注射速度对制品性能的影响.docx

1、注射速度对制品性能的影响注射速度对注塑成型充填过程及制品形态结构的影响摘要：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。本文主要综述了注射速度对注塑成型充填过程及制品形态结构的影响。关键词：微注塑成型 注射速度 MOLDFLOW 壁面滑移

2、形态结构1 微注塑加工技术的国内外研究概况微注塑加工技术主要包括微注塑成型理论、微注塑成型数值模拟和微注塑成型工艺三个方面。1.1 微注塑成型理论美国Oakland University的Yao D G等1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lOOim时也不太

3、明显。大连理工大学的徐斌等2基于微尺度效应对壁面滑移的影响,修正了Hatzikiriakos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微注塑成型数值模拟Gava A等3为了研究Moldflow软件是否能准确的适用于微注塑成型的充填模拟过程,采取了 熔接痕法。该法通过2D与3D网格相结合的方式对微结构模型模拟,用俩者获得的熔接痕位置和实验结果进行对比。结果之前的传统2D网格划分不能准确描述熔体在微结构中的流动,主要是因为微尺度表面影响和微尺度流变行为未被考虑。尽管3D网格划分后的模拟结

4、果和实验值相对比较相近,但是依然存在着比较大区别。当把宏观条件下的流变数据与对流换热系数变成微观值时,此时的模拟结果和实验值更加接近。吕静等4对两种熔体的二维等温共挤出过程开展了数值模拟,该模拟考虑了壁面滑移边界条件的影响,采用的软件是聚合物熔体计算软件POLYFLOW。整个研究分为双螺杆条件下的壁面滑移系数相同与不同两种情况,然后运用数值方法计算不同情况下的三维等温流场,通过粒子运动轨迹的可视性模拟,详细的讨论了壁面滑移系数对螺杆挤出成型的影响。唐俊、李又民、魏玉新等5-8为了研究微注塑中熔体充填过程的影响因素,例如熔体粘度变化、表面效应、粘性耗散及对流换热系数等,采用Polyflow模拟软

5、件展开了研究。研究结果显示:当熔体的流道尺寸非常小,尤其是小于几十微米时,必须对传统经典的Cross-WLF七参数粘度模型进行修正,此时就可以获得微观条件下的粘度模型,它对微流道中熔体的充填过程表征更加准确。同时,在传统宏观注塑中被忽略掉的壁面滑移在微观条件下有利于熔体的充填流动;在微注塑成型中,粘性耗散与对流换热系数的影响要比在宏观条件下大得多。从以上分析可以看出,研究学者对微注塑加工的数值模拟的研究还不够成熟,得不到一致的结论,尽管学者们已经做了很多研究工作,但是对于微观条件下制品的成型机理和成型工艺条件等诸多方面,尚未达成统一的科学认识,有些结论甚至是相悖的。因此,如果一方面能够深入的探

6、索微观条件下聚合物熔体的流变行为,进而获得流动充填过程中各种影响因素的作用机理;另一方面,基于科学的数学模型,加上合理的假设和边界条件,运用已有的模拟软件,划分时采用灵活的网格划分方法和数值算法,也应该是一种解决数值模拟所面临复杂问题的有效方法。1.3 微注塑成型工艺哈尔滨工业大学的卢振,张凯锋等9设计并制造了一个微注塑成型模具,并在光刻与离子蚀刻的技术支持下,在硅片获得了微部件型腔、流道和饶口。最后在微成型注塑机上进行了微注塑成型实验,材料选取聚丙稀材料。这次试验获得的最小微结构部件是一个微圆柱,直径为50um研究结果也显示了模具温度、注射压力及保压时间对微注塑成型的影响,其中影响最大的工艺

7、参数是模具温度,其次是注射压力、保压时间。Wu等10研究了包括注射速度、熔体温度、模具温度和保压压力在内的工艺参数对微注塑扩散泵质景的影响。研究结果表明:注射速度是对熔接缝强度的影响最大的工艺参数,接下来依次是模具温度、保压压力和熔体温度。此外,一些结果表明,模具温度是提高制品质量最重要的工艺因素;但另一些结果却显示,注射速度、熔体温度与保压压力才是最重要的工艺因素。研究结论出现不同甚至出现相悖。这说明微观条件下对制品工艺过程的研究还有待提高,而研究微注塑成型过程中的成型机理,明显有利于改进制品的工艺参数设置。3微注塑成型充模流动的数学模型基于粘性非牛顿流体力学的基本方程,再借鉴于传统注塑成型

8、熔体充填过程控制方程的推导途径,根据聚合物流变学理论,熔体的流动可视为广义牛顿流体不可压缩、非等温的稳态层流。若忽略入口效应,熔体在微通道中的流动可近似为完全发展流动,故提出以下几点假设:3.1微注塑充模的基本假设与简化(1) 熔体是不可压缩的,不考虑粘弹效应。(2) 熔体CP的与是常数。(3) 熔体中不含热源,忽略熔体前沿附近区域喷泉效应的影响。(4) 设熔体在型腔壁面处沿流动方向上产生壁面滑移现象,即VW=VS,VW为壁面处熔体的速度,VS为熔体在壁面处的滑移速度。(5) 忽略惯性力和重力影响,同时也忽略表面张力和动电效应的影响。3.2微注塑成型充模的控制方程考虑到将微观滑移因素加入微注射

9、的流动模型中,基于以上部分假设,推导出微注塑成型中熔体充模流动的控制方程。(1)连续性方程 式中,V是熔体速度。(2) 运动方程 式中为熔体密度, 为熔体压力, 熔体所受剪切应力,g为重力加速度。(3) 能量方程 其中Cp、 T、 t、 、分别是比定压热容、熔体温度、时间、熔体导热系数、熔体粘度及熔体剪切速率。4注射速度的数值模拟Liou 11在恩格尔Victory28型微注塑机上进行了注射速度的单因素实验,成型翅片厚度分别为1000um和500um的两种微制品,工艺参数经过反复的调试,获得了充填完整,质量良好的制件,同时记录并处理了实验过程中的注射压力曲线等数据,得到注塑过程中最大注射压力与

10、流率之间的关系图。在MOLDFLOW中按照实验条件进行工艺设置并模拟,获得浇口与翅片横截面处剪切速率最大值,并计算出翅片横截面的壁面剪切应力。研究表明:由模拟结果得到的翅片壁面剪切应力和饶口剪切速率值巳经超出材料剪切应力极限值,但是微注塑实验获得的制件依然完整,质量良好,在实际注塑成型过程中,如果剪切应力超过发生滑移的剪切应力临界值,那么在熔体在流道充填过程中就会发生壁面滑移。张世勋等12为了准确模拟聚合物熔体在型腔中的流动及前沿位置和形态!建立了熔体气体两相流流动模型!构造了熔体流动的黏弹性本构关系!并采用水平集方法预测和跟踪熔体流动前沿模拟了熔体在低速、中速、高速条件下的流动状态和充填模式

11、!分析了高速微注射成型中气孔产生的原因和可能出现的位置!开展了实际产品的高速微注射成型实验!比较了模拟结果和实验结果。微注射成型的充填初期熔体的速度高惯性大熔体以喷射的方式流入较大空腔由于微成型制品尺寸较小熔体快速喷至型腔末端并开始堆积形成反向充填随着流动阻力的增大熔体流动速度降低熔体流动又转向常规的顺序充填$反向充填与顺序充填的熔体前沿在汇合处包裹空气形成气孔。5 注射速度对制品形态的影响蒋壮强13以微注塑成型的微制品的翅片为研究对象,利用偏光显微镜观察翅片流动方向切片的皮芯结构。结论如下:微注塑成型中,剪切作用变得明显,iPP制品的内部形态结构出现了不同于传统注塑制品的三层皮芯或无芯结构,

12、随着注射速度的升高,芯层的厚度减低,甚至消失。注射速度对微制品的形态结构有着重要的影响。刘岩14认为裹气的形成与注射速度有密切关系当注射速度较低时&惯性力比黏性力小熔体处于顺序充填模式全部气体从分模面排出不会形成裹气只有当注射速度足够大时惯性力才大于黏性力形成喷射也只有喷射足够强时熔体射到底部后才能持续堆积&形成反向充填&与后续顺序充填的熔体汇合形成裹气同时位于浇口一侧的反向充填(顺序充填速度均高于其他位置&反向充填速度越高越易于形成锯齿状的流动前沿产生较大的孔隙也易于与后续高速顺序充填的熔体在边界处汇合形成空腔从而包裹其中的气体&形成气孔因此只有高速注射时熔体才能改变顺序充填模式在反向充填与

13、顺序充填最前端的前锋面处形成裹气采用本研究方法模拟的气孔位置与实际加工的气孔位置基本一致，然而&=由于本研究数学模型中没有考虑气体的可压缩性及计算熔体密封气体之后的充填及保压阶段熔体持续流动产生的气孔变形，所以模拟的气孔形状与实际结果有差异。6 总结及展望6.1总结1、在高速微注射成型的充填初期熔体的速度高惯性大熔体以喷射的方式流入较大空腔由于微成型制品尺寸较小$熔体快速喷至型腔末端并开始堆积形成反向充填随着流动阻力的增大熔体流动速度降低熔体流动又转向常规的顺序充填$反向充填与顺序充填的熔体前沿在汇合处包裹空气形成气孔。2、进行了注射速度的单因素实验,分别成型厚度为1000pm和500pm的两

14、种微制品,得到注塑过程中最大注射压力与注射速度之间的影响关系,并在MOLDFLOW中对相应实验条件进行模拟,计算出翅片壁面处的剪切应力;最大壁面剪切应力的计算值大于iPP材料的临界剪切应力值,推断出实际的微注塑成型流动过程中,会产生壁面滑移现象。6.2展望1、微成型注塑过程中参数的测量。成型实验中很多参数的测量不够准确,很多需要的数据都是通过间接运算,而不能直接进行测量,下一歩的实验中,需要对测量点的温度、压力等进行直接测量。2、目前还没有针对微注塑成型过程的商业化软件,采用ANSYSCFX 二次开发对微注塑成型的模拟也只考虑了壁面滑移和微观粘度,还有许多微观效应的影响没有考虑,数值分析还有很

15、多问题需要更详尽的分析。参考文献1 Yao D G, Kim B. Simulation of the filling process in micro channels for polymeric materialsJ. Micromesh. Microeng, 2002, 12(5): 604-610.2徐斌,于敏杰,丁同敏等.微尺度效应对聚合物熔体壁面滑移影响的研究J.材料工程,2008, 10: 16-20.3 Gava A, Tosello G, Hansen H N, et al. A new approach for the validation of filling simul

16、ations in micro injection mouldingJ. Mater. Proc. & Des. , 2007, 908(1): 307-312.4吕静,陈晋南.双螺杆挤出中粒子运动轨迹的可视化模拟J.计算机与应用化学,2003,20(3): 455-459.5唐俊.微注射成型充模流动中熔体粘度和壁面滑移的研究D.硕十学位论文.大连:大连理工大学,2008.6徐斌.微注射成型充模理论模型与数值模拟D.硕士学位论文.大连:大连理工大学2005.7李乂微注射成型充模流动理论建模与模拟分析D.硕十学位论文.大连:大连理工大学,2005.8魏卫新.微注射成型充模流动中粘性耗散与对流传热

17、研究D.硕士学位论文.人迮:人迮理I:人学,2006.9卢振,张凯锋.微结构与微型零件的微注射成形J.中国机械工程,2007, 18(15):1865-1876.10 Wu C H, Hsu W C. Fabrication of injection molded diffiiser micropumpsJ Micro and Nanotechnol, Master Proc Packag Systems II , 2005, 5650(5): 313-323.11 Liou A C, Chen R H. Injection molding of polymer micro-and sub-micron structures with high-aspect ratiosJ. Int J Adv Manuf Technol, 2005, 9(3) 28: 109712张世勋，曹伟等. 高速微注射成型中熔体充填模式及裹气机理研究J.中国塑料，2012（1）13蒋壮强.微注塑成型充填过程二维数值模拟D.硕士学位论文.郑州:郑州人学,2011.14刘岩.注塑成型聚丙烯制品的形态演化研究D.硕士学位论文.郑州:郑州大学,2011. （注：可编辑下载，若有不当之处，请指正，谢谢!）