李洹

(新鄉(xiāng)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，河南 新鄉(xiāng) 453000)

微注塑充模流動過程熔體黏度影響規(guī)律的數(shù)值模擬

李洹

(新鄉(xiāng)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，河南 新鄉(xiāng) 453000)

在微注塑充模的過程中，相比宏觀塑件，塑料熔體在不斷的剪切速率下其流動受到極大的影響?？刹捎貌扇×黧w的分析軟件Fluent，對微注塑在充模過程中的黏度進(jìn)行分析。從塑料熔體黏度的分布情況結(jié)果中顯示，微尺度可降低熔體黏度。

微注塑充模；熔體黏度；數(shù)值模擬

1 引言

微注塑的充模過程是一個非穩(wěn)態(tài)、非等溫的傳熱過程，聚合物熔體溫度、壓力、剪切速度等都會導(dǎo)致充模過程出現(xiàn)許多變化，而流體的流動會直接對塑料產(chǎn)品的內(nèi)部質(zhì)量造成影響。因塑料件尺寸小，在微注塑充模的過程中，會產(chǎn)生很大的影響，造成在宏觀上的差別。在注塑成型的模擬中，其結(jié)果和材料性質(zhì)有關(guān)，至關(guān)重要的還是成型黏度。

本文采用流體的分析軟件Fluent，對成型黏度的規(guī)律進(jìn)行分析，從中獲得流動速度、溫度、壓力相關(guān)數(shù)據(jù)，并對所得資料進(jìn)行探究。

2 建立模型

2.1 建立黏度模型

宏觀模型中，黏度模型可以反映在高速率下呈現(xiàn)的假塑性行為，還可以反映低速率下呈現(xiàn)的牛頓行為。塑料的熔體大多都是非牛頓流體，其模型的表達(dá)式為：η=ηx+η0-ηw/[1+(λу)2]1+n/2。

在此式中：ηx是無窮的剪切黏度；λ為材料特征時間；у表示剪切的速率；n意為非牛頓指數(shù)。

本文主要采用ABS速率做實驗，其中，η0=3 796Pa·s，而λ= 0.002，n=0.025。

在模擬制作宏觀黏度模型對比之時，仔細(xì)對微尺黏度進(jìn)行研究，看其對充模流動會有怎樣的影響。

2.2 建立模擬模型

選擇微型階梯截面的管道作為實驗?zāi)Ｐ?，如圖1所示的尺寸最為適合。

圖1 微型階梯管模型

建立軸對稱模擬圖形，利用四邊形的結(jié)構(gòu)對其進(jìn)行劃分。邊界剪切速率大，在近壁部分，應(yīng)當(dāng)提升計算的精確程度。在壁面部分，網(wǎng)格的密度較大，在中心軸線部分密度小，在階梯部分中，需要對網(wǎng)格加密。

注塑時，塑料熔體是從左端流入，然后從右端流出，在入口處設(shè)置壓力入口，出口處設(shè)置壓力出口，其他部分為邊界。將熔體的溫度設(shè)置到150℃，在微型注塑之時，熔體在流動時會產(chǎn)生阻力，造成散熱效果加大。注塑的壓力相比宏觀注塑還高，將其設(shè)置成12MPa，這時模具溫度為70℃。

網(wǎng)格面積較小，在計算上要求較為精確。在Fluent中，可采用精確解算器，來將數(shù)值精確計算。在注塑的過程中，低壓不能壓縮流動，需要使用壓力求解軟件進(jìn)行解答。ABS塑料的熔體黏度，在剪切速率的變化中，依然會加大，使迭代計算極不平衡，在此情況下應(yīng)將控制方程和變量設(shè)置成最小值。

3 模擬結(jié)果和分析

采用宏觀、微尺度的黏度模型進(jìn)行模擬，結(jié)果如圖2所示。

圖2 宏觀和微尺度黏度模型圖

在微通道中的粗截面和細(xì)截面的折中位置，對其黏度進(jìn)行分析。從分析中得知，截面的中心到壁面的黏度呈現(xiàn)遞減的趨勢，速度也在逐漸下降。微尺度的黏度模型中，熔體的黏度相對較小。在聚合物熔體中為假塑性的流體，在剪切過后會逐漸稀化。

熔體在流動之時，切應(yīng)力瞬間加大，剪切速率也隨之增加，所以在近壁面中，稀化黏度會相比截面中心小。熔體中的分子在加熱狀態(tài)下，粘結(jié)作用會逐漸加強，高分子鏈與此同時也會遭到破壞，重纏結(jié)分子逐漸變少，也會導(dǎo)致黏度變小。

細(xì)橫截面和粗橫截面之間的黏度有較大的波動出現(xiàn)，在此階段中，切應(yīng)力有較大的變化。熔體做層流動，在沒有發(fā)生阻力之前，一直保持著良好狀態(tài)流動。在高速剪切之下，黏度發(fā)生巨大變化，才會有此類現(xiàn)象出現(xiàn)。

4 結(jié)語

宏觀和微尺度黏膜模擬相比，在進(jìn)行微尺度的模型模擬時，熔體的黏度在逐漸減緩，熔體的流動速度卻是相對增加。越是接近壁面，溫度就會增加，壓力總體沒有變化。從這種意義上而言，微尺度的熔體變化，對微注塑的成型是有很大幫助的。

對微注塑的流動理論探索，為微注塑工藝的發(fā)展奠定了基礎(chǔ)，在微注塑模具的設(shè)計、成型工藝的參數(shù)中，都提供了專業(yè)的數(shù)據(jù)分析，對傳統(tǒng)工藝進(jìn)行改善，建立更加完善的工藝體系。

[1]康紅梅,張萌,徐林紅等.微注塑充模流動過程熔體黏度影響規(guī)律的數(shù)值模擬[J].機械設(shè)計,2013,30(9):82-85.

[2]李春千.微尺寸下聚合物熔體充填過程的研究[D].鄭州大學(xué),2011.

[3]鄭輝.超聲波輔助微注塑方法及工藝研究[D].天津大學(xué), 2011.

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1003-5168(2014)03-0117-01