蔣 晶，姜瀟桐，張康康，李 倩*, 劉國(guó)際

(1.鄭州大學(xué)化工與能源學(xué)院，鄭州 450001；2. 鄭州大學(xué)微納成型技術(shù)國(guó)際聯(lián)合研究中心，鄭州 450001)

0 前言

高分子材料的微成型由于其較高的精度、高生產(chǎn)效率以及能成型結(jié)構(gòu)復(fù)雜的產(chǎn)品等優(yōu)點(diǎn)，在航空航天、微電子、微機(jī)電、生命科學(xué)等領(lǐng)域應(yīng)用廣泛[1-2]。μIM是微成型最主要的方法之一，它是在傳統(tǒng)注塑(IM, Injection Molding)基礎(chǔ)上發(fā)展起來的一項(xiàng)新興技術(shù)，μIM能夠大批量、低成本生產(chǎn)尺寸微小的制品以及帶有微結(jié)構(gòu)特征的塑料制品[3]。μIM中較高的注射速率和降溫速率使得聚合物熔體呈現(xiàn)出熔體黏度的尺寸依賴性、壁面滑移、表面張力等微尺度效應(yīng)[4]。由于微制品特征尺寸小到微米甚至納米量級(jí)，力的尺寸效應(yīng)、熱傳導(dǎo)、微觀摩擦機(jī)理等方面與IM有較大差異，使得在充填過程中的傳質(zhì)、動(dòng)量和能量傳遞更復(fù)雜，對(duì)制品充填流動(dòng)行為以及宏觀力學(xué)性能影響很大[5-6]。

μIM作為一項(xiàng)新興技術(shù)，在模具設(shè)計(jì)和成型工藝方面還缺乏足夠的工程應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)，有必要借助CAE手段進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，節(jié)約模具制造成本和提高生產(chǎn)效率。目前為止還沒有商業(yè)化的μIM模流分析軟件，本文在Autodesk Moldflow Insight分析軟件基礎(chǔ)上進(jìn)行優(yōu)化和調(diào)整，以滿足微制品模具優(yōu)化設(shè)計(jì)的目的。

1 塑件網(wǎng)格前處理

基于ASTM D631 標(biāo)準(zhǔn)拉伸樣條，塑件設(shè)計(jì)成如圖1(a)所示的扁平啞鈴狀，長(zhǎng)寬為16 mm×6 mm，厚度為500 μm。產(chǎn)品長(zhǎng)/高比為32，厚度方向熱傳導(dǎo)和熱對(duì)流不忽略[7]，因此選取Navier-Stokes模型進(jìn)行求解，采用四面體網(wǎng)格單元對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行3D網(wǎng)格劃分。

澆注系統(tǒng)中主流道和制品尺寸差異較大，為了盡量減小網(wǎng)格數(shù)量以縮短分析運(yùn)算時(shí)間，流道系統(tǒng)采用Dual-Domain 網(wǎng)格，運(yùn)用專業(yè)網(wǎng)格劃分工具h(yuǎn)ypermesh 11.0對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行網(wǎng)格區(qū)域化處理：?jiǎn)♀徶破穬啥司W(wǎng)格尺寸200 μm，中間區(qū)域采用更小網(wǎng)格尺寸100 μm，采用網(wǎng)格漸變技術(shù)對(duì)各連接區(qū)域均勻過渡，整個(gè)產(chǎn)品厚度方向劃分6層網(wǎng)格，共計(jì)243 182個(gè)網(wǎng)格單元，具體網(wǎng)格尺寸如圖1(b)所示。

(a)塑件制品 (b)網(wǎng)格劃分圖1 塑件制品及網(wǎng)格劃分Fig.1 Plastic part design and mesh of modelization

2 材料數(shù)據(jù)

D/mm：□—1.0 ○—0.5Cross模型圖2 不同口模直徑下PC熔體的流變曲線Fig.2 Flow curve of PC under different die diameter

本次分析材料選用聚碳酸酯，PC110 (中國(guó)臺(tái)灣奇美公司)，熔體流動(dòng)速率為10 g/10 min。 由于Autodesk Moldflow Insight 2016 版本材料數(shù)據(jù)庫(kù)中沒有此牌號(hào)，需要自定義材料黏度模型系數(shù)。為了更準(zhǔn)確描述熔體在微型腔流動(dòng)過程中的微尺度黏度，基于GOTTFERT RG50 雙機(jī)筒高分辨毛細(xì)管流變儀對(duì)PC物料進(jìn)行流變測(cè)試。物料測(cè)試前在鼓風(fēng)干燥箱120 ℃條件下干燥8 h，選用毛細(xì)管口模直徑分別為1 mm和0.5 mm，長(zhǎng)徑比為20，進(jìn)行剪切速率范圍(100～10 000 s-1)和不同溫度(260～280 ℃)的黏度測(cè)試，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行Bagley入口效應(yīng)校正和非牛頓流體Rabinowitch剪切速率校正，黏度曲線如圖2所示。與標(biāo)準(zhǔn)口模(φ1 mm)流變曲線類似，口模直徑為0.5 mm的流變曲線也表現(xiàn)出明顯的剪切變稀現(xiàn)象，Cross黏度模型擬合結(jié)果與實(shí)驗(yàn)測(cè)試點(diǎn)吻合度較高，適合描述PC熔體在微尺寸型腔里的流動(dòng)行為，三參數(shù)Cross黏度模型系數(shù)分別為：η0=1 137.66 Pa·s,τ*=404 020.38 Pa,n=0.14。將黏度模型參數(shù)交由Moldflow中國(guó)區(qū)域技術(shù)支持工程師制作udb材料文件，導(dǎo)入材料庫(kù)以備分析。

3 模流分析

3.1 澆注系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)

基于塑料制品澆注系統(tǒng)設(shè)計(jì)原則，對(duì)比分析了兩種進(jìn)膠方式：邊緣進(jìn)膠和中間進(jìn)膠。中間進(jìn)膠會(huì)縮短流長(zhǎng)，降低注塑壓力，但制品出模后翹曲變形較大；邊緣進(jìn)膠相反，流長(zhǎng)增大導(dǎo)致注塑壓力升高，但單向流動(dòng)方式下產(chǎn)品翹曲變形較小。由圖3分析結(jié)果可知：雖然中間進(jìn)膠方案中微型腔注塑壓力比邊緣進(jìn)膠方案減少了近50 %，但澆口附近最大剪切速率高出了23 %，此方案中產(chǎn)品變形稍大(86 μm)，因此，綜合CAE分析結(jié)果和最終制品的使用要求，本章采用邊緣進(jìn)膠方式注塑。

中間進(jìn)膠(a)、(c)、(e) 邊緣進(jìn)膠(b)、(d)、(f)圖3 2種澆口位置模流分析結(jié)果Fig.3 Simulation results of two different gate positions

分別選取厚度為130、250、380、500 μm的矩形側(cè)澆口進(jìn)行建模分析，選擇合適的注塑工藝參數(shù)：注射速率60 mm/s、熔體溫度280 ℃、模具溫度105 ℃，對(duì)比型腔內(nèi)壓力場(chǎng)、溫度場(chǎng)和速度場(chǎng)的變化，結(jié)果如圖4～6所示。4種澆口尺寸的最大注射溫度和熔體流動(dòng)前沿溫差均不大，從剪切速率變化結(jié)果看，最大剪切速率均發(fā)生在澆口附近，但不同澆口尺寸產(chǎn)生的最大剪切速率數(shù)值差別極大(130 μm澆口尺寸下剪切速率達(dá)到了265 100 s-1；500 μm澆口尺寸最大剪切速率僅為19 357 s-1)，過高的剪切速率伴隨較高的剪切熱量[8]，會(huì)加大物料局部發(fā)生降解的風(fēng)險(xiǎn)。因此，從模具加工成本及以上優(yōu)化分析可知，選用與制品厚度相等的澆口厚度(500 μm)。

澆口尺寸/μm：(a)130 (b)250 (c)380 (d)500圖4 不同澆口尺寸下型腔內(nèi)壓力場(chǎng)Fig.4 Simulation results of injection pressure under different gate dimensions

澆口尺寸/μm：(a)130 (b)250 (c)380 (d)500圖5 不同澆口尺寸下型腔內(nèi)熔體溫度場(chǎng)Fig.5 Simulation results of temperature difference at flow front under different gate dimensions

澆口尺寸/μm：(a)130 (b)250 (c)380 (d)500圖6 不同澆口尺寸下剪切速率分布Fig.6 Simulation results of shear rate under different gate dimensions

3.2 排氣系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)

微制品比表面積較大，熔體內(nèi)部熱量散失快，需要較快注射速率以保證型腔充滿，導(dǎo)致型腔內(nèi)氣體不易排出造成短射或端部燒焦。單純靠分型面配合間隙無(wú)法排出氣體，本文除了運(yùn)用分型面和鑲拼結(jié)構(gòu)排氣外，還優(yōu)化了排氣槽的位置和尺寸：圖7(a)CAE困氣分析結(jié)果發(fā)現(xiàn)充填過程中型腔內(nèi)產(chǎn)生2處困氣區(qū)域(③區(qū)域是由于CAE分析中采用對(duì)稱邊界條件所致，實(shí)際成型中不存在)，需要專門開設(shè)排氣槽。為了優(yōu)化困氣位置，首先在①區(qū)域開設(shè)了3 mm×3 mm×0.03 mm的排氣槽，圖7(b)分析結(jié)果顯示消除了該區(qū)域的困氣現(xiàn)象，但②區(qū)域困氣現(xiàn)象更為嚴(yán)重，同理在②處再開設(shè)一處排氣槽，最終CAE結(jié)果證實(shí)在兩處排氣槽共同作用下，圖7(c)型腔內(nèi)無(wú)困氣現(xiàn)象發(fā)生?；谝陨螩AE優(yōu)化結(jié)果，微型腔中排氣系統(tǒng)設(shè)計(jì)如圖8, 兩處尺寸分別為15 mm×6 mm×0.03 mm和5 mm×2 mm×0.03 mm。

(a)無(wú)排氣槽設(shè)計(jì) (b)1處排氣槽 (c)2處排氣槽圖7 排氣槽CAE優(yōu)化分析結(jié)果Fig.7 CAE optimization results of venting

圖8 排氣槽設(shè)計(jì)Fig.8 Design drawing of venting

3.3 模溫控制系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)

本實(shí)驗(yàn)所用設(shè)備為Babyplast6/10 是目前世界上體積最小的直壓式微注塑機(jī)，它具有較小的開模行程和模具空間，機(jī)器模板充當(dāng)模具碼模板的獨(dú)特設(shè)計(jì)不但大大減小了模具尺寸和制造成本，還極大減小了模具熱量的損失，因此模具溫控系統(tǒng)設(shè)計(jì)與傳統(tǒng)注塑模具有所不同。

(1)模具加熱系統(tǒng)設(shè)計(jì)：本實(shí)驗(yàn)通過在模板內(nèi)部開設(shè)加熱管道，高溫水蒸氣作為加熱介質(zhì)實(shí)現(xiàn)模具的快速升溫。基于產(chǎn)品幾何特點(diǎn)和模具結(jié)構(gòu)，在微模具動(dòng)、定模各設(shè)計(jì)兩條加熱管道，由耐高溫尼龍?zhí)坠芟噙B，為了保證加熱管道內(nèi)的紊流狀態(tài)，采用Ф4 m管徑，長(zhǎng)度 58 mm，管道設(shè)計(jì)距離模具型腔5.5 mm，平行分布于型腔兩側(cè)。

(2)模具冷卻系統(tǒng)設(shè)計(jì)：微注塑過程中，進(jìn)入模具的熱量主要包括聚合物容易進(jìn)入型腔帶入的熱量和加熱管道帶來的熱量；冷卻過程中散失的熱量主要包括：模具表面空氣對(duì)流散失熱量、模具四周輻射熱量、注塑機(jī)固定板傳遞的熱量和冷卻系統(tǒng)帶走的熱量[9-10]，根據(jù)能量守恒原則有：

Qmelt+Qchannel=Q1+Q2+Q3+Q4

(1)

式中Qmelt——聚合物熔體代入型腔的熱量，kJ/h

Qchannel——加熱管道代入型腔的熱量，kJ/h

Q1——模具表面空氣對(duì)流散失熱量，kJ/h

Q2——模具四周輻射熱量，kJ/h

Q3——注塑機(jī)固定板傳遞的熱量，kJ/h

Q4——冷卻系統(tǒng)帶走的熱量，kJ/h

Qmelt=nqm[Cp(T1-T2)+L]

(2)

式中n——每小時(shí)完成注塑次數(shù)

qm——每次注入熔體質(zhì)量，kg/次

Cp——塑料的比定壓熱容，kJ/kg·℃

L——塑料結(jié)晶潛熱，本實(shí)驗(yàn)所用PC材料為無(wú)定形聚合物，L=0

T1——聚合物熔體進(jìn)入型腔時(shí)的溫度， ℃

T2——制品脫模溫度， ℃

根據(jù)本文設(shè)計(jì)500 μm壁厚微制品及成型條件，帶入式(2)計(jì)算：Qmelt=144×4.8×10-7[1.866×(270-60)]=32.50 kJ/h

下面計(jì)算在模具冷卻過程中熱量的損耗情況：

模具表面與空氣對(duì)流散失的熱量Q1：根據(jù)對(duì)流散熱公式，模具與空氣對(duì)流散熱量表示為：

Q1=4.1868hSm(Tm-T0)

(3)

式中h——空氣與模具間的對(duì)流換熱系數(shù)，且h=A(Tm-T0)1/3，其中A為模型系數(shù)，依據(jù)經(jīng)驗(yàn)公式：

(4)

式中Tm——模具表面平均溫度， ℃

Sm——模具散熱的表面積，m2

T0——室溫， ℃

模具四周輻射熱量Q2由輻射散熱計(jì)算公式計(jì)算：

(5)

式中ε——黑度，模具外表面取值ε=0.7

C0——絕對(duì)黑體輻射系數(shù)，取值20.4

注塑機(jī)固定板熱傳遞帶走的熱量Q3由熱傳遞公式計(jì)算：

Q3=Bh′ΔTm

(6)

式中B——模具與注塑機(jī)固定板接觸面積，本文中B=0.0065 m2

h′——油膜接觸面與模具鋼的對(duì)流換熱系數(shù)，取值250

ΔTm——模具與注塑機(jī)固定板平均溫差， ℃

由于加了隔熱環(huán)保護(hù)裝置，兩者溫差相對(duì)較大，達(dá)到30 ℃，帶入計(jì)算：Q3=0.0065×250×30=48.75 kJ/h;

以上3項(xiàng)自然散熱占總熱量的比例分別為5.5 %、4.2 %、21.1 %，占到總熱量的31 %左右，相比于傳統(tǒng)注塑中無(wú)定型塑料自然冷卻所占比重10 %左右大幅提升。由于微模具體積較小，加熱管道距離成型鑲塊很近，無(wú)多余空間開冷卻水孔，因此對(duì)冷卻系統(tǒng)設(shè)計(jì)的必要性進(jìn)行論證。

若冷卻系統(tǒng)平行于型腔串聯(lián)排列，所需冷卻水體積可由公式計(jì)算：

(7)

式中G——單位時(shí)間內(nèi)注入模具內(nèi)熔體質(zhì)量，kg/h

Δi——單位質(zhì)量熔體釋放熱量，J/kg

t1、t2——冷卻水出、入口處溫度， ℃

4 實(shí)際注塑驗(yàn)證

基于微模具澆注系統(tǒng)、排氣系統(tǒng)、溫控系統(tǒng)優(yōu)化分析結(jié)果，綜合微注塑設(shè)備特點(diǎn)，本模具采用1模2腔的整體鑲拼式模具結(jié)構(gòu)，如圖9所示。

圖10(a)給出了熔體充填50 %體積百分比的充填模擬結(jié)果與實(shí)際注塑短射制品對(duì)比，發(fā)現(xiàn)熔體流動(dòng)前沿由于微尺度效應(yīng)作用“噴泉”流動(dòng)行為不明顯，前沿趨于平齊狀[11]。圖10 (b)可以看出無(wú)短射、氣穴、飛邊

1—主流道 2—緊固螺釘 3—定模扳 4—制品 5—?jiǎng)幽ｈ倝K 6—頂桿 7—?jiǎng)幽０?—推板 9—推板固定板10—固定連接桿 1—定位螺釘 12—定模水路 13—緊固螺釘 14—排氣槽 15—?jiǎng)幽Ｋ?a)主視圖 (b)俯視圖圖9 模具裝配圖Fig.9 Assembly diagram of the mold

(a)CAE模擬結(jié)果 (b)注塑制品圖10 注塑制品與CAE模擬結(jié)果對(duì)比Fig.10 Comparison of injection part and CAE simulation result

等注塑缺陷，尺寸精度較高，翹曲變形量較小，外觀成型效果較好。

5 結(jié)論

(1)基于PC材料在微尺寸下的流變數(shù)據(jù)，通過CAE技術(shù)對(duì)微注塑模具設(shè)計(jì)進(jìn)行了優(yōu)化，為微注射成型模流分析提供了一種方法；

(2)通過實(shí)際注塑實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了微制品模具結(jié)構(gòu)的正確性，針對(duì)熔體流動(dòng)過程的模擬與實(shí)驗(yàn)結(jié)果較為一致,且微尺度效應(yīng)影響下熔體流動(dòng)前沿呈現(xiàn)平齊狀。