（材料加工工程专业论文）微注塑成型充填过程三维数值模拟.pdf

摘要 摘要 随着微成形技术的发展，微注塑成型以其独特的优势在微机械、微电子、 生物医学等领域得到了广泛的应用和发展。然而，由于微注塑成型中模具型腔 的尺寸微小，其成型机理与传统注塑成型有许多不同，传统注塑成型的理论及 方法已不能完全用来指导微型塑件的注塑成型。 本课题在传统注塑成型数值模拟理论的基础上，结合微注塑成型机理，考 虑微注塑成型中的微观因素，通过对a n s y sc f x 软件的二次开发，弥补传统注 塑成型模拟软件在微注塑成型模拟方面的不足，实现a n s y sc f x 软件对微注塑 成型充填过程的三维模拟。 本文利用a n s y sc f x 软件对微注塑成型充填过程进行三维模拟，主要工作 和结论如下。 l 、壁面滑移对微注塑成型充填过程的影响研究。基于对a n s y sc f x 的二 次开发，研究壁面滑移边界对微注塑成型充填过程的影响。分析表明，在微注 塑成型中，与不考虑壁面滑移相比，壁面滑移能推进熔体在型腔中的运动，使 熔体运动阻力减小、型腔内压力减小。随着型腔尺寸的减小，壁面滑移效应更 加明显。在微注塑成型充填过程中，壁面滑移的影响作用非常明显，不能被忽 略。 2 、重力对微注塑成型充填过程的影响研究。基于对a n s y sc f x 的二次开 发，分析重力对微注塑成型充填过程的影响。结果表明：重力对型腔的充填具 有一定的影响。型腔内熔体流动方向与重力加速度方向一致时，重力对充填起 到促进作用；型腔内熔体流动方向与重力加速度方向相反时，重力对充填起阻 碍作用。在微注塑成型充填过程中，重力的影响不能忽略。 3 、粘性耗散对微注塑成型充填过程中熔体温度的影响研究。数值分析粘性 耗散对微注塑成型充填过程中熔体温度的影响。结果表明：在微注塑成型充填 过程中，粘性耗散对型腔内熔体温度的影响很小，可以忽略不计。 4 、工艺参数对微注塑成型充填结果的影响研究。通过对a n s y sc f x 的二 次开发，研究熔体温度、模具温度、注射速度等工艺参数对微注塑成型充填过 程的影响。结果表明，在高速填充条件下，熔体温度和模具温度的变化对型腔 摘要 的填充率没有明显的影响，而注射速度的增大会使型腔的填充率显著的增大； 熔体温度和模具温度的升高会使型腔的压力场值降低，而注射速度的增大会使 型腔压力场的值升高。 关键词：微注塑成型，a n s y sc f x ，壁面滑移，重力，工艺参数，三维模拟 a b s t r a c t a b s t r a c t w i t ht h ed e v e l o p m e n to ft h em i c r om a n u f a c t u r et e c h n i q u e ，m i c r o i n j e c t i o n m o l d i n gt e c h n o l o g yw h i c hh a sp a r t i c u l a rs u p e r i o r i t yi sd e v e l o p e da n dw i d e l yu s e di n t h em i c r o m e c h a n i c a l ，m i c r o e l e c t r o n i c s ，b i o m e d i c a la n dm a n yo t h e rf i e l d sn o w h o w e v e r , b e c a u s et h es i z eo fm o l dc a v i t ya n dt h ev o l u m eo fm i c r o - p l a s t i cp a r t sa r e v e r ys m a l l ，t h em e c h a n i s m o fm i c r o i n j e c t i o nm o l d i n gh a sm a n yd i f f e r e n c e s c o m p a r e dw i t ht h a to f t h et r a d i t i o n a li n j e c t i o nm o l d i n g t h em e c h a n i s ma n dm e t h o d o ft r a d i t i o n a li n j e c t i o nm o l d i n gh a v e n tb e e nc o m p l e t e l yu s e di nm i c r oi n j e c t i o n m o l d i n g o nt h eb a s eo ft r a d i t i o n a li n j e c t i o nm o l d i n gn u m e r i c a ls i m u l a t i o n ，c o m b i n i n gm i c r o i n j e c t i o nm o l d i n gt h e o r i e s ，c o n s i d e r i n g t h em i c r o c o s m i cf a c t o r si nm i c r o i n j e c t i o nm o l d i n g ，a n s y sc f xw a sa d o p t e dt o s i m u l a t et h ef i l l i n gs t a g ei n m i c r o i n j e c t i o nm o l d i n g ，w h i c hm a k e su p t h et r a d i t i o n a li n j e c t i o nm o l d i n gs i m u l a t i o ns o f t w a r ei nm i c r oi n j e c t i o nm o l d i n gs i m u l a t i o n t h i sp a p e ru s e sa n s y sc f xt os i m u l a t et h ef i l l i n gs t a g eo ft h em i c r o i n j e c t i o n m o l d i n gp r o c e s 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 ： 1 t h ee f f e c t so fw a l ls l i po nt h ef i l l i n gs t a g eo ft h em i c r o - i n j e c t i o nm o l d i n g p r o c e s s b a s e do nt h es e c o n dd e v e l o p m e n tf o ra n s y s c f x ，t h ee f f e c t so fw a l ls l i p o nt h ef i l l i n gs t a g eo ft h em i c r o i n j e c t i o nm o l d i n gp r o c e s sw e r ei n v e s t i g a t e d t h e a n a l y s i si n d i c a t et h a tw a l ls l i pp r o m o t e st h em e l tf l o wi n t h ec a v i t y ，m a k e st h e r e s i s t a n c eo f m e l tf l o wa n dt h ep r e s s u r eo fc a v i t yc o m p a r e dw i t ht h a to ft h en ow a l l s l i pc o n d i t i o n w i t ht h ed e c r e a s eo fc a v i t ys i z e ，w a l ls l i pe f f e c tb e c o m e so b v i o u s l y i n 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 s ，t h ee f f e c t o fw a l ls l i pi sv e r yo b v i o u s ，a n dc a n t b e e nn e g l e c t e d 2 t h ee f f e c t so fg r a v i t yo nt h ef i l l i n gs t a g eo ft h em i c r o i n je c t i o nm o l d i n g p r o c e s s b a s e do nt h es e c o n dd e v e l o p m e n tf o ra n s y sc f x ，t h ee f f e c t so fg r a v i t y o n t h e f i l l i n gs t a g eo ft h em i c r o i n j e c t i o nm o l d i n gp r o c e s sw e r ei n v e s t i g a t e d t h e s i m u l a t i o nr e s u l t si n d i c a t et h a tg r a v i t yi n f l u e n c e st h ef i l l i n gs t a g eo ft h ei n j e c t i o n m o l d i n gt oac e r t a i ne x t e n t w h e nt h ef l o wd i r e c t i o no fm e l ti nt h ec a v i t ya g r e e sw i t h i i i a b s t r a c t t h ed i r e c t i o no ft h eg r a v i t ya c c e l e r a t i o n ，g r a v i t yp r o m o t e st h em e l tf l o wi nt h ec a v i t y , o p p o s i t e l y , g r a v i t yh i n d e r st h em e l tf l o wi nt h ec a v i t y i nm i c r o i n j e c t i o nm o l d i n g p r o c e s s ，t h ee f f e c t so fg r a v i t yc a n tb e e nn e g l e c t e d 3 t h ee f f e c t so fv i s c o s i t yd i s s i p a t i o no nt h ef i l l i n gs t a g eo ft h em i c r o i n j e c t i o n m o l d i n gp r o c e s sw e r ei n v e s t i g a t e d t h es i m u l a t i o n r e s u l t si n d i c a t e t h a tv i s c o s i t y d i s s i p a t i o nh a sh a r d l ye f f e c to nm e l tt e m p e r a t u r eo fc a v i t yi nm i c r o - i n j e c t i o nm o l d i n g p r o c e s sa n dc a nb e e nn e g l e c t e d 4 t h ei n f l u e n c i n gr o l e so fm e l tt e m p e r a t u r e ，m o l dt e m p e r a t u r e ，i n j e c t i o n v e l o c i t y o nf i l l i n gr e s u l t si 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 e s e c o n d d e v e l o p m e n tf o ra n s y sc f x ，t h ee f f e c t so fp r o c e s s i n gp a r a m e t e r so nt h ef i l l i n g s t a g eo ft h em i c r o - i n j e c t i o nm o l d i n gp r o c e s s w e r ei n v e s t i g a t e d t h es i m u l a t i o n r e s u l t si n d i c a t et h a tm e l tt e m p e r a t u r e ，m o l dt e m p e r a t u r eh a v eh a r d l ye f f e c to nf i l l i n g r a t eo fm o l dc a v i t ya tv e r yh i g hi n j e c t i o nv e l o c i t y , h o w e v e r , w h e ni n j e c t i o nv e l o c i t yi s i n c r e a s i n g ，t h ef i l l i n gr a t eo fm o l dc a v i t yi so b v i o u s l yi n c r e a s i n g ；t h ep r e s s u r ef i e l d h a sd e c r e a s i n gt e n d e n c yw i t hm e l tt e m p e r a t u r eo rm o l dt e m p e r a t u r ei n c r e a s i n g ， h o w e v e r , p r e s s u r ef i e l di n c r e a s e sw i t ht h ei n c r e a s i n gi n j e c t i o nv e l o c i t y k e yw o r d ：m i c r oi n j e c t i o nm o l d i n g ；a n s y sc f x ；w a l ls l i p ；g r a v i t y ；p r o c e s s i n g p a r a m e t e r ；t h r e e d i m e n s i o n a ls i m u l a t i o n i v 1绪论 第1 章绪论 随着微成形技术的发展和对高精密微注塑产品需求的增加，微注塑成型技 术在聚合物材料微成形领域得到了迅速发展。微注塑产品以其独特的优点在航 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、军事、微光学器件、生物分析芯片等领域得到了广泛的应用。 由于微注塑成型中模具型腔的尺寸微小，微注射成型机理与传统注射成型 存在很大的差异，传统注塑成型理论及方法在微注射成型中不再适用。因此， 对微注塑成型过程进行研究，获得微注塑成型的机理和成型工艺特性，对微注 塑成型过程的数值模拟及成型工艺优化都具有重要意义。 对微注塑成型过程进行三维模拟，可以有效的预测微制品可能会出现的缺 陷，对微塑制品的实际生产具有重要的指导意义。目前常用的注塑成型数值模 拟软件是基于传统注塑成型理论开发的，在其模拟程序中没有考虑壁面滑移、 表面张力等因素的影响，且软件中所用的材料参数来源于宏观尺度下的测量结 果，如果仍采用传统的模拟软件对微注塑成型过程进行模拟，并不能获得准确 的结果。微注塑成型的理论尚不完善，数值模拟中所用的数学模型还不够准确， 目前能用于微注塑成型过程模拟的软件还未问世。因此，本课题拟在传统注塑 成型数值模拟的基础上，结合现有的微注塑成型理论，考虑微注塑成型中的微 观因素，通过对a n s y sc f x 软件的二次开发，弥补传统注塑成型模拟软件在微 注塑成型模拟方面的不足，实现a n s y sc f x 软件对微注塑成型充填过程的三维 模拟。 1 1 微注塑成型技术的含义及应用 世界各国对微注塑成型的研究在层次和深度上有很大差异，即便对微注塑 成型的研究已有几十年的历史，可微注塑成型技术科学统一的定义还未形成。 很多研究者都是以质量为毫克级或尺寸为微米级的塑件为研究对象。k u k l ac 等 【l j 从微塑件重量和尺寸大小的角度，定义了微注塑成型技术，即微注塑成型是一 种注塑制件重量以毫克( m g ) 为计算单位，制品几何尺寸以微米( 1 a m ) 为度量单位的 成型方法。微注塑成型技术可以成形以下类型的塑件( 如图l 所示) 。 1 1绪论 ( a ) 微齿轮 ( b ) 光纤连接器 嬲绷 r 叫： - 鼍_ 彭 ( c ) 导光板( d ) 可植入人耳的助听装置 图1 1 微注射成型制品 f i g 1 1m i c r oi n j e c t i o np r o d u c t s ( 1 ) 塑件的整体尺寸都达到微米级，重量在几毫克。例如微机械零件、微 型人造器官： ( 2 ) 塑件的整体尺寸较大，但其表面具有微米级的结构特征。例如刻录过 数据的光盘、具有微特征的光学仪器； ( 3 ) 塑件的精度达到微米级。塑件的尺寸可以是任意尺度，但其公差尺度 达到微米级。例如光纤器件、微型芯片等。 微注塑成型技术的概念是个相对的概念，随着科学技术的不断发展，所谓 的微型塑件的外形尺寸、尺寸精度和重量必将向着更高级别的方向发展。 1 2 微注塑成型技术的国内外研究现状 微注塑包括微注塑理论及数值模拟技术、微注塑模具设计制造、微注塑工 艺、微塑件结构设计、微注塑材料、微注塑设备等方面。 1 2 1 微注塑理论 美国奥克兰大学的d g y a o 等通过理论分析和数值模拟的方法研究聚合物 2 1绪论 熔体在微型腔内的流变特性。结果表明，与熔体在宏观尺寸型腔内的流动相比， 模具型腔高度为1 0 9 i n - - - 1 0 0 0 u n 时，型腔内熔体的粘度没有显著的变化，表面张 力的作用也很小，而熔体沿流动方向上的热传导和粘性耗散可以被忽略。但当 微型腔的高度小至几微米时，熔体在微型腔内的流动与常规尺度型腔内的流动 会有很大不同。俄亥俄州立大学的l y y u 等研究认为熔体与壁面间的对流换热 系数是微注塑成型数值模拟中的一个重要参数，不能将其设为一个常数，否则 会影响到数值模拟的精度。韩国浦项科技大学的d s k i m 等通过实验和数值分 析相结合的方法，研究微型腔内熔体的流动特性。结果表明，表面张力是微注 塑成型充填过程中不可忽略的因素。 新加坡南洋科技大学的b x u 等从分子理论角度出发，研究了液体粘度与微 通道尺寸之间的关系。研究表明，与极性液体在常规尺寸流道的流动相比，极 性液体在微流道内流动时，其粘度有所下降。而对于非极性液体，没有这样的 结果出现。尽管分子理论本身的发展尚未完善，学术界对理论研究中采用的分 子模型尚未普遍接受，但它为微流体的流变特性研究开辟了一条新的思路。 1 2 2 微注塑机 微注塑机具有螺杆柱塞和模具尺寸小、最大注射压力和最大注射速度大等 特点，微注塑机和模具的形状如图1 2 ( a ) 和1 2 ( b ) 所示。 由于微注塑成型的机理与传统注塑成型有很多不同，微注塑机的结构和性 能也有别于传统的注塑机。 1 高注射速率 微注塑成型过程中，流道和模腔的尺寸较小，聚合物熔体流动的阻力较大， 且微型腔内的熔体凝结更为容易，故微注塑成型过程中应采用较高的注射速率。 这就要求注塑机的驱动马达可以提供较高的注射速率。在微注塑成型过程中， 注塑机的注射速率一般要达到8 0 0 m s 。 2 精密注射量计算 微塑件的重量和尺寸较小，为了保证塑件的成型质量，微注塑机应具备精 密的计量控制单元，且螺杆或柱塞的行程精度要达到微米级。 3 快速反应能力 微注塑成型过程中喷嘴的注射量微小，注塑机的柱塞行程非常小，因此要 求微注塑的驱动系统具有较快的反应能力，以便注塑成型过程可以顺利实现。 3 1绪论 4 顶出装置 微制品的尺寸较小，传统注塑成型的项出装置不适用于微注塑成型，需要 根据微塑件的结构特征设计独特可行的脱模装置，如精密挚片脱模、吸附脱模。 5 模温控制系统 微模具的温度在充填阶段应快速升高、而在冷却阶段要快速下降，以降低 成型周期和提高塑件的质量。因此，在微注塑机上应配备变模温控制装置。 6 微注塑机关联设备 抽真空设备减少充填过程的流动阻力，避免气穴和烧焦现象的出现。 变模温控制系统使模具温度在充填阶段快速升高，而在冷却阶段又能 迅速降低，以便缩短成型周期和提高成型质量。 微型传感器在微型腔内安置压力和温度传感器，在模腔内设置温度、 压力传感器，以便实现注塑过程的闭环控制。 ( a ) 微注塑机( b ) 模具 图1 2 微注塑机利模具 f i g 1 2m i c r om o u l d i n gm a c h i n ea n dm o l d 1 2 3 微注塑模具设计与制造 由于微注塑成型过程中流道和模腔的尺寸较小，聚合物熔体在流道和模腔 内的流动、冷却、结晶等过程都有别于传统的注塑成型，且微模具配件的尺寸 较小，为了便于装配，必须提高模具加工的精度。在进行微注塑模具设计时， 不仅要考虑微型腔加工方法的可行性，还要考虑微注塑成型过程中有别于传统 注塑的一些影响塑件质量的因素。大量的生产实践证明：在微注塑模具的结构 中增添模具变温系统和抽真空装置可以有效地提高塑件的成型质量。 4 l 绪论 微注塑机所用的模具尺寸较小、加工精度较高，传统的模具加工技术已经 不能满足微注塑模具加工的需要。微型模具制造的难度在于对微小的型腔的加 工，完成这样高难度的模具加工需要微型机械加工技术。微型机械加工技术是 一种微细加工技术，它对微电子工业而言就是一种加工尺度从微米级到纳米级 的制造微小尺寸器件的先进制造技术。在微型模具加工领域，微细加工技术发 挥着越来越大的作用。常用的微细加工技术及其加工特点如表1 1 所示。 表1 1 微细加：i ：技术及其特点 t a b 1 1m i c r o f a b r i c a t i o nt e c h n i q u ea n dc h a r a c t e r i s t i c 1 2 4 微注塑材料 大部分聚合物材料都可以用于微注塑成型，但由于微注塑成型过程中型腔 内的熔体流动阻力较大，尽量选取流动性较好的材料。目前应用较多的聚合物 材料包括聚丙烯( p p ) 、聚甲醛( p o m ) 、聚碳酸酯( p c ) 、聚甲基丙烯酸甲酯 ( p m m a ) 、尼龙( p a ) 、液晶聚合物( l c p ) 、聚醚酰亚胺和硅橡胶等。 1 2 5 微注塑数值模拟 微注塑成型过程的三维模拟，可以准确的预测微塑制品实际生产中可能会 出现的缺陷，对优化微模具结构、制定合理的工艺方案具有重要的指导意义。 由于微注塑成型理论尚不成熟，用于数值模拟的数学模型还不够准确，且 缺乏微尺度下聚合物熔体的流变特性等相关数据，目前用于微注塑成型模拟的 商业软件还未问世。先前对微注射成型过程的模拟大多采用传统注塑成型模拟 软件，分析的结果误差较大。 对于微注塑成型数值模拟，现有的模拟软件不能充分地描述微注塑成型中 所有的影响因素，即它们忽略了一些微尺度效应如壁面滑移、微观粘度、表面 张力、重力、粘性耗散等现象【2 ，3 】。 研究结果表明，传统注塑模拟软件在一定程度上可以预测微注塑过程，但 5 l绪论 存在与实验结果不相符的现象，其原因主要如下。 ( 1 ) 网格划分。现有的传统注塑数值模拟软件都是针对常规尺寸型腔中熔 体充模流动问题开发的，当微结构尺寸与塑件整体尺寸相差较大时，传统的网 格划分技术会使网格出现畸变，从而导致模拟结果的不准确。 ( 2 ) 传统的注塑模拟软件未考虑微尺度效应，并不能准确描述微尺度下熔 体的流动行为。 ( 3 ) 传统注塑成型模拟软件中采用的流变学数据是在常规尺度条件下测出 的，并不能准确描述微尺度条件下的材料属性。 1 2 6 微注塑工艺 由于微注塑成型的机理与传统注塑成型有很大差别，其工艺参数的设置不 能沿袭传统注塑成型的经验和规律。目前微注塑成型理论的发展还有待于完善， 其相应的数值模拟技术还处于探索研究阶段，要获得较好的工艺参数设置，还 主要靠微注塑成型实验。由于微制品的尺寸较小，考察对象的选择有一定的局 限性。先前的研究者大多选择型腔的填充率、微制品的表面质量和微制品的内 部结构作为研究对象。 x i e l e i ，z i e g m a n ng e r h a r d 等1 4 分别采用专用的商业软件m o l d f l o w 和通用的 c f d 软件c o m s o lm u l t i p h y s i c s 对微注塑成型中熔接痕的形成过程进行模拟。结果 指出，用于传统注塑成型的专用模拟软件m o l d f l o w 具有很大的局限性：首先， 它不能准确的描述微注塑成型的流动过程；其次，在模拟微注塑成型的过程时 不能考虑表面张力因素。而通用的c f d 软件在用户新定义功能上具有很大的灵活 性，可以很准确的模拟微注塑成型过程。 a t t i a ，j e f f r e yr a l c o c k t 5 】采用实验设计方法，研究熔体温度、模具温度、保 压压力、注射速度、冷却时间五个工艺参数对微制品复制质量的影响。结果表 明，熔体温度对微制品复制质量具有显著影响。 卢振，张凯锋1 6 】设计并制作了微注射成形模具，并采用光刻、离子蚀刻工艺相 结合的方法在硅片上制得了微零件型腔、流道及浇口。利用该模具在微型注射 机上进行了聚丙烯材料的微注射成形实验，注射成形了微结构零件及独立的微型 零件，其中最小微结构部分是直径为5 0 “m 的微圆柱，最小独立的微型零件是直径 3 0 0 i ，t m 、厚度3 0 0 1 a m 的微圆片。分析了模具温度、注射压力及保压时间对微注射 成形的影响，其中模具温度影响最大，注射压力、保压时间的影响次之。 6 1 绪论 h u a n g y al i n 等f 7 】采用数值分析和实验的方法研究工艺参数对聚合物熔体 在纳米级型腔内充填的影响。在数值分析时，采用修正的充填数学模型。同时 用实验来验证和修正充填数学模型，以便得到更准确的模型。 y u c h u a ns u ，j a t a ns h a h 等f 8 】通过模拟和实验的结合的方法，优化微注塑成 型的工艺。研究指出，模具温度应高于聚合物的玻璃化转变温度，以便降低填 充阶段熔体的粘度：较长的填充时间和较低的注射压力可以减小残余应力；微 型腔最好抽为真空状态，以免气穴的出现。 g t o s e l l o a g a v a h n h a n s e n g l u c c h e t t a l 9 】采用熔接痕作为流动标记， 追踪熔体流动前沿的移动情况。同时采用实验设计方法来研究工艺参数对微型 腔充填的影响。结果指出，模具温度和注射速度是微注塑成型过程中起重要影 响的因素。 c y k h o r ，m a b d u lm u j e e b u 等i 旧】通过三维模拟和实验来研究微注塑成型。 研究采用f l u e n t 软件来检验c r o s s 粘度模型的准确性，使用控制体积法追踪熔 体前沿。结果指出，熔体温度在2 0 0 - - 2 6 0 ，剪切速率在1 0 0 一- 1 0 0 0 0 s _ 时，成 型过程较好。 m i n g s h y a nh u a n g c h e n j u n gl i 等【ll 】通过实验得出：模具温度、保压压力、 注射速度对微注塑成型制品的尺寸特性具有重要影响。 m s a h l i ，c m i l l o t c r o q u e s c a r m e s 等t 1 2 】以p p 为原料分别用注塑方法和模 压方法在相同的微型腔内成型微塑件，进而比较两种方法所得到制品的复制质 量。注塑成型采用恒定的熔体温度和模具温度，而热模压成型使熔体温度接近 聚合物软化温度。结果指出，通过优化热模压成型的工艺条件，可以获得与在 不同工艺条件下注塑成型一样的塑件质量。通过比较两种微成形的工艺条件， 可以说明在选用最佳成型工艺时，采用热模压成型方法生产微米级甚至纳米级 制品是可能的。 t h a mn g u y e n c h u n g 等 1 3 】通过确立可压缩充填阶段依赖于压力的粘度模型 和热传递系数，来分析微型腔的充填工艺。结果指出，随着型腔厚度增加和注 射速度的增大，热传递系数降低。型腔内的压力水平是引起熔体与模具间热传 递的主要原因。一个与压力有关的热传递系数模型能有效提高模拟的准确性。 j z h a o ，x u e h o n gl u ，y uc h c n 等【1 4 j 通过实验来研究一种新型结晶型聚合物 的特性，并研究该材料在微注塑成型过程中对制品精度的影响。实验表明，在 p c 材料中添加质量分数为2 的加工助剂，聚合物熔体的粘度显著地降低，在微 7 l绪论 型腔内的流动特性明显的改善。 m c s o n g ，z l i u 等【l5 】通过正交实验和数值模拟来研究不同工艺参数( 注射 速率、注射压力、熔体温度、注射计量、制品厚度) 对成型薄壁制件的影响。 结果指出，制品厚度是成型过程中起决定作用的因素，注射计量和注射速率是 成型过程中主要的影响因素，提高注射速率可以大幅提高型腔的填充率。熔体 温度和注射压力虽然是次要的影响因素，但在微注塑成型过程中较高的熔体温 度和注射压力也是必要的。 c a g r i f f i t h s ，s s d i m o v ，e b b r o u s s e a u ，r t h o y l e 埔j 通过实验研究型腔 表面粗糙度对微注塑成型过程中熔体流动的影响。实验采用三种不同的聚合物 材料p p 、a b s 和p c ，微型腔采用相同的形状，但型腔表面采用不同的抛光度。 实验通过改变熔体温度、模具温度和注射速度来研究型腔表面粗糙度对熔体流 长和制品质量的影响。结果指出，与a b s 、p c 相比，工艺参数和型腔表面粗糙 度的改变对p p 流长的影响并不明显。型腔中熔体以湍流形式流动与型腔表面的 粗糙度有关。熔体在微型腔内的滑移粘附效应与型腔表面的粗糙度没有明显的 关系。在一些a b s 、p c 材料的制品上有明显的流痕线，这是因为较低的模具温 度和较高的注射速率会导致较高的剪切应力，从而引起注射阶段滑移粘附效应 的发生。 b s h a ，s d i m o v ，c 掣 】通过实验研究料简温度、模具温度、注射速度、制 品上微特征间距离等因素对微成型的影响。结果指出，提高料筒温度、模具温 度、注射速度可以增大聚合物熔体在型腔内的填充率。尽管这样，在特定的条 件下，对于不同的聚合物材料，这些因素对制品复制能力的影响并不是始终不 变的。改变微特征间距离并不影响型腔内熔体的填充。 c a g r i m t h s ，s s d i m o v ，e b b r o u s s e a u 等f l8 l 采用不同的模板表面处理 方法进行脱模，研究这些方法对微特征脱模后形状的影响。结果表明，对模板 表面进行处理可以显著地减小脱模力。微成型脱模中聚合物材料的性质是选择 模板处理方法的重要考虑因素。对脱模行为的实验研究和模拟应该领先于工具 的制造。 l e ix i e ，g e r h a r dz i e g m a n n 等【1 9 】通过微样条的拉伸试验，研究熔接线的横截面 形状对其强度的影响。研究表明，横截面形状不同时，熔接线的强度是不同的。 横截面形状为正三角形时，熔接线的强度最大，梯形次之，半圆形最差。注射 压力较大时，不论熔接线横截面的形状如何，其强度均较低。当熔接线的横截 8 1绪论 面形状为正三角形时，提高熔体温度、模具温度可以改善熔接线的强度；然而 对其它两种形状的截面，模具温度和熔体温度的提高对其熔接线强度的提高起 到负面效应。 l e ix i e ，g e r h a r dz i e g m a n n l 2 0 】选用p p 材料，通过正交实验研究微注塑成型过 程中工艺参数对熔接线物理性能的影响。结果表明，工艺参数对熔接线物理性 能的影响程度由大到小顺序为：模具温度、熔体温度、注射速度、喷嘴温度、 保压压力、注射压力。 u s a m am a t t i a j e f f r e yr a l c o c k ( 2 i 】采用筛选半因子实验方法研究五个工艺参 数( 模具温度、熔体温度、注射速度、保压压力、注射时间) 对微塑件质量的影响。 结果表明对于不同形状的塑件保压压力是成形过程中最重要的影响因素。此外， 塑件的形状对确定起关键作用的因素也有一定的影响。对一个较复杂的制件， 注射速度和模具温度具有统计学意义。 c h u n s h e n gc h e n 。s h i a - c h u n gc h e n 等1 2 2 】通过实验研究微注塑成型过程中所 选聚合物材料及注塑工艺条件对微特征复制精度的影响。实验选用c o c 、p c 、 p m m a 和p s 等作为注塑材料。实验表明，随着模具温度、熔体温度、注射速度 和保压压力的升高，所成型的微特征的尺寸精度得到提高。由于c o c 具有粘度 较低和收缩各向同性的特点，其成型的微特征复制精度较高。在特定的成型条 件下，p s 材料塑件的复制精度也能满足要求。 h y e j u ，e o mk e u np a r k l 2 3 】通过电磁感应局部加热模具，研究这种方法的加热 效率及对微制品复制率的影响。同时进行电磁领域的综合数值分析、瞬态热传 递分析和型腔充填模拟。结果指出，随着加热时间的增大，微制品的复制率从 7 增大到8 2 。这说明这种局部加热模具的方法是十分有效的，可以用于以后 的微注塑成型研究。 c a g r i f f i t h s ，s b i g o t ，e b r o u s s e a u 等【2 4 】研究在微注塑成型过程中使用聚 合物镶件的可行性。结果指出，p e e k 材料的镶件对成型熔体温度较低的p p 塑 件没有明显的影响，但却使p c 和c o c 材料塑件的变形和表面粗糙度增大。尽 管这种镶件对成型质量较好的塑件有一定的负面效应，但在特定条件下，所成 型的塑件是可以满足要求的。 l e ix i e ，s t e f a nk i r c h b e r g 等【2 5 j 将c n f s 和t i 0 2 以l ：l 的比例混合得到纳米 碳纤维，并将其以一定的质量分数( 1 0 、2 0 、3 0 、3 5 ) 与熔融的p p 均匀 混合。通过微注塑成型得到微拉伸样条，并进行拉伸试验测试不同样条熔接线 9 1绪论 的强度。与材料为纯p p 的样条相比，含有纳米碳纤维的样条的抗拉强度和延伸 率降低，但弹性模量e 变大。且随着碳纤维质量分数的增大，样条的抗拉强度 和延伸率降低，而弹性模量e 显著地增大。 l e ix i e ，g e r h a r dz i e g m a n n 2 6 j 通过实验研究不同尺寸的浇1 2 1 对微注塑成型塑 件的熔接线强度的影响。实验选用聚合物p p 和高密度的h d p e 为注塑材料。四个 浇口的尺寸分别为n i ( 1 5 x 0 1x 0 5 m m ) 、n 2 ( 1 0 x 0 1 0 5m m ) 、n 3 ( 1 0 x 0 0 5 x 0 5 m m ) 、n 4 ( 0 5 x 0 1 o 5m m ) 。结果指出，当材料为p p 时，随着注射压力和模 具温度的变化，n 3 对应的注塑样条的熔接线的强度最大，n 2 对应的样条的强度 次之，n 1 和n 4 对应样条的强度最小。当材料为高密度的h d p e 时，无论工艺参 数如何变化，n 3 对应的样条强度最大，n 4 次之，n 2 最小。 l e ix i e ，g e r h a r dz i e g m 猢等1 27 j 通过实验研究超声波振动对微注塑样条强度 的影响。方案一：从注射开始到保压结束这一阶段施加超声波振动；方案二： 从注射开始到塑件脱模这一阶段施加超声波振动。结果表明，方案一对成型样 条强度的增大作用更明显。同时通过对比可得：当超声波的振动功率较小时， 样条强度的增强效果最好。 布加勒斯特大学的t i c l a n z a n ，i s e r b a n ，d r o t a r , v t u l 2 8 】通过实验证明超 声波振动可以对微注塑成型过程起到激活作用，有利于减少注塑件的缺陷。 l e ix i e ，m o n i k al e e s t e r s c h a d e l 等【2 9 j 将功能薄片镀在塑件表面，研究薄片对 塑件熔接线强度的增强作用。实验选用铝和镁两种材料作为功能薄片，薄片的 厚度为4 0 0 n m 、6 0 0 n m 、8 0 0 n m 。结果表明，三种厚度的铝和镁薄膜均可以增强 聚合物样条的强度和刚度。但当薄片的厚度增加时，薄片和聚合物间减弱的粘 附作用使薄片对塑件物理特性的增强作用变弱。这是因为，在高温条件下，长 时间的曝光使聚合物发生降解。 v i l l em i i k k u l a i n e n ，m i k as u v a n t o 等【3 0 l 为了增强微塑件的表面特性，在电镀 成型的模具镍嵌件上沉积钼和钨的原子层。结果指出，钼和钨的沉积层使熔体 的与型腔壁间的摩擦力减小，且使熔体的抗污染性增强。 h l z h a n g 等p lj 通过实验研究模具表面粗糙度对微注塑成型过程中熔体流 动的影响。结果表明，模具表面粗糙度的确会对聚合物熔体在微型腔中的流动 产生阻碍作用。在一定的注射速度范围内，注射速度的改变并不能改变模具表 面粗糙度对熔体流动的阻碍作用。模具温度的升高可以减弱模具表面的粗糙度 效应，而熔体温度在允许范围内的改变可以显著地影响模具面的粗糙度效应。 1 0 1绪论 a s c h ak u h n a u g u s tb u r r 等【3 2 】通过数值模拟和实验相结合的方法研究工艺 参数对微特征成型的影响。结果表明，通过变模温控制系统改变模具温度，可 以验证论文中所用p o w e r - l a w 模型的j 下确性。 b s h a 以及a c l i o u 与r h c h e n 等【3 3 】都研究了塑化温度、模具温度、注射速 度、保压压力等工艺参数对高深宽比微结构填充性能的影响，研究表明对于不 同的材料以上工艺参数的影响程度不同，总体来说模具温度、注射压力、保压 压力是影响微结构部分成形性能的最关键因素。 张凯锋【3 4 】通过实验分析了模具抽真空对微结构的充填、尺寸精度及表面质 量的影响。实验分析发现若注射前模具不抽真空，无论如何改变模具温度和注 射压力，都无法得到完整的微结构。因此，对于带有高深宽比的微盲孔，注射 前模具必须进行抽真空。另外，残留的空气会导致填充不满、烧蚀、表面粗糙、 中空等缺陷。 b s h a ，s d i m o v 等1 3 5 j 在研究中指出，抽真空可以提高微零件的成形质量，不 过抽真空同时会降低微流道的表面温度从而不利于熔体的填充，特别是对于一 些模具温度敏感的材料，如p o m 。 尽管国内外的研究者已做了大量的实验研究工作，但所得的结论并不完全 相同，甚至有相反的结论出现。因此，对于微注塑成型工艺参数的优化研究还 任重道远。 1 2 7 微注塑成型亟待解决的问题 ( 1 ) 微注塑成型理论有待于完善，尤其是壁面滑移机理。 ( 2 ) 聚合物材料在微尺度下的流变学数据亟待准确测量。 ( 3 ) 微小型腔加工的微细加工技术还不够成熟，适合三维微小型腔的微细加工 技术，尚待研究。 ( 4 ) 微注塑成型数值模拟的准确数学模型有待于创建。 ( 5 ) 能够准确模拟微注塑成型过程的专业软件有待于开发。 ( 6 ) 微制品的内部形态结构有待于深入研究。 1 3a n s y sc f x 软件 a n s y sc f x 软件是全球第一个在复杂几何、网格、求解这三个c f d 传统 1绪论 瓶颈问题上均获得重大突破的商业c f d 软件。借助其独一无二的，有别于其它 c f d 软件的技术特点，c f x 引领着新一代高性能c f d 商业软件的整体发展趋势， 成为全球首个通过i s 0 9 0 0 1 质量认证的商业c f d 软件。目前，c f x 软件已普遍 应用于航空航天、能源、石油化工、机械制造、汽车、生物技术、旋转机械、 水处理、火灾安全、冶金、环保等领域，为全球很多用户解决了大量实际问题。 本文之所以采用a n s y sc f x 软件来进行微注塑成型充填模拟，是因为该软 件有以下几种优点。 第一，a n s y sc f x 强大的建模和网格划分能力。a n s y sw o 砌e n c h 集 a n s y s 、a n s y si c e mc f d 、a n s y sc f x 的一流网格划分技术与一身，综合 多种算法的优势，为用户提供了一种智能的、灵活且鲁棒的网格划分能力。 a n s y sw o r k b e n c h 在创建微小几何模型方面具有很大的优势，可以满足微 米级几何模型的创建和微米级精度网格的划分。 第二，a n s y sc f x 强大的二次开发能力。c f