（材料加工工程专业论文）注射速度对微注塑成型充填过程及制品形态结构的影响.pdf

原创性声明 l i l llll lll llu ll l l ll ll y 2 10 2 3 8 4 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 究所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人 或集体已经发表或撰写过的科研成果。对本文的研究作出重要贡献的个人和集 体，均已在文中以明确方式标明。本声明的法律责任由本人承担。 学位论文作者： 莎垒衫 日期：和f 年矿多月口曰 学位论文使用授权声明 本人在导师指导下完成的论文及相关的职务作品，知识产权归属郑州大学。 根据郑州大学有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保留或向国家有关部 门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅；本人授权郑州 大学可以将本学位论文的全部或部分编入有关数据库进行检索，可以采用影印、 缩印或者其他复制手段保存论文和汇编本学位论文。本人离校后发表、使用学 位论文或与该学位论文直接相关的学术论文或成果时，第一署名单位仍然为郑 州大学。保密论文在解密后应遵守此规定。 学位论文作者：苏垒衫 日期：印胁年。f 月p 日 摘要 摘要 微注塑成型工艺优化，是微注塑成型技术中的核心内容之一，然而，在微 注塑制品成型过程中，由于诸多熔体流动行为无法完全用传统的宏观熔体流动 理论来解释，传统注塑成型过程中的工艺参数设置规则也不再适合微注塑成型 过程，当注射速度升高时，可能会产生壁面滑移现象。高剪切引起壁面滑移， 壁面滑移使得熔体在型腔内的剪切状态与传统注塑有很大的差异。而剪切对熔 体的结晶过程有重要的影响，从而使微注塑制品的形态结构与传统制品不同。 目前有关注射速度的变化对微注塑充填流动过程及制品形态结构的影响的研究 还不够全面深入。 本文首先基于目前的高分子流变学等基础理论，针对微注塑成型充填过程 的流动特性，结合微注塑成型实验与m o l d f l o w 模拟对比剪切应力大小的变 化，再通过a n s y sc f x 软件，实现了注射速度对微注塑成型充填过程影响的三 维模拟，最后又分析了注射速度对微注塑成型塑件内部形态结构的影响。主要 的研究工作和结论如下： 1 、基于粘性流体的基本方程和传统注塑成型理论，结合微注塑成型流动特 性，通过适当的假设，选用了适合于微注塑充填模拟的粘度及壁面滑移的数学 模型。 2 、采用i p p 材料，在微注塑机上进行注射速度的单因素实验，获得了质量 良好的微注塑制品，同时记录并处理了实验过程中的压力速度曲线等数据，得 到注塑过程中最大注射压力与注射速度之间的关系图；在m o l d f l o w 中按照 实验条件进行工艺设置并对成型过程进行模拟。经过对比分析，发现在较高注 射速度下，模拟结果的剪切应力远远超出了i p p 的极限剪切应力值。在高剪切应 力下，实际微注塑成型中会出现滑移。 3 、参照实验条件，对a n s y sc f x 软件进行二次开发，对1 0 0 0 i n n 特征尺 寸的微制品进行了微注塑成型充填过程模拟，并在该过程的研究中添加了壁面 滑移因子的作用。结果显示：在微注塑充填中，随着注射速度的增加，熔体的 流动速度增加，型腔压力增加，当考虑壁面滑移因子作用后，熔体速度更大， 型腔压力稍微降低。因此，注射速度对微注塑充填过程有重要的影响，壁面滑 摘要 移在此过程中的影响也不能被忽略。 4 、利用偏光显微镜，对不同速度下的微制件翅片在流动方向上的皮芯结构 各层的厚度变化进行了研究。研究发现：i p p 微注塑成型中，出现了不同于传统 制品的三层皮芯或无芯结构。而且随着注射速度的增加，冷冻层和芯层的厚度 减少，芯层甚至消失，剪切层厚度增加。 关键词：微注塑成型注射速度m o l d f l o w 壁面滑移a n s y sc f x 充 填模拟 i i a b s t r a c t a b s t r a c t m i c r o - i n j e c t i o nm o l d i n gp r o c e s so p t i m i z a t i o ni so n eo ft h em o s ti m p o r t a n tp a r t s i nt h ep r o c e s so fm i c r o i n j e c t i o nm o l d i n g h o w e v e r , t h e r ea r em a n yb e h a v i o u r so f p l a s t i cm e l ti nt h ep r o c e s so fm i c r o - i n j e c t i o nm o l d i n gw h i c h c a n tb ee x p l a i n e db yt h e c o n v e n t i o n a lt h e o r i e so ff i l l i n ga n dt h es e t t i n go fp r o c e s sp a r a m e t e r si sn o ts u i t a b l e f o ri ta sw e l l a st h ei n j e c t i o ns p e e di sr i s i n g ，t h e r em a ye x i s tw a l ls l i pt h a tc a u s e db y t h eh i g h e rs h e a rr a t ei nt h ef i l l i n gr u n n e r , a tt h es a n l et i m e ，t h es h e a rc o n d i t i o no fm e l t i nt h em o l di sv e r yd i f f e r e n tf r o mc o n v e n t i o n a li n j e c t i o n b u tt h es h e a rs t a t eh a s i m p o r t a n ti n f l u e n c eo nt h ec r y s t a l l i z a t i o no fm e l t ，w h i c hm a k eag r e a td i f f e r e n c ei n t h ep r o d u c t sc o n t r a s t e dw i t ht h ec o n v e n t i o n a li n j e c t i o n i ti sn e c e s s a r yt op r o c e e d w i t ht h er e s e a r c ho nt h el a wo fs l i pc o n d i t i o na n dm o r p h o l o g ye v o l u t i o no ft h e m i c r o - p a r t sa r i s i n gi nm i c r o - i n j e c t i o nm o l d i n g b a s e do nt h et r a d i t i o n a lp o l y m e rr h e o l o g yt h e o r i e sa n df l o wc h a r a c t e r i s t i c so f m i c r oi n j e c t i o nm o l d i n g , t h er e l a t i o n s h i po fw a l ls h e a rs t r e s sa n di n j e c t i o ns p e e dw a s i n v e s t i g a t e db yc o m b i n i n g t h em i c r o i n j e c t i o nm o l d i n ge x p e r i m e n t s a n d m o l d f l o ws i m u l a t i o n s ，a n dt h e3 ds i m u l a t i o no ff i l l i n gs t a g ei nm i c r oi n j e c t i o n m o l d i n gw a si m p l e m e n t e do na n s y sc f xp l a t f o r m t h ei n f l u e n c eo fi n j e c t i o n s p e e do nm o r p h o l o g yo ft h em i c r oi n j e c t i o nm o l d e dp a r t sw a si n v e s t i g a t e db y e x p e r i m e n t s t h ew o r ka n da c h i e v e m e n t sa r ea sf o l l o w i n g s ， 1 b a s eo nt h ef u n d a m e n t a le q u a t i o n so fv i s c o u sf l u i dd y n a m i c sa n df l o w c h a r a c t e r i s t i c so ft h ef i l l i n gs t a g eo fm i c r oi n j e c t i o nm o l d i n g ，t h ev i s c o s i t ym o d e la n d w a l ls l i pm o d e ls u i t a b l ef o rt h em i c r o i n j e c t i o nm o l d i n gw e r ea d o p t e d 2 t h es i n g l ef a c t o re x p e r i m e n t so fi n j e c t i o ns p e e dw e r ec o n d u c t e do nt h e m i c r o - i n j e c t i o nm a c h i n ea n ds o m em i c r op a r t sw e r em a d e a tt h es a n l et i m e ，t h ed a t a o fi n j e c t i o np r e s s u r ei nt h ee x p e r i m e n tw e r er e c o r d e dw h i c hw a si m p o r t a n tf o rt h e a n a l y s i so fp r e s s u r ea n df l o w i n gr a t eo fm e l t a n dt h es h e a rs t r e s sf r o mt h es i m u l a t i o n r e s u l tw a sc o m p a r e dw i t hc r i t i c a ls h e a rs t r e s so fi p pm a t e r i a l t h ec o m p a r i s o nr e s u l t s i n d i c a t e dt h a tt h ew a l ls l i pw i l le x i s ti nt h ef i l l i n gs t a g ei nt h ec o n d i t i o no fh i g h e r s h e a rr a t e i i i 3 t h es e c o n d a r vd e v e l o p m e n to fa n s y s c f xs o f t w a r ew a si m p l e m e n t e da n d t h ef a c t o ro fw a l ls l i pw a sc o n s i d e r e di nt h es i m u l a t i o no fm i c r o - i n j e c t i o nm o l d i n g t h em i c r o - s c a l ep a r t s ( 10 0 0 “m ) w e r ea d o p t e dt oi n v e s t i g a t et h e i n f l u e n c eo fi n j e c t i o n s p e e d t h es i m u l a t i o nr e s u l t si n d i c a t e dt h a tt h em e l tv e l o c i t ya sw e l la st h ep r e s s u r e i nt h ec a v i t yi n c r e a s e dw i t ht h ei n j e c t i o ns p e e di n c r e a s i n g b u ta f t e rc o n s i d e r i n gt h e f a c t o ro fw a l ls l i pi n t ot h es i m u l a t i o n ，t h ev d o d t yo fm e l ti n c r e a s e db u tt h ep r e s s u r e d e c r e a s e d s ot h ei n f l u e n c eo fw a l ls l i pw a gv e r yo b v i o u s l y , a n dc o u l d n t b en e 西e c t e d i l lt h ep r o c e s so f m i c r o i n j e c t i o nm o l d i n g 4 p o l a r i z e dl i g h tm i c r o s c o p y ( p l m ) e x p e r i m e n t sw e r ec o n d u c t e dt oi n v e s t i g a t e t h ei n f l u e n c eo fi n j e c t i o ns p e e do nm o r p h o l o g yo fm i c r op a r t s t h er e s u l t si n d i c a t e d m a tt l l ec o r em i c k n e s sr e d u c e da st h ei n j e c t i o ns p e e di n e a s e da n dt h ec o r el a y e r d i s a p p e a r e da tu g hr a t ec o m p a r e dw i t ht h ec o n v e n t i o n a li n j e c t i o n 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 ，i n j e c t i o ns p e e d ，m o l d f l o w , w a l ls l i p ， a n s y sc f x ，f i l l i n gs i m u l a t i o n i v 目录 目录 摘要i a b s t r a c t i i i 1绪论1 1 1 课题的背景及研究意义l 1 1 1 课题的研究背景：一j l 1 1 2 课题的研究意义3 1 2 微注塑加工技术的国内外研究概况4 1 2 1 微注塑成型理论4 1 2 2 微注塑设备一5 1 2 3 微型注塑模具设计及制造7 1 2 4 微注塑成型材料选择8 1 2 5 微注塑成型数值模拟一9 1 2 6 微注塑成型工艺1 2 1 3 本课题研究的主要内容。1 4 2 熔体在微注塑充模流动中的数学分析1 6 2 1 粘性非牛顿流体力学的基本方程1 6 2 1 1 连续性方程16 2 1 2 运动方程1 6 2 1 3 能量方程1 7 2 2 微注塑成型充模流动的数学模型1 8 2 2 1 微注塑充模的基本假设与简化1 8 2 2 2 微注塑成型充模的控制方程1 8 2 3 粘度模型1 9 v 目录 2 4 壁面滑移2 l 2 4 1 熔体的壁面滑移2 l 2 4 2 微尺度下熔体的壁面滑移及其机理2 3 2 4 3 微尺度下壁面滑移模型的建立2 4 2 5 边界条件2 5 2 6 本章小结2 6 3 注射速度对微注塑成型充填过程影响的实验研究2 7 3 1 微注塑成型实验2 7 3 1 1 成型实验设备2 7 3 1 2 实验方法与数据处理2 9 3 2 注射速度数值模拟3 2 3 2 1m o l d f l o w 软件简介3 2 3 2 2m o l d f l o w 分析压力曲线问题的一般流程3 2 3 3 模拟结果及分析3 4 3 4 本章小结3 9 4 壁面滑移对微注塑成型充填过程的三维模拟4 0 4 1a n s y sc f x 软件4 0 4 1 1a n s y sc f x 软件简介一4 0 4 1 2a n s y sc f x 分析问题一般流程4 1 4 2 几何模型4 2 4 3 壁面滑移模型的二次开发4 2 4 4 模拟的实现4 4 4 5 模拟结果及分析4 4 4 6 本章小结4 7 5 注射速度对微制品形态结构影响4 8 5 1 实验设备4 8 5 2 实验方法4 8 目录 5 2 1 样品制备4 8 5 2 2 偏光实验观察与结果分析4 9 5 3 本章小结。5 3 6 总结与展望5 4 6 1 主要工作与总结5 4 6 2 展望5 4 参考文献5 6 致谢6 0 1 l 绪论 1绪论 近年来，随着微纳米技术的进步及微机电系统( m e m s ) 的迅速发展，人 们在微注塑制品的生产效率、复杂程度、材料选择及尺寸精度等方面提出了更 高的要求【l 捌，因此，微注塑成型技术成为目前研究的热点之一。虽然微注塑成 型技术发展的时间很短，但是能够大批量的生产整体尺寸微小或者带有部分微 细结构的塑料产品，具有生产成本低、周期短、制件质量一致性好、操作简短 等优点，在工业领域得到了广泛的应用。尽管如此，和传统注塑成型过程相比， 微成型技术存在着许多不同之处，它已经不能够简单的运用现有的、常规的注 塑成型技术，很多问题亟待解决【3 , 4 j 1 1 课题的背景及研究意义 1 1 1 课题的研究背景 ( 1 ) 微注塑加工方法介绍 经过几十年的发展，微注塑成型技术已经取得了一些令人瞩目的成果。但 对于微注塑成型技术的科学定义，到现在为止，世界各国的研究者还没有达成 统一的认识。1 9 8 5 年，从微型塑件的角度，d e t t e rh 等人【5 】对微注塑加工方法进 行了定义，即微注塑加工方法可以成型三种塑件：总体尺寸微米级且质量几毫 克左右的单个塑件；局部尺寸达到微米级的塑件；尺寸精度达到微米级的塑件。 本文进行的研究工作主要是针对总体尺寸微小的微米级雪花型制件。在加工流 程方面，微注塑加工和传统注塑加工没有太多区别，也是高分子物料在塑化单 元发生熔融之后被注射到微型模具，保压冷却时间过后，开模获得所需制品。 ( 2 ) 微注塑加工方法的应用领域 因为高分子原料本身具有良好的电绝缘性、抗腐蚀、生物相容性、抗冲击 及容易成型加工等优点，使得其能够在微小零件制造领域显示出很不错的应用 和发展前景。特别是采用微注塑成型技术制造的微小塑料制品，在很多领域中 获得了广泛的应用，主要体现在以下几个方面： 1 ) 光电通信领域。在这个领域，微注塑成型技术的应用不仅改变了之前光 1绪论 传输组件价格昂贵的市场状况，而且明显地缩小了单个部件尺寸，同时也能够 获得很高的精度，使得此类微小塑件制品能够大批量生产，进而推动了部分光 传输组件在光电通信领域的广泛应用。比如采用微注塑成型的连接光纤插拔式 连接器( 图1 1 ( a ) 1 6 j ) ，不仅操作空间小，大大提高了安装密度，而且特别适用 于新型的同步终端设备和用户线路终端。 2 ) 某些传动机械和微型传感器的制造也可以通过微注射成型技术进行微机 械领域，比如在微型电机中适用的微齿轮( 图1 1 ( b ) ) ，不仅具有微小的尺寸， 而且具有非常高的表面质量和精度，在微型动力装备中能够改变设备运转时的 扭矩，所以在航空航天、高端加工机床等工业领域中应用广泛。又比如用来测 定透射和折射率等光学元件光学性能的传感器、测量液体流动速率的传感器、 压力和温度传感器等，好多是采用微注射成型技术成型的。 3 ) 医学工程领域。在这个领域，通过微注塑成型的精密微型泵，其总体积 只有拇指大小左右，可以用来注射微小剂量药液及配制需要精确计量的药剂。 由于某些微塑件的材料具有生物相容性，在人体内可以有选择性的被吸收，所 以在人体内有着广泛的应用，比如用于基因治疗的微针、药物吸入器、体内植 入的假体及植入人耳的助听装置( 图1 1 ( c ) ) 掣。7 1 。 4 ) 生命科学及应用化学领域。微塑件在这个领域的典型应用是微流控芯片 ( 图1 1 ( d ) ) 。微流控芯片是当前国际许多领域研究的热点之一，它为微流控技 术的完成提供了一个操作台面。芯片的内部结构一般比较复杂，典型的特征就 是它承担流体的关键结构在尺寸上具有微米级特征。目前，生产微流控芯片主 要采用热压法，但是这种制造工艺成型时间较长，废品率高，生产效率也不高， 不能很好地满足市场对微流控需求，因此非常有必要采取微注射成型技术对其 进行加工。 ( a )光纤连接器 2 够 | ? 7 一j ，j i ：| “ji 糖学。嗍移“j ? ? 氇 ( b ) 微齿轮 1 绪论 殇愿，嘲嘲 豳溷 戮，。= = 墨 豁”一一； p - 曩m e 蕊i 纩一飞鼬一一 弋坶 ( c ) 可植入人耳的助听装置 ( d ) 微流控芯片 图1 1 微塑件 1 1 2 课题的研究意义+ 与传统注塑相同，微注塑加工过程中也涉及到塑化、注射、保压、冷却及 脱模等方面，也关系到高分子原料在注塑装备充填流动过程中的流变特性。然 而，两者也有着很大的不同之处，微注塑成型不仅仅是传统注塑在尺寸上变成 微米级甚至更小，而且需要人们重新考虑微注塑成型加工过程中的各个部分， 不能简单地在微注塑成型中运用已有的传统注射理论，所以，在传统注塑加工 理论基石上，过去的许多学者分析了传统注塑加工过程的特征并取得了一定的 成绩，然而当用其来分析微尺度下的熔体充填流动过程时，分析出来的结果却 与实验出现了较大偏差。因为在这个过程中，诸多熔体流动特性无法完全用传 统的宏观熔体流动理论来解释，传统注射成型过程中的工艺参数设置规则也不 再适合微注塑成型过程。 进一步地讲，正是因为微制件的尺寸在很小的微米级别，才造成高分子流 体在微流道中的流动是微观条件下充填过程。有关研究表明，相对于传统宏观 注塑熔体的流动，前者涉及到的熔体的传质、能量的输运及动量传递过程都已 经发生了改变，即这个时候的熔体流体具有了尺度效应。然而，到目前为止， 人们认为微尺度效应的机制是各种各样的，并且对微尺度效应产生的真正原因 在认识上还没有结成一致。塑料在微注塑成型时，对于材料的流变学等特性还 很缺乏，加上熔体在流动时，模具型腔的结构尺寸、熔体流动通道明显变小， 注射量也小，由此导致充填流动时，熔体壁面滑移、表面张力、粘度特性等影 响熔体充填流动的因素与传统注塑有很大的不同之处，很多因素像壁面滑移、 3 1 绪论 重力、惯性力等，在分析微注塑成型的过程中，不能再被忽略，这也是为什么 微注塑中出现的好多物理现象，不能再被传统的注塑理论所解释。 当前，国内外众多的研究学者对微注塑加工的研究重点存在于微注塑加工 的工艺方面，而在微注塑加工理论等方面却比较缺乏，使得微成型设备的设计 与加工多停留在感性的经验上，过多的依赖于反复的修模和调试，严重地影响 了微注塑成型技术及其相关方面的产业化发展 从上面的分析可以看出，微注塑成型技术的理论研究，尤其是微注塑成型 充填流动过程中熔体的壁面滑移行为的深入研究，是解释和预测微成型过程中 的各种物理现象，微成型设备的设计，微注塑成型模拟软件的开发，微注塑成 型制品的工艺过程分析及微制品的质量保证等不可回避的研究内容，具有一定 的理论意义与实际应用价值。 1 2 微注塑加工技术的国内外研究概况 微注塑加工技术包括微注塑设备、微型注塑模具设计及制造、微注塑成型 材料、微注塑成型工艺和微注塑成型数值模拟等方面。 1 2 1 微注塑成型理论 与传统注塑熔体的充填流动过程相比，聚合物熔体在微注塑成型充填流动 过程中的流变行为发生了很大变化，当微观熔体在流经微截面通道时，所受到 的影响因素很多，并且它们之间有着极其复杂的相互作用关系，这些因素主要 包含有：熔体流动中的壁面滑移、喷泉流动、微流道中熔体的粘度、对流换热、 流经通道的壁面粗糙度、熔体的表面积与体积比、表面张力、重力、惯性力等。 其中很多影响因素在宏观充填流动中可以被忽略掉，但是这些影响因素在微注 塑加工中的影响作用可能和传统加工中有着很大的区别，比如其中的壁面滑移 因子对微观条件下的加工可能会产生很大的影响，在加工中不能被忽略掉。因 此，国际国内的研究者对上述诸多因素展开了比较深入的研究。 美国o a k l a n du n i v e r s i t y 的y a odg 等【s j 结合传统聚合物流变学原理，在摩 擦学的基础上建立一种粘度模型，以此对微尺度下聚合物熔体的流动问题进行 研究，指出高聚物熔体在微注塑充填流动的过程中，应该考虑熔体壁面滑移的 影响。其研究成果显示，只有当熔体流经的型腔尺寸降到几个微米甚至更小时， 4 l绪论 和常规尺度中的流动相比，熔体的充填流动行为才会出现明显的区别。而且熔 体在微型腔流动时，不必考虑表面张力的影响，粘性耗散的作用在截面高度尺 寸大于1 0 0 p m 时也不太明显。同时，其在另一篇文章【9 】中，通过量纲分析的途 径，分析了微小熔体充填流动的过程中重力、惯性力等因子与流道几何大小级 别之间的联系，文章结果显示，在流道几何尺寸不低于l o 岬时，表面张力的影 响不高于l ，此时可以忽略在微小部位中熔体的充填方向上的热传导因子与粘 性耗散因素。 美国俄亥俄州立大学的y ul y 等i l o 】研究了高分子熔体和微观条件下流道壁 面之间的热量交换行为，提出在分析微观条件下高分子熔体的热量交换机制时， 塑料熔体与微流道壁面之间的对流换热系数是一个非常重要参数，它的数值的 计算对数值分析结果的准确性具有很大的作用。 美国u t a hs t a t eu n i v e r s i t y 的p a p a u t s k yi l l l l 采用一个基于微极流体理论的数 学模型并用矩形微流道进行实验验证的方法研究流体的流变行为，在对比传统 宏观流动理论时，在更小雷诺系数的流动过程中，所获得的实验数据证明d a r c y 摩擦因子在增加；相对于传统经典的n a v i e r - s t o k e s 理论，实验中所采用的数值 模型能够更好的预测实验数据，能够顺利地比较当前可得到的实验数据。这说 明加入了以前被忽略的粘度、壁面滑移等因素的数学模型更真实的反应出实际 的加工情况。 新加坡南洋理工大学的x ub 掣1 2 】基于分子运动理论研究了几何尺寸对极 性与非极性流体的粘度及流动特征的影响，该理论研究结果指出，当几何尺寸 接近微纳米级别时，几何尺寸对流体粘度的影响变得非常明显，并且对极性流 体的影响要比对非极性流体的影响要更加重要。这种从分子理论的角度对微流 体流动特性进行研究的方法还是比较新颖，但并未获得学术界的统一认可。 大连理工大学的徐斌等【1 3 】基于微尺度效应对壁面滑移的影响，修正了 h a t z i k i r i a k o s 提出的壁面滑移模型，再计算模型修正前后的滑移速度和压力降 值，以得到的数据与实验中所获取的压力降值进行比较，发现修正后的模型能 够更准确的预测实验结果。 1 2 2 微注塑设备 微注塑成型机是微注塑设备最重要的部分之一，同时它也是微注塑成型的 5 l绪论 关键。其主要功能通常由塑化、计量和注射三部分组成。相对于传统注塑成型 技术，为了适应部件微型化和高精度的要求，微注塑成型技术对生产设备有着 许多更高的要求，比如以下几个方面： ( 1 ) 塑化装备。微注塑成型中要求的注射量小，所以螺杆直径要相应的减 小，目前螺杆直径最小为1 2 r a m ，螺杆更小的话容易在注射过程中扭断；塑料熔 体要在型腔中均匀塑化，停留的量尽可能的少，防止时间长引起的材料的分解。 ( 2 ) 注射量精密计量。因为微注塑制件的质量往往在毫克级别，计算误差 往往比较小，所以在进行注射量计算时必须很精确。这对微注塑加工装备来说， 必须具备高精度的控制系统，能够非常准确的计算出注塑过程一次所需要的塑 料的重量，而且微注塑机对质量的控制精度要求能够达到毫克级别，螺杆的往 返行程准确度可以达到微米级。 ( 3 ) 高注射速度。由于微注塑成型过程中，熔体流道和型腔的尺寸很小， 且表面积与体积比值比较大，造成制品冷却速度很快，为了防止微制品在充填 完全之前固化，这就需要比传统注射更高的注射速度，此时注射过程完成很快， 避免了熔体早凝固造成的欠注。而且由于剪切变稀作用，高剪切速度条件对熔 体的充填过程更加有利，所以微注塑成型时，应设置较高的注射速度，微注塑 机在成型中一般要求聚合物熔体的注射速度达到8 0 0m n f f s 。 ( 4 ) 快速反应能力。在微注塑加工过程中，喷嘴的注塑量大大低于传统注 塑加工，注塑机的螺杆或者柱塞在加工时能够移动的前后行程非常短，所以如 果要想在注塑瞬间就能满足所需要的注射压力、保压压力，那么成型装备的驱 动装置必须反应灵活而且要足够的快才行。只有这样才能使得微注塑成型过程 准确完成。 ( 5 ) 顶出装置。微制件的尺寸精度达到了微米级，传统注塑机的机械顶出 装置不能再在微注塑塑料加工过程中使用，必须针对微制品的几何特点，重新 设计出一套有特色的脱模机构，在实际情况中，仔细研究微制件的结构特征， 针对具体情况设计专门的脱模部件，比如已经广泛应用的静电脱模、液压脱模 等方法。 ( 6 ) 模具温度操控系统。微注塑加工制品由于精度高，收缩变形小，同时 加热冷需要均匀、迅速，所以必须要有快速模具温度操控系统。 ( 7 ) 其它关联设备1 ) 微型传感器。随着微型传感器的极大发展，它们已 经能够应用于微流道与微型腔内诸多物理参数变化的测量，典型的是在加工中 6 1 绪论 安装温度、压力、光学传感器，可以更好地实现微注塑加工中所需数据的精确 采集及和可视化操作。2 ) 变模温控制系统。研究表明，模具温度对充填过程和 制品质量都有着重要的影响，该系统能够灵活的改变模具温度，让其更有利于 加工，同时也提高了生产效率和经济效益。3 ) 抽真空设备。降低充填过程中的 流动阻力，避免出现气穴和烧焦现象。 ( a ) 微注塑机 ( b ) 微型模具 图1 2 微注塑机及微型模具 目前，世界上有多家公司进行微型注塑机的开发与制造，他们已经开发出 多种先进的可用于生产加工和科学研究的机器，这些制造商主要包括德国的巴 顿菲尔公司、德马格公司、d r b o y 公司、a r b u r g 公司；日本的日精树脂株式会 社、树研工业、东芝、s o d i c k 公司；美国的m e d i c a lm u r r a y 集团；话班牙的 c r o n o p l a s t 公司及英国的m c p 公司等。各个研究团队都把开发研究集中在如何 提高微型注塑机的设计及控制水平，尤其是怎么样才能达到更高的注射及合模 精度。 1 2 3 微型注塑模具设计及制造 微型注塑模具的关键技术主要由模温控制系统、合模机构、顶出机构、排 气系统、型腔镶块设计及其加工方法几部分组成。同时，微型模具具有以下几 个特点：( 1 ) 型腔的数目不多，模具的平衡性好，塑件外观尺寸精度高。( 2 ) 采用了热流道系统，成本较低，开发周期比较短。( 3 ) 尺寸小于传统注塑模具。 ( 4 ) 容易控制模温，满足精密成型要求，节约能源。当设计一套模具结构时， 由于微型模具的加工很复杂，首先要考虑到的就是该微注塑模具的型腔加工的 7 1 绪论 可行性方法，其次要注意传统模具加工时被忽略但在微注塑中对微制品质量有 重要影响的因素。许多研究和生产实践证明，如果微型模具中安装的有可以控 制的变温系统和真空抽取设备，那么微制品的加工质量会比没有安装这些设备 的质量要好很多。 由于微注射成型制品的尺寸常常在微米级，微注射模具比常规注射模具小， 因此对注射机的要求也和传统机器大不相同。对微型模具型腔的加工是目前微 型模具制造的难点之一，它本身尺寸就很小，但是结构又十分的复杂，这就需 要用到微型机械加工手段。在微电子工业领域，作为是一种微细加工手段，微 型机械加工技术无疑是一种非常先进的制造技术，这种技术能够加工的零件尺 寸很小，可以达到微纳米级别。正是由于该技术的快速发展，微型模具的制造 才具有了很大的可行性。迄今为止，用于微注塑模具型腔的加工方法主要有3 种类型1 4 】：( 1 ) 光刻技术。比如l i g a 技术、x 射线光刻、电子束光刻、激光加 工技术及蚀刻技术等。( 2 ) 微机械加工技术。例如微车削、磨削及铣削加工等。 ( 3 ) 电化学微细加工。例如电火花加工、电火花线切割加工、线电极电火花磨 削等。常用的微细加工技术及各自的加工特点如表1 1 所示， 表1 1 常用微细加工技术1 4 j 1 2 4 微注塑成型材料选择 大多数工程塑料都可以用来进行微注塑成型，但它们在应用的过程中却表 现出许多不足之处。由于在微注塑成型的过程中，熔体经过通道及模具型腔尺 寸很小，受到的流动阻力很大，所以应该尽量选取具有粘度低、流动性好等优 点的材料。表1 2 是目前微注塑成型技术中常用的材料【1 5 1 。 8 1 绪论 表1 2 常用材料在微注塑成型中的典型应用【1 5 】 s h c nyk 等【l6 l 为了分析不同工艺参数对微齿轮成型的影响，选取了三种材 料( p p 、p a 、p o m ) 进行数值模拟和正交实验对比，研究表明，p p 是三种材料 中最适合用来d r i - r - 微型齿轮的高分子材料。k j m 掣1 。7 】对微成型医用针头进行了 研究，以p s 、p a 6 纳米材料、p c 和p m m a 等为注塑材料，通过欧拉失稳理论 和有限元软件a n s y s ，分析了针头的失稳情况，发现用2 种方法得出的结论非常 相似。据报道，目前已经研制出了新型热塑性材料p o l y l a c t i d e p o l y g l y c o l i d e ( p l g a ) i s j ，专门用于微注塑加工。 1 2 5 微注塑成型数值模拟 像许多其它研究领域一样，微注塑加工过程的三维模拟能够减少实际生产 的工作量，提高生产效率，尤其在预测产品存在缺陷等方面具有很大的优越性， 这也是三维模拟的重要意义所在。在过去的几十年中，针对传统的注塑加工领 域，世界上已经存在多家公司开发的各种模拟软件，这些商业化软件主要有 m o l d f l o w 、m o l d e x 、c m o l d 、h s c a e 、z m o l d 等。但由于微注塑加工本身特点的 限制，专门针对微成型的模拟软件还没有推出，尤其在商业化方面。一方面传 统的数值模拟软件都是在宏观充模流动的基础上进行开发的；另一方面一些在 宏观尺度下被忽略的因素，例如成型塑料的黏度变化、壁面滑移、重力、惯性 力及模具表面粗糙度等，可能会对微注塑成型产生很大的影响。所以如果现在 依然用传统注塑加工领域开发的模拟软件进行微注塑加工的模拟，那么其分析 结果和实验结果之间也必然会出现较大的误差。 9 1 绪论 m i c h a e l iw 等 1 8 1 分别利用三个不同的模拟软件：c a d m o u l d 、 m a g m a s o f t 及f i d a p ，将模拟与实验研究相结合，展开了微注塑加工的 2 5 d 3 d 充填模拟研究，其模拟结果显示：m a g m a s o f t 与f i d a p 的3 d 仿真 结果与实验结果保持一致，但是2 5 d 的模拟结果不能够反映出塑料熔体在筋板 与拐角处的流动变化。 y a odg 等 8 , 1 9 】针对一组超薄壁矩形塑件，通过传统注塑成型模拟软件 c m o l d ，模拟了对它的充填过程。并将软件模拟和实验方法相结合，对模具温 度、入口速度等多个工艺参数展开了分析，得到它们对微注塑成型充填过程的 影响程度大小。研究结果表明：模具温度与入口速度尽管对充填过程具有很大 的影响，但模拟结果与实际成型状况依然有较大的出入。 y ul y 等【2 0 j 基于2 d 软件c m o l d 和两种不同的模具型腔分别进行模拟和实 验，模拟对比了径向流动和不定向流动；实验选用p m m a 和p p ，并考虑了模具 型腔的表明粗糙度和带有拔模角度的模具嵌件，然后对俩种方法的数据进行对 比分析，俩者的定性分析是保持一致的，但是在流动前沿和充填深度方面出现 了差异。 h u n gw n p 等【2 l j 采用一种离子束溅镀法加工直径为7 0 1 0 0 1 t m 纵横比为l ：1 的微齿轮，再分别通过采用m o l d f l o w 与c - m o l d 两个软件模拟了它的2 5 d 3 d 注塑加工过程。模拟结果能够指出气泡、应力分布的正确位置，但是由于运用 不同的有限元分析方法，模拟中出现了一些微细的差别，进一步对比实验结果 发现熔接痕的数量在模拟和实验中是不一样的，实验结果熔接痕数量更多。 上述研究成果显示，尽管传统的模拟软件在一定程度上可以用来分析尺寸 相对较小塑件的充填流动过程，但还是不能够完全的用来研究影响微注塑成型 的因素，当制品的尺寸进一步减小时，这些传统的模拟软件模拟结构甚至和实 验结果出现相反的现象。对此，国内外的一些研究者通过努力，在目前模拟软 件的基础之上作了一些改进与创新，以期能够准确预测微注塑成型过程。 j e g g yc 等【2 2 】注意到一些制件在型腔和微结构处的要求不同，因此对这两个 地方的网格划分采用不同尺寸，对于前者依然按照传统模拟的网格划分方法， 采取较大尺寸划分；对于后者使用加密网格划分手段进行处理，以更好的接近 真实加工情况。这种手段对于带微结构的制件非常有效，降低了网格数同提高 分析效率的同时也不影响分析的准确性。 k i msw 等【2 3 】对光学透镜的注塑充填过程及多尺度几何模型进行了三维数 1 0 l 绪论 值模拟和有限元分析，划分三种( t a y l o r - h o o d ，m i n i 及e q u a l o r d e r ) 不同的四 面体有限元网格，并以熔体前沿流动状态作为目标，通过流体体积函数法对其 跟踪，研究结果表明模拟结果和实验结果基本相符。 g a v aa 等【2 4 1 为了研究m