r a t u r e ，p r e s s u r ea n dv e l o c i t y ，e t c w e r eg a i n e d o n t h i sb a s i s ，n u m e r i c a ls i m u l a t i o n sw e r ec a r r i e do u ta n dm o l d i n gp r o c e s se x p e r i m e n t sw e l e s t u d i e d , a no fw h i c ha r em o m e n t o u s l yt h e o r e t i c a la n dp r a c t i c a ls i g n i f i c a n c eo no p t i m i z a t i o n d e s i g no fm i c r oi n j e c t i o nm o l da n do ni m p r o v i n gt h eq u a l i t yo fm i c r op l a s t i cp a r t i nt h i s p a p e r , a c c o r d i n gt ot h ef u n d a m e n t a lt h e o r i e so fv i s c o u sf l u i dd y n a m i c sa n d p o l y m e rt h e o l o g y ，t h eb a s i ce q u a t i o n sf o rf i l l i n gf l o wo fp o l y m e rm e l td u r i n gm i c r oi n j e c t i o n m o l d i n gw e r ec o n s t r u c t e dw i t hr e f e r e n c eo ft h er e s e a r c hm e t h o d so fc o n v e n t i o n a li n j e c t i o n m o l d i n g ，w i t hn o n l i n e a rf i t t i n gm o d e l i n gm e t h o d , m i c r o s c a l ev i s c o s i t ym o d e lw a sb u i l tt o c h a r a c t e rt h er e l a t i o n s h i pb e t w e e nt h em e l tv i s c o s i t ya n dt h ec h a r a c t e r i s t i cd i m e n s i o no f m i c r o c h a n n e l s u s i n gn a v i e r ss l i pm o d e l ，t h ei n f l u e n c i n gr o l e so fw a l ls l i pi nm i c r o s c a l eo l l m e l t v e l o c i t yf i e l d a n dt e m p e r a t u r ef i e l dw e r eo b t a i n e d i nt e r m so fa n a l y s i sf o rt h e m e c h a n i s mo fh e a tt r a n s f e rb e t w e e nm e l ta n dc h a n n e lw a l l _ , m e l tt e m p e r a t u r ed i s t r i b u t i o n s e m p l o y i n gt h et r a n s i e n tc o n v e c t i o nh e a tt r a n s f e rc o e f f i c i e n tm o d e lw e r es h o w n t h e n ，t h e d i s t i n c te f f e c t so fv i s c o u sd i s s i p a t i o no np o l y m e rm e l tf i l l i n gf l o wi nm i c r o s c a l ew e r eg i v e n t h i st h e o r e t i c a lr e s e a r c ho fm i c r oi n j c c t i o nm o l d i n go f f e r si m p o r t a n tt h e o r e t i c a lf o u n d a t i o n f o rt h es t r u c t u r ed e s i g no fm i c r oi n j e c t i o nm o l da n dt h es e t u po fm i c r oi n j e c t i o nm o l d i n g p r o c e s s o nb a s i co ft h e o r e t i c a lr e s e a r c hr e s u l t so fm i c r oi n j e c t i o nm o l d i n ga n dc o m b i n i n gt h e n u m e r i c a lm e t h o d si nf i n i t ee l e m e n ta n a l y s i s ，t h et h e o l o g ye q u a t i o na n dt h et h e r m o d y n a m i c s c o n d i t i o nb o u n d a r yw e r cc o r r e c t e d ，a n dt h es i n g l ee f f e c ta n dt h ec o u p l ee f f e c to ft h e m i c r o s c a l ev i s c o s i t ym o d e la n dt h et r a n s i e n tc o n v e c t i o nh e a tt r a n s f e rc o e f f i c i e n tm o d e lo n m e l tv e l o c i t ya n dt e m p e r a t u r ew e r es y s t e m a t i c a l l ya n a l y z e d t h ei n f l u e n c i n gr u l e so fm o l d t e m p e r a t u r e ，m e l tt e m p e r a t u r e ，i n j e c t i o np r e s s u r e ，i n j e c t i o ns p e e da n di n j e c t i o ns t o k eo n v o l u m ef i l lp e r c e n t a g eo fm i c r o s t r u c t u r ep a r tw e r eg a i n e du n d e rt h ec o n d i t i o no fc o n s i d e r i n g m i c r o s c a l ee f f e c t s 庄俭：微注塑成型充模流动理论与工艺试验研究 t h e 硒e c t i o nm o l do fd u m b - b e l ls h a p em i c r o s t m c t u r ep a r tf o rv a l i d a t i n ga n dm o l d i n g p r o c e s se x p e r i m e n t sw a sd e s i g n e da n df a b r i c a t e d i nr e f e r e n c et os t r u c t u r ec h a r a c t e r i s t i c so f m i e r o s t r u c t u r ep a r ta n dm i c r oi n j e c t i o nm o l d i n gf e a t u r e s ，t h ev a r i o t h e r mm o l do fw h i c h p a t t e r ni so fe l e c t r i c h e a t i n ga n dw a t e r c o o l i n gw a sd e s i g n e d t h em i c r oc a v i t yw i t hc h a n n e l o fw i d t h1 0 0 ”mw a sf a b r i c a t e db yn ob a c kp l a t ep r o c e s so fu v l i g at e c h n o l o g ya n dt h e m i c r oc a v i t yw i t hc h a n n e lo fw i d t h5 0 0 t i nw a sf a b r i c a t e db ym i c r oe l e c t r i c a ld i s c h a r g e m a c h i n i n gt e c h n o l o g y t h eo n - l i n ed e v i c em e a s u r i n gp o l y m e rm e l tp r e s s u r eb a s e do nt h et h e o r yo fs l i t r h e o m e t e rw a sd e v e l o p e d ，a n dt h em e l tp r e s s u r ed a t aa te l l t r a n c eo fm i c r o c h a r m e lw e r e m e a s u r e d c o r r e c t i n ga n dc a l c u l a t i n g t h ee x p e r i m e n t a ld a t a , t h ev a l i d i t yo ft h eb u i l t m i e r o s c a l ev i s c o s i t ym o d e lw a sp r o v e d t h e n , w i t ht a g u c h ie x p e r i m e n td e s i g nm e t h o dt h e m o l d i n ge x p e r i m e n t sf o rd u m b b e l ls h a p em i c r o s t r n c t u r ep a r t sw e r ep e r f o r m e d t h ei n f l u e n c e s e q u e n c ea n do p t i m a ll e v e lc o m b i n a t i o no fp r o c e s sp a r a m e t e r sw e r eo b t a i n e db yt h ea n a l y s i s o fm e a n sa n dt h ea n a l y s i so fv a r i a n c e ，a n dt h es i m u l a t i o n a lm e t h o di sf e a s i b l ea n dv a l i d t h e i n f l u e n c i n gr u l e so fm a t e r i a lp r o p e r t ya n ds u r f a c er o n g h n e s so fc a v i t yo nt h ev o l u m ef i l l p e r c e n t a g eo fm i c r o s t m c t u r ep a r t sw e r er e s e a r c h e d , w h i c hi so fi m p o r t a n ta p p l i c a t i o nv a l u e o ni m p r o v i n gt h em o l d i n g q u a l i t y k e yw o r d s ：m i c r oi n j e c t i o nm o l d ；f l l h n gf l o w ；m i c r o s c a l ee f f e c t ；m i c r oi n j e c t i o n p r o c e s s ；u v - l i g at e c h n o l o g y ；n u m e r i c a ls i m u l a t i o n - i v - - 大连理工大学博士学位论文 p v e p f f 勺2 k r r w c p k 口 h c h t 口 y 叩 呀o 7 。 k h ，b ，屹 n y 钾 密度 速度 内能 压力 时间 剪切应力 粘度为仉2 时的剪切应力 壁面处剪切应力 应变 剪切速率 温度 功 比定压热容 导热系数 热扩散速率 对流换热系数 常对流换热系数 瞬态对流换热系数 热流密度 表面张力系数 粘度 零剪切粘度 无穷剪切粘度 稠度 材料体系的特征常数 速度v 在工轴，y 轴，z 轴的分量 滑移速度 通道壁面的速度 一v 一 固哟 咏咏皤 警，h。：n芸，鬻积流茹=：队。竺啡 庄俭：微注塑成型充模流动理论与工艺试验研究 独创性说明 作者郑重声明：本博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： 垂金日期：丝：丕：2 大连理工大学博士研究生学位论文 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：俭 导师签名 丝瞧一 塑2z 年1 月盟日 大连理工大学博士学位论文 1 绪论 1 1 课题的背景与研究意义 1 1 1 课题的背景 随着微纳米科学技术的蓬勃发展，对零件微小化和设备微型化的需求越来越迫切， 同时，对微小型零件的复杂程度与加工精度、材料的多样性、生产效率等方面的要求均 也越来越高n 一。聚合物材辩以其耐氧化、耐腐蚀、易成型、熔点低、导电率低、抗冲击 性能好，部分聚合物材料具有理想透明性、生物相容性和可吸收性等特点，使其在微小 零件制造领域的优势已经逐渐显现。 聚合物材料的诸多优点使其相应的各种微成型技术迅速发展。聚合物材料的微成型 技术主要包括微注塑成型技术( m i c r o e c t i o nm o l d i n g ) 、微热压技术( m i c r o h o t e m b o s s i n g ) 、微注塑压缩技术( m i c r oi n i e c t i o nc o m p r e s s i o nm o l d i n g ) 等。其中。微注塑成 型技术以其成型工艺过程简单，制件质量稳定，生产效率高，制造成本低，易于实现批 量化与自动化生产等优点，在聚合物材料微成型领域中发展十分迅速，在微机电系统中 的地位日益提高，已成为精密微小零件成型加工技术的研究热点之一1 3 ，4 l 。 目前。对于微注塑成型还没有十分严格的定义。k u l f l ac 等【5 】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型以下类型的塑件：整体结构 尺寸微小的塑件，具有微细结构的塑件和精密塑件。其中整体结构尺寸微小的塑件是指 具有微米级的尺寸，单件重量仅为几毫克的塑件；具有微小结构的塑件通常是指总体尺 寸仍为普通的尺寸，但其局部微细结构的尺寸达到微米级的塑件；精密塑件是指任意尺 寸，但具有微米级精度的塑件。 微注塑成型技术发展源于2 0 世纪7 0 年代，当时是指生产小型塑件的普通注塑成型 技术，由于尚没有合适的注塑机用于加工微型塑侔，只是对普通液压驱动的注塑装置迸 行改进以作为加工高深宽比微结构塑件的替代方式。2 0 世纪8 0 年代，现代加工技术， 尤其是微细加工技术不断发展，促进了微注塑成型机的成功研制和微型模具的制造及加 工，这使得微注塑成型技术有了历史性的突破。1 9 8 5 年，世界上第一台专门用于加工微 型塑件的注射装置m i c r o m e l t 在德国问世后，其他国家紧随其后，先后开发出了各种不 同类型的微注塑成型机，这为发展微注塑成型技术以及实际生产微小塑件都提供了强有 力的支持和最有效的保证，徼注塑成型技术进入了发展的黄金时期。德国、美国等发达 国家在微注塑模具设计及制造和微注塑成型工艺等方面已经取得了一些研究成果，已成 型加工出微齿轮、微泵、微流控芯片等微结构塑件。与国外相比，我国的微注塑成型技 庄俭：微注塑成型充模流动理论与工艺试验研究 术还处于起步阶段，相关的科研报道还是凤毛麟角。虽然微注塑成型技术发展短短几十 年，但其应用价值与潜在市场已经受到人们的广泛关注。 采用微注塑成型技术成型的微塑件具有质量轻、体积小、抗腐蚀、绝缘性能好、尺 寸一致性好、成型效率高等优点，在航空航天、精密仪器、生物与基因工程、生命科学、 医药工程、信息通讯、环境工程和军事等领域，尤其是微光学器件和生物分析芯片领域， 有着广阔的应用前景。微塑件既可作微结构件在微机电系统中发挥重要功能作用，还可 使各种微小尺寸的元器件通过聚合物注塑封装成一体，实现整体或部分装配功能，极大 的简化了微机电系统的结构装配难题。采用微注塑成型技术成型的微塑件在以下领域具 有广阔的应用空间： ( 1 ) 光学通信领域 单个零件的精度及成本是决定制品能否大批量生产的主要因素。以前由于部分光传 输组件的价格昂贵而限制了光通讯的广泛应用。采用微注塑成型后，可以显著缩小零件 尺寸且能达到很高的精度，同时大大降低了成本。如用微注塑成型的连接光纤拔插式连 接器，不仅可以连接光导纤维，也可用作信号的发送和接收部件( 图1 1 ( a ) 一1 ) 。 ( 2 ) 生命科学及应用化学领域 微塑件在生命科学及应用化学领域中的典型应用当属微流控分析的微流控芯片。微 流控分析是以微通道为网络，连接微泵、微阀、微储液器、微电极、微检测元件等具有 光、电和流体输送功能的元器件，最大限度地把采样、稀释、加试剂、反应、分离、检 测等分析功能集成在芯片上的微全分析系统。目前，微流控芯片的应用以生命科学领域 ( 基因分析、蛋白质和氨基酸分析、细胞分析等) 为重点，同时涵盖药物学领域( 新药 物的研发、高通量药物合成筛选) 、农业( 农作物的优选优育、兽药残留分析、动物重 大疾病检测) 、检验检疫( 危害性细菌和病毒的发现和检验，突发公共卫生事件如s a i l s 、 禽流感的检测和免疫分析，海关和商检中的检验和分析) 等方面。图1 1 m ) 为环状稀烃 共聚高分子( c o c ) 材料的蛇形混合器，其中的微通道宽度为1 0 0 4 2 叩m 【”。微流控芯片 目前主要采用微热压成型，这种工艺成型时间较长o 一1 0 r a i n ) ，生产效率低，废品率高， 难以满足微流控芯片日益增长的市场需求。 ( 3 ) 医学工程领域 采用微注塑成型技术成型的微泵具有精确的泵送系统，其总体积仅有拇指般大小， 泵的流量对水可达0 1 2 m l m i n ，对空气可达2 m l m i n ，图1 1 ( c ) 为阵列微泵壳体【8 l o 微泵可 以应用于微小剂量药液的注射及药剂配制。除了用于医学工程外，微泵也可用于需要精 确计量液体用量的场合，如用于对精密仪器进行注入油润滑。另外，医学研究人员采用 自吸收性聚合物材料成型微塑件来替代金属制品，这类聚合物的显著特点是在人体内可 大连理工大学博士学位论文 以被选择性的吸收。其它如基因治疗用微针、内窥镜零件、体内植入假体、药物吸入器 等均采用微注塑成型技术。 ( 4 ) 检测技术和传动机械 采用微注塑成型技术可成型各种微型传感器及传动装置，如可用于测量吸光指数和 折光指数的传感器、测定透射和折射指数等光学性能的传感器、旋转传感器中的衍射光 栅、测定液体流动速率的传感器、压力和温度传感器等等。采用微注塑成型技术成型的 微齿轮不但具有很小的尺寸，而且具有很高的精度和表面质量，可实现大批量的自动化 生产，大大降低了成本。将其用在微型电机上可以增加扭矩，可以广泛应用于航空航天、 汽车等工业领域。图1 1 ( d ) 为由分度圆为d 3 0 0 p m 齿轮构成的微型齿轮箱【9 j 。 ( c ) 阵列微泵壳体( d ) 微型齿轮箱 图1 1 微注塑制品 f i g 1 im i c r op l a s t i cp r o d u c t s 1 1 2 课题的研究意义 关于微注塑成型技术的研究目前大多侧重于微塑件的成型工艺，而微注塑成型理论 研究的缺乏使得微注塑模具设计及成型工艺局限于感性的经验，而过多的依赖于反复修 模和调试。随着m e m s 领域的迅速发展和对微塑件需求的迅速增加，迫切需要认识微 注塑成型机理，掌握成型规律。 庄俭：微注塑成型充模流动理论与工艺试验研究 微注塑成型过程十分复杂，涉及的技术领域较多，如微机械学，聚合物流变学、微 传热学、微连续介质力学、高分子材料学等相关技术领域。微注塑成型充填过程是微注 塑成型的核心部分，不仅要解决聚合物熔体流动和传热等闯题，还关系模具设计及成型 工艺，影响生产效率，决定着制品的微观、细观和宏观结构( 取向、结晶、熔合均匀性 等) ，以及制品的力学、热学及光学等性能。 与传统注塑成型过程中熔体充模流动相比，微注塑成型中的熔体充模流动是微尺度 下的流动行为。微小熔体充模流动涉及的影响因素较多，相互作用关系复杂，其区别于 宏观充模流动的主要特征是熔体流动通道、型腔的截面尺寸和注射量微小，由此引发的 充模流动中的许多影响因素明显与宏观充模过程不同。例如，传统熔体粘度模型不再适 合表征微尺度下熔体的流变特性；熔体所受的剪切应力与型腔表体比均增大，将使得动 力学边界和热力学边界条件发生改变：壁面滑移、熔体与壁面间对流换热等微尺度效应 对熔体的流动行为影响程度也将发生变化等。 解决微注塑成型理论中诸多问题最有效的方法就是通过理论分析与试验相结合，建 立成型材料的流交方程，确定流动和传热过程的基本参量与相对物理量的函数关系，进 一步运用质量守恒、动量守恒、能量守恒方程等获得微尺度下流动熔体的速度场、温度 场和压力场等，解释和预测微注塑成型过程中规律性的物理现象。 研究微尺度下熔体充模流动行为对微注塑成型技术的发展具有以下作用和意义： ( 1 ) 揭示聚合物熔体在微型通道中的流变特性及流动通道几何尺寸对熔体充模流 动的影响靓律，我到微尺度下对熔体流动可能产生较大影响的各种因素。 ( 2 ) 分析熔体在微小截面流动通道中的流动行为，获得熔体的粘度、压力、剪切 速率等流变参数的变化规律和相互影响关系，建立反映微尺度下熔体充模流动规律的理 论模型。 ( 3 ) 探索微型模具热量传递与温度分布的微观机理及微结构设计的力学特性，建 立反映聚合物熔体在微小截面通道中热量传递现象的理论模型。 ( 4 ) 基于微注塑成型熔体充挨流动数学模型，尤其是各微尺度效应的相关模型， 寻求适合于微注塑成型的数值模拟方法。 ( 5 ) 研究微尺度下熔体粘度的测量方法，获得熔体充模流动过程中的粘度数据， 验证理论模型及相关结构设计的正确性和合理性。 ( 6 ) 以理论模型为依据，通过微注塑成型工艺的研究，获得工艺参数对微塑件成 型质量的影响规律及其最优水平组合，可用于指导实际微塑件的成型。 从上面的分析可以看出，微注塑成型技术的理论研究，可揭示微注塑成型熔体流动 和传热行为规律，为微注塑模具设计提供可靠的科学依据，指导成型工艺参数的合理选 4 r 大连理工大学博士学位论文 择，提高微塑件的成型质量和性能，以满足电子工业、生物制造及航空航天等领域对各 类微塑件的应用需求，推动微注塑成型技术的快速发展以及微机电研究成果的实用化与 大批量生产。 1 2 微注塑成型技术的国内外研究概况 微注塑成型技术主要包括微注塑成型理论及数值模拟技术、微注塑模具设计与制 造、微注塑成型工艺、微塑件结构设计、微注塑成型材料、微注塑成型设备等。下面针 对本文要研究的微注塑成型理论及其数值模拟技术、微注塑模具设计与制造、微注塑成 型工艺的国内外研究现状综述如下。 1 2 1 微注塑成型理论 在微注塑成型技术的发展初期，其研究还主要集中在微注塑成型机的开发和研制、 微注塑模具的设计与加工等方面。随着对零件微小化要求的不断提高，以及用于微注塑 成型模具加工的微细加工技术不断完善，微注塑成型技术成型制品的精度不断提高，尺 度不断缩小，质量不断减轻。同时，在制品工艺成型过程中诸多无法用传统注塑成型技 术理论解释的、与微尺度效应相关的现象与问题日显突出。目前关于聚合物熔体在微小 通道中流动行为、流变特性及微尺度效应的研究还处于起步阶段。 美国o a k l a n du n i v e r s i t y 的y a odg 等【1 0 j 针对聚合物熔体在微通道中的流动问题进 行了理论分析和2 5 d 有限元数值分析，采用基于摩擦学的粘度模型来表征微尺度下熔 体的流变特性，指出应考虑壁面滑移对微注塑成型过程中熔体充模流动的影响。该研究 结果显示，只有当模具型腔尺寸降至几个微米或更小时，熔体的充模流动行为才会显著 地区别于常规尺度中的流动。在其另一篇文章【儿】中采用量纲分析法，分析了微小熔体在 充模流动过程中，表面张力、粘性耗散等因素与通道特征尺寸之间的关系，提出在型腔 特征尺寸大于1 0 t m 时，表面张力的作用小于1 ，在微细结构中沿流动方向上的热传 导和粘性耗散可以忽略。上述研究是较早从微尺度下聚合物熔体充模流动理论着手的研 究，尽管仅限于理论分析和数值模拟，但仍具有较高的学术价值和借鉴意义。 美国t h eo h i os t a t eu n i v e r s i t y 的y uly 等【1 2 】研究了聚合物熔体与微通道壁面间的 热量传递现象，提出熔体与通道壁面间的对流换热系数是分析微尺度下熔体热量传递机 理的一个重要参数，此系数的确定对数值分析结果的准确性具有重要影响。在传统注塑 成型中对流换热系数的真实值通常很难确定，往往都是凭经验估算一个近似常数值，而 对于微注塑成型中的对流换热系数的确定就更加困难。若也采用估算的常数值，计算结 果产生的误差将可能会导致模拟结果实效。针对这个问题，提出一种利用为平行板间距 离函数的对流换热系数模型代替简单常对流换热系数的解决方法，将2 d 混合网格求解 庄俭：微注塑成型充模流动理论与工艺试验研究 h e l e s h a w 方程的数值算法与试验相结合，验证了采用对流换热系数模型进行数值模拟 的可行性。对深入研究微注塑成型热量传递机制提供了新的思路。 台湾成功大学的y o u n gwb 1 1 3 】在数值分析熔体在具有微结构型腔中的流动行为时， 提出了一种二维简化数值算法，采用该算法的模拟结果显示，微结构中熔体的填充距离 与熔体流动速率、微结构特征尺寸和冷却速率均相关。基于建立的填充距离简化模型， 分析了熔体在具有微结构型腔中流动时模具温度、注射速度、微通道特征尺寸对填充距 离的影响，得出微结构中熔体的填充距离随着微结构宽度的增大而迅速增加的结论。尽 管在二维稳态数值模拟时进行了一定的简化，但对微结构塑件的成型研究起到了一定的 启示作用。 中南大学蒋炳炎等1 1 4 】在采用基于有限元法的f i d a p 软件对微尺度条件下聚合物熔体 聚苯乙烯的4 ：1 非等温平板收缩流动过程进行了二维数值模拟，模拟结果表明熔体在 收缩通道内的速度梯度在收缩入口处明显增大，且最大剪切速率出现在收缩入口拐点 处。同时指出在熔体中心线附近区域的温度预测结果存在误差，对于能量方程中传热项 的基本假设及温度相关的边界条件需要进一步修正。该方法较适合用来分析熔体在通道 截面突变时的流动行为。他在微结构塑件冷却过程的研究中【堋，把含有热源各向同性物 体的热传导处理方法与处理结晶潜热问题的热焓法相结合，建立了微注塑成型冷却阶段 传热过程的数学模型，以预测制品内部温度场分布为目标，利用有限元法数值模拟了考 虑结晶潜热时微结构塑件的冷却过程。该研究为合理优化模具温度和熔体注射温度等工 艺参数提供了有价值的参考。 针对影响流体流动的其它微尺度效应，研究者也开展了大量的研究，取得了一些较 有价值的研究成果，这对研究微尺度下聚合物熔体充模流动具有一定的借鉴意义【僖删。 韩国p o h a n gu n i v e r s i t yo fs c i e n c ea n dt e c h n o l o g y 的k i mds 等【2 4 蝌对微流控装置中经 常遇到的瞬态充填流动问题进行了深入研究，采用流体可视化装置与数值分析相结合的 方法，研究了微通道中流体的压力梯度、秸性力和表面张力与特征尺度间的关系，通过 对微小通道中流体阻塞现象的观察，分析了表面张力对牛顿流体流动的阻碍作用机理， 验证了考虑表面张力影响的数值模拟结果与试验结果的一致性，为研究微尺度效应提供 了一种有效的试验方法。 新加坡n a n y a n gt e c h n o l o g i c a lu n i v e r s i t y 的x ub 等陋j 从分子理论角度，揭示了极 性和非极性液体流动时微通道凡何尺寸与粘度及流动特性的关系，提出了对于在亚微米 通道中流动的极性液体，其粘度会发生改变，通过典型极性液体的研究。进一步证实了 在微通道中液体粘度会比常规尺寸通道中有所减小，而对于非极性液体则不会发生这种 一6 大连理工大学博士学位论文 变化规律。尽管由于分子理论本身的发展尚未完善，采用的分子模型并未得到广泛的认 可，但为微流体的流变特性的系统研究作了有意义的探索。 美国n o r t hc a r o l i n as t a t eu n i v e r s i t y 的k o oj 等i 硐在深入分析牛顿流体微尺度效应 的基础上，总结了已有的相关研究，提出可将牛顿流体在微尺度下的流动分成三类，即 第一类为非稳态流动，第二类为粘度变化流动，第三类为与通道尺寸无关的流动。指出 在微尺度下入口效应不可忽略，且与通道的长度及深宽比、r e 数等均相关；对于聚合 物溶液和颗粒悬浮液，非牛顿效应较为显著；壁面滑移可被忽略；表面粗糙度的影响与 无量纲参数r e 数和通道截面形状均有关；粘性耗散对流体流动的影响不可忽略，尤其 是在微通道当量直径小于1 0 0 u m 时，粘性耗散的影响显著。 加拿大u n i v e r s i t yo fa l b e r t a 的m a l agm 等【27 l 研究了微通道中双电层效应对含有 正、负离子稀溶液流动和传热的影响规律，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 描述了双电层效应，在建立动量方程时考虑了双电层电场产生的电子体积力，给出了稳 态流动时基本方程的数值解，从而获得了双电层电场和通道尺寸对速度分布、流动势能、 表观粘度、温度分布和热导率的影响规律。 综上所述，研究者通过试验、理论分析及数值模拟等方法对微尺度下流体的流动行 为及微尺度效应进行了一定的探讨和研究。但由于试验条件和研究方法不同，研究结果 还存在着一定的分歧，主要集中在微尺度效应取舍的问题。对于聚合物熔体，由于其本 身的特殊性( 粘弹性、剪切变稀等) ，熔体在微型腔中的充模流动行为呈现出诸多区别 于其它流体的特性，同时由于试验条件和测量技术的限制，也使得试验数据较难准确获 得，微注塑成型理论研究相对薄弱。 1 2 2 微注塑成型数值模拟 计算机辅助分析( c a e ) 在注塑成型过程中的成功应用，实现了减少试模工作量、节 约成本、降低投资风险、提高制品质量等目的，已成为注塑成型技术中重要的组成部分 1 2 s - 3 2 。然而由于缺乏微尺度下聚合物熔体的温度、压力、速度及流变性能等相关数据， 目前还没有专门用于微注塑成型过程模拟的商业软件，已有关于微注塑成型过程的数值 分析还是主要采用传统注塑成型模拟技术。 德国f o r s c h u n g s z e n t r u mk a r l s m h eo m b h ( f z k ) 的w a l l r a b eu 等1 3 剐借助基于有限 元方法的商业软件m o l d f l o w 对微结构特征尺寸为1 2 3 , t i n 的光纤联接器微注塑成型 充模过程进行数值模拟，在此基础上，对浇口位置及其尺寸进行了优化，预测了熔体流 经浇注系统的时间和完成微塑件的充填时间分别为0 2 7 5 s 为0 1 4 5 s 。 庄俭：微注塑成型充模流动理论与工艺试验研究 美国u n i v e r s i t y o f c a l i f o r n i a 的s u y c 等 ，4 嘲用商业软件c - m o l d 数值模拟了具有 高度为1 1 0 “m ，底边边长分别为3 2 0 p m 、1 6 0 m 、8 毗m 、4 0 m m 金字塔形的微结构塑件 成型过程，模拟基于h e l e s h a w 方程，忽略惯性力和重力，并假设熔体在壁面处的温度 与模具温度相同，且熔体在壁面处无滑移发生，获得了注射时间、模具温度、型腔高度 等因素对微结构塑件成型质量的影响规律，通过与试验结果相比较，指出了数值模拟结 果比试验结果大2 0 加。 新加坡n a n y a n gt e c h n o l o g i c a lu n i v e r s i t y 的h u n gw np 3 5 l 等分别采用商业软件 m o l d f l o w 和c - m o l d 数值模拟了分度圆直径为0 1 5 0 肛m 微齿轮的2 5 d 和3 d 注塑 成型过程，指出由于材料特性和试验条件的差异，数值模拟结果显示熔接痕为一条而试 验结果为多条，但对于的气穴预测较为准确。 德国i n s t i t u tf i i rk u n s t s t o f f v c r a r b e i t u n g ( i k v ) 的m i c h a e hw 等【蚓采用不同c a e 软 件( c a d m o u l d ，m a g m a s o f t ，f i d a p ) 进行了2 5 d 和3 d 微注塑成型熔体充模过程数值模 拟，模拟结果显示m a g m a s o f l 和f i d a p 的3 d 模拟结果与试验结果相一致，而2 5 d 的模 拟结果不能反映熔体在通道拐角处的流动变化。 美国u n i v e r s i t yo f m a s s a c h u s e t t sl o w e l l 的m e h t anm 等唧利用商业软件 m o l d f l o w 数值模拟了特征尺寸为8 叽m 微结构塑件的微注塑成型过程经比较分析 指出，采用h e l e s h a w 方程预测的从微型腔两侧浇口分别流入的熔体前锋比试验结果更 为对称。采用s t o k e s 方程的模拟结果显示熔体前锋呈非对称，其最后填充位置偏离微塑 件对称线，这与微塑件充填的试验结果相一致，而把采用n a v i e r - s t o k e s 方程模拟结果与 试验结果之间的差异归结为惯性力的作用使得求解出现了不稳定现象，导致浇口处过早 的