蔣炳炎，張英平，齊鵬程，鄒洋，魏國(guó)猛，吳旺青

(中南大學(xué)高性能復(fù)雜制造國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖南長(zhǎng)沙，410083)

超聲塑化微注射成型技術(shù)解決了常規(guī)螺桿塑化微注射成型在最小塑化量限制的問題，具有節(jié)能高效、減少材料降解和浪費(fèi)、提高聚合物熔體流動(dòng)性能等優(yōu)點(diǎn)[1]。近年來，超聲塑化微注塑成型技術(shù)研究在高性能工程塑料[2-3]、生物可降解聚合物[4-5]、聚合物納米材料微注射成型[6-7]等領(lǐng)域取得快速發(fā)展，使之成為微注射成型技術(shù)發(fā)展的一個(gè)重要方向。但超聲塑化單次塑化量小，頻率高，能量集中，微制件質(zhì)量對(duì)振幅等工藝參數(shù)非常敏感，超聲塑化微制件經(jīng)常出現(xiàn)塑化不完全、溢料嚴(yán)重、充填不足、材料降解燒焦等問題[8]，因此，有必要針對(duì)上述問題進(jìn)行研究。JIANG等[9-10]建立了超聲塑化聚合物黏彈性生熱和摩擦生熱的計(jì)算模型，發(fā)現(xiàn)超聲振動(dòng)聚合物摩擦生熱過程僅0.078 s，黏彈性生熱效應(yīng)是聚合物超聲塑化熱量的主要來源。DORF等[11]通過檢測(cè)超聲塑化PEEK微制件降解程度，發(fā)現(xiàn)過大的超聲振幅和過低的注射速率都是導(dǎo)致PEEK降解的重要因素。GRABALOSA等[12-13]研究了超聲振幅對(duì)聚酰胺(PA)、聚苯砜(PPSU)微制件塑化質(zhì)量的影響，發(fā)現(xiàn)聚合物塑化質(zhì)量對(duì)超聲振幅非常敏感，較大的超聲振幅容易導(dǎo)致聚合物顆粒燒黑與降解。過大或過小的塑化壓力都會(huì)導(dǎo)致塑化不完全與材料降解從而導(dǎo)致制件性能降低。MASOTO等[14]研究了微型腔中聚合物流動(dòng)和溫度特性，發(fā)現(xiàn)澆口附近的熔體溫度最高，型腔末端附近的熔體溫度最低，容易導(dǎo)致型腔末端充填不足。張勝等[15]通過實(shí)驗(yàn)證明了料筒中聚合物超聲場(chǎng)不均勻且沿料筒中心軸線方向衰減的特性。LIANG等[16]發(fā)現(xiàn)未經(jīng)加熱的UHMWPE超聲模塑微陣列的相結(jié)構(gòu)存在初生態(tài)和熔化再結(jié)晶態(tài)兩相，而加熱到85℃時(shí)UHMWPE模塑微陣列相結(jié)構(gòu)只包含熔化再結(jié)晶態(tài)，溫度外場(chǎng)有助于提高塑化程度，但未對(duì)其影響機(jī)理進(jìn)行研究。JIANG等[17]發(fā)現(xiàn)超聲塑化聚合物與金屬壁面的熱交換導(dǎo)致超聲波能量損失20%，但實(shí)驗(yàn)研究對(duì)象不是微量聚合物。綜上所述，由于功率超聲的振幅與頻率工藝參數(shù)可以選擇的范圍小且不好精準(zhǔn)控制，超聲工具頭壓力對(duì)聚合物黏彈性生熱速率影響不顯著，因此，考慮采用外部加熱的方式改善超聲塑化微制件的充填質(zhì)量。但現(xiàn)有研究并未就溫度外場(chǎng)對(duì)超聲塑化微制件充填質(zhì)量的影響開展研究，為此，本文作者采用瞬態(tài)熱分析方法仿真研究不同料筒溫度下聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)溫度場(chǎng)升溫特性，并結(jié)合單因素實(shí)驗(yàn)研究料筒溫度對(duì)微拉伸試驗(yàn)件充填質(zhì)量的影響規(guī)律。

1 超聲塑化系統(tǒng)溫度場(chǎng)仿真分析

1.1 聚合物超聲塑化黏彈性生熱計(jì)算

超聲塑化過程中摩擦生熱階段只持續(xù)0.078s[10]，提供聚合物超聲塑化過程的啟動(dòng)能量。聚合物顆粒界面消融后黏彈性生熱效應(yīng)提供了超聲塑化主要熱量。超聲工具頭施加正弦交變壓力載荷，超聲振動(dòng)產(chǎn)生的機(jī)械能通過做功轉(zhuǎn)換為聚合物內(nèi)部黏彈性生熱。聚合物超聲塑化黏彈性生熱物理模型如圖1所示。

圖1 聚合物超聲塑化黏彈性生熱示意圖Fig.1 Schematic diagram of viscoelastic heating during ultrasonic plasticization

假設(shè)工具頭端面產(chǎn)生的超聲波垂直于工具頭端面且均勻分布。黏彈性生熱率計(jì)算方法為[18]

式中：Q為聚合物黏彈性生熱率；T為聚合物溫度；f為超聲振動(dòng)頻率；ω為超聲振動(dòng)角頻率；Z為距離工具頭端面的距離；E′為儲(chǔ)能模量；E″為損耗模量；C為超聲波在聚合物中的傳播速度；ε0為超聲工具頭端面振幅。BENATAR等[19-20]基于廣義Maxwell力學(xué)模型與時(shí)溫等效原理表征了聚合物模量與溫度、頻率和松弛時(shí)間的關(guān)系：

式中：j為廣義Maxwell模型階數(shù)；τj(T)為各階松弛時(shí)間關(guān)于溫度的函數(shù)；Ej(T)為各階松弛模量關(guān)于溫度的函數(shù)。根據(jù)式(1)～(2)可得到聚合物在超聲振動(dòng)載荷下黏彈性生熱率Q的計(jì)算公式：

式中：ρ為聚合物密度；H為聚合物松弛轉(zhuǎn)變活化能，取335 kJ/mol；T0為參考溫度；Tg為PMMA玻璃化轉(zhuǎn)變溫度，為105℃；R為氣體摩爾常量。

選擇典型無定形聚合物PMMA為研究對(duì)象，利用Matlab對(duì)超聲塑化黏彈性生熱率進(jìn)行計(jì)算。取超聲頻率為20 kHz，超聲振幅為20 μm，常數(shù)C1=17.6，C2=65.5，距離超聲波端面的高度z小于10 mm，計(jì)算結(jié)果如圖2所示(其中，z為聚合物與超聲工具頭端面的距離)。

當(dāng)超聲頻率與振幅確定時(shí)，聚合物PMMA黏彈性生熱率依賴于溫度，這本質(zhì)上是聚合物分子結(jié)構(gòu)受溫度影響的體現(xiàn)，反映了聚合物分子在承受交變載荷時(shí)單位時(shí)間內(nèi)的能量消耗。聚合物黏彈性生熱率在105～165℃范圍內(nèi)呈現(xiàn)先急劇增加后下降的趨勢(shì)，并在超聲波傳播方向上存在顯著衰減。

圖2 聚合物與超聲工具頭端面距離不同時(shí)PMMA的黏彈性生熱速率Fig.2 Viscoelastic heating rate of PMMAat different distances

1.2 超聲塑化系統(tǒng)溫度場(chǎng)仿真

根據(jù)式(3)采用ANSYS非線性瞬態(tài)熱分析模塊對(duì)超聲塑化系統(tǒng)溫度場(chǎng)仿真，非線性瞬態(tài)熱分析的平衡方程為

式中：[K(T)]為傳導(dǎo)矩陣；[C(T)]為比熱矩陣；{T}為節(jié)點(diǎn)溫度向量；{dT/dt}為溫度對(duì)時(shí)間的導(dǎo)數(shù)向量；{Q}為節(jié)點(diǎn)熱流率向量；t為時(shí)間。

超聲塑化系統(tǒng)溫度場(chǎng)仿真求解過程如下：首先，采用ANSYS瞬態(tài)熱分析求解料筒初始溫度場(chǎng)；然后，將溫度場(chǎng)作為初始條件加載到塑化系統(tǒng)黏彈性生熱瞬態(tài)中，采用牛頓-拉夫森迭代法進(jìn)行計(jì)算。在瞬態(tài)分析中，每一迭代子步完成后可提取其單元節(jié)點(diǎn)溫度，從而根據(jù)式(3)獲得下一個(gè)子步的溫度場(chǎng)分布，最終獲得超聲塑化聚合物的溫度場(chǎng)。

1.2.1 基本假設(shè)

超聲塑化是聚合物在超聲振動(dòng)下摩擦生熱、黏彈性生熱、料筒溫度場(chǎng)綜合作用下的復(fù)雜溫度變化過程。為簡(jiǎn)化研究，假設(shè)摩擦生熱和黏彈性生熱為相對(duì)獨(dú)立的過程。以聚合物玻璃化轉(zhuǎn)變溫度105℃作為聚合物溫度場(chǎng)仿真的起始溫度，此時(shí)，聚合物界面完全消融，介質(zhì)分布均勻，摩擦生熱階段結(jié)束，黏彈性占主導(dǎo)作用。忽略不同介質(zhì)間的接觸熱阻。

1.2.2 有限元模型的建立及邊界條件

聚合物黏彈性生熱率Q沿中心軸線Z′軸對(duì)稱，故聚合物塑化系統(tǒng)內(nèi)部的溫度場(chǎng)分布沿其中心軸線對(duì)稱，仍以典型無定形聚合物PMMA為研究對(duì)象，采用ANSYS 15.0前處理模塊建立塑化系統(tǒng)熱分析的1/2二維有限元仿真網(wǎng)格模型，如圖3所示。

圖3 超聲塑化系統(tǒng)有限元模型Fig.3 Finite element model of ultrasonic plasticizing system

取單次塑化量為0.35 g，料筒半徑為5 mm，聚合物高度為6 mm。假設(shè)料筒初始溫度為室溫20℃，料筒外表面與加熱圈接觸處設(shè)置陶瓷加熱圈的熱流密度q為

式中：q為熱流密度；P為陶瓷加熱圈功率；h′為料筒高度；R為料筒半徑。

由圖2可知PMMA黏彈性生熱率在105～165℃之間受溫度影響明顯，故將料筒仿真溫度參數(shù)設(shè)為20，100，120，140，160和180℃。將ANSYS瞬態(tài)熱分析求解的料筒溫度場(chǎng)作為料筒溫度初始條件。環(huán)境溫度設(shè)定為20℃。對(duì)料筒外壁與空氣接觸處施加與環(huán)境空氣間的熱對(duì)流，對(duì)流換熱系數(shù)為12.5 W/(m2·℃)。料筒上端設(shè)置有纖維隔熱板，設(shè)置導(dǎo)熱系數(shù)為0.03 W/(m·℃)，動(dòng)模溫度設(shè)置為PMMA注塑成型的模具溫度60℃。取工具頭振幅為20 μm，超聲頻率為20 kHz，利用ANSYS中的Function Editor功能將式(3)所示的超聲塑化聚合物黏彈性生熱模型導(dǎo)入載荷公式中，然后，選擇該黏彈性生熱載荷公式計(jì)算聚合物熱生成率的體載荷，計(jì)算步長(zhǎng)為1×10-5s。

1.2.3 材料參數(shù)的確定

超聲工具頭材料為鈦合金TC4，料筒、動(dòng)模板材料為7075鋁合金，聚合物材料為PMMA。各材料主要性能參數(shù)如表1～3所示。

表1 仿真實(shí)驗(yàn)中的材料屬性Table 1 Performance parameters of simulation materials

表2 不同溫度時(shí)PMMA的導(dǎo)熱系數(shù)Table 2 Thermal conductivity of PMMAat different temperatures

表3 不同溫度時(shí)PMMA的比熱容Table 3 Specific heat capacity of PMMAat different temperatures

1.3 超聲塑化系統(tǒng)溫度場(chǎng)仿真結(jié)果與分析

1.3.1 超聲塑化PMMA溫度場(chǎng)特性

在料筒溫度140℃下，PMMA溫度場(chǎng)的仿真結(jié)果如圖4所示。由于超聲波能量在聚合物中傳播方向上有顯著衰減，聚合物上端面溫度最高，距離超聲工具頭端面越遠(yuǎn)，其黏彈性生熱率越低，同時(shí)，料筒內(nèi)壁與聚合物接觸產(chǎn)生熱傳導(dǎo)，PMMA料筒溫度在聚合物半徑方向上由聚合物中心軸線向外衰減。

圖4 料筒溫度為140℃時(shí)PMMA溫度場(chǎng)分布Fig.4 Temperature field distribution of PMMAat barrel temperature of 140℃

1.3.2 料筒溫度對(duì)超聲塑化PMMA升溫速率的影響

提取聚合物3個(gè)特征點(diǎn)a，b和c處升溫曲線，分析料筒溫度對(duì)料筒內(nèi)各點(diǎn)超聲塑化升溫速率的影響。不同料筒溫度下各點(diǎn)聚合物升溫曲線如圖5所示。

從圖5可見：當(dāng)料筒溫度為100℃時(shí)，聚合物溫度場(chǎng)各點(diǎn)溫度明顯提高，溫度增幅從大到小的點(diǎn)依次為點(diǎn)c，a和b；點(diǎn)a處于超聲工具頭端面中心位置，超聲能量衰減最少，能量最集中；點(diǎn)b處于聚合物芯部，超聲能量衰減大，故溫度增幅最??；點(diǎn)c在料筒溫度100℃下聚合物溫度升至黏流溫度的時(shí)間為0.80 s，聚合物熔體溫度達(dá)到172℃，與料筒不加熱條件相比，升至黏流溫度上的時(shí)間縮短了0.88 s，熔體溫度提高了14℃，有效減少了料筒壁面處傳導(dǎo)產(chǎn)生的熱損失，從而提高了聚合物熔體流動(dòng)性能；當(dāng)料筒溫度升至180℃后，聚合物溫度場(chǎng)溫度均無明顯提高。這是由于料筒溫度為100℃時(shí)，大部分聚合物已進(jìn)入高彈態(tài)，高彈態(tài)聚合物的分子鏈之間的摩擦力較大，損耗模量大，黏彈性生熱效應(yīng)更劇烈；當(dāng)料筒溫度升至180℃時(shí)，聚合物快速升高至黏流溫度，分子鏈之間的運(yùn)動(dòng)相對(duì)自由，黏彈性生熱效應(yīng)減弱。仿真結(jié)果符合圖2所示的黏彈性生熱速率數(shù)值計(jì)算規(guī)律。

2 實(shí)驗(yàn)

2.1 實(shí)驗(yàn)平臺(tái)與材料

圖5 不同料筒溫度下各點(diǎn)聚合物升溫曲線Fig.5 Temperature curves of PMMAat different barrel temperatures

實(shí)驗(yàn)研究基于超聲塑化微注射成型實(shí)驗(yàn)平臺(tái)[21]，平臺(tái)參數(shù)如表4所示。自行設(shè)計(jì)料筒溫度控制系統(tǒng)采用PLC和K型熱電偶、陶瓷加熱圈組成的閉環(huán)控制方式。PLC通過PID功能改變輸出脈沖信號(hào)的占空比，控制陶瓷加熱圈的加熱功率。K型熱電偶測(cè)溫點(diǎn)固定于料筒底部，通過熱電偶模塊將信號(hào)返回至PLC以執(zhí)行PID計(jì)算。溫度控制精度為±1℃。

表4 超聲塑化實(shí)驗(yàn)平臺(tái)參數(shù)Table 4 Experimental parameters of ultrasonic plastic platform

為滿足研究與檢測(cè)需求，選擇微拉伸試驗(yàn)件作為微制件實(shí)驗(yàn)對(duì)象，參考ASTM_D638-2010塑料拉伸實(shí)驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行設(shè)計(jì)。實(shí)驗(yàn)材料選擇無定形聚合物PMMA，牌號(hào)為Evonik PMMA Plexiglas 8N。微拉伸試驗(yàn)件基本尺寸如圖6所示。

圖6 微拉伸試驗(yàn)件基本尺寸Fig.6 Basic dimensions of micro tensile test piece

2.2 實(shí)驗(yàn)方案

為研究料筒溫度對(duì)微拉伸試驗(yàn)件充填質(zhì)量的影響，根據(jù)仿真研究結(jié)果設(shè)計(jì)單因素實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)參數(shù)如表5所示。

表5 PMMA微拉伸試驗(yàn)件成型實(shí)驗(yàn)參數(shù)Table 5 Ultrasonic plasticization parameters of PMMA micro-parts

為保證實(shí)驗(yàn)結(jié)果的準(zhǔn)確性，首先對(duì)PMMA材料進(jìn)行干燥處理，干燥溫度為80℃，干燥時(shí)間為6 h。實(shí)驗(yàn)前，開啟料筒與模具的預(yù)熱，打模至設(shè)備穩(wěn)定狀態(tài)后進(jìn)行取樣。每組實(shí)驗(yàn)對(duì)相應(yīng)工藝參數(shù)下5組微拉伸試驗(yàn)件充填質(zhì)量進(jìn)行檢測(cè)，除去最大與最小值后取平均值作為統(tǒng)計(jì)結(jié)果。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析中，聚合物塑化程度通過可視化評(píng)估為未塑化、部分黏結(jié)、完全熔融、燒焦降解共4個(gè)等級(jí)，分別用0，1，2和3表示。以微拉伸試驗(yàn)件的制件質(zhì)量與完全充填的理論質(zhì)量的百分比作為充填率評(píng)價(jià)指標(biāo)，稱質(zhì)量?jī)x器為德國(guó)賽多利斯公司的BSA124S型精密電子天平。微拉伸試驗(yàn)件的長(zhǎng)度與窄部厚度分別由數(shù)顯游標(biāo)卡尺和數(shù)顯千分尺測(cè)量。

3 結(jié)果與討論

3.1 料筒溫度對(duì)聚合物塑化程度的影響

不同料筒溫度下聚合物塑化程度如圖7所示，其中，塑化程度1表示聚合物末塑化，塑化程度2表示聚合物部分塑化，塑化程度3表示聚合物完全塑化。從圖7可見：當(dāng)料筒溫度為20℃時(shí)，料筒壁面的聚合物顆粒界面仍未完全消融；當(dāng)料筒溫度提高至100℃后，與料筒壁面接觸的聚合物能完全塑化，與圖5(c)所示結(jié)果一致；當(dāng)料筒溫度達(dá)到180℃時(shí)，超聲振動(dòng)瞬間產(chǎn)生的高溫使其超過PMMA熱分解溫度，導(dǎo)致聚合物發(fā)生降解并出現(xiàn)燒黑現(xiàn)象。

圖7 料筒溫度對(duì)聚合物塑化程度的影響Fig.7 Influence of barrel temperature on plasticized degree of polymer

3.2 料筒溫度對(duì)聚合物溢料現(xiàn)象的影響

由圖5(c)可知：當(dāng)料筒溫度升高時(shí)，聚合物與料筒接觸面上的溫度提高最顯著，黏度降低，流動(dòng)性能增強(qiáng)?？梢酝茢嗔贤矞囟忍岣呖梢詼p小聚合物與料筒之間的溢料間隙。不同料筒溫度下PMMA制件的溢料現(xiàn)象如圖8所示。從圖8可見：當(dāng)料筒溫度為100℃時(shí)，溢料現(xiàn)象不明顯；當(dāng)料筒溫度提高至180℃時(shí)，出現(xiàn)嚴(yán)重溢料現(xiàn)象。這是由于當(dāng)料筒上升至180℃時(shí)，與料筒壁面接觸的聚合物溫度顯著增加，溢料間隙減小，同時(shí)，料筒的溫度大于PMMA黏流溫度(160℃)，使保壓階段中制件與料筒壁面接觸的聚合物保持流動(dòng)。

圖8 料筒溫度對(duì)聚合物溢料現(xiàn)象的影響Fig.8 Influence of barrel temperature on flash phenomenon of polymer

3.3 料筒溫度對(duì)制件充填率的影響

由圖5(b)可知：料筒不加熱時(shí)，料筒底部聚合物最高溫度僅為139℃，未達(dá)到黏流溫度，導(dǎo)致底部聚合物流動(dòng)性能相對(duì)工具頭端面聚合物較差，抑制了聚合物熔體的充填；當(dāng)料筒溫度提高至140℃后，料筒底部聚合物最高溫度為160℃，達(dá)到黏流溫度，流動(dòng)性能提高，可以促進(jìn)聚合物熔體的充填。不同料筒溫度下PMMA微拉伸試驗(yàn)件的充填率如圖9所示。從圖9可見：制件充填率隨著料筒溫度增加呈現(xiàn)先增加后下降的趨勢(shì)；當(dāng)料筒溫度為20℃時(shí)，制件的充填率只有83.40%；當(dāng)料筒溫度升高至100℃時(shí)，拉伸試驗(yàn)件的充填率隨料筒溫度提高而增加；當(dāng)料筒溫度為140℃時(shí)，充填率達(dá)到最大值98.26%；當(dāng)料筒溫度升高到180℃時(shí)，微拉伸試驗(yàn)件充填率有所下降，這可能是聚合物溫度過高時(shí)發(fā)生降解釋放出氣體所致。

3.4 料筒溫度對(duì)制件尺寸的影響

圖9 料筒溫度對(duì)微拉伸試驗(yàn)件充填率的影響Fig.9 Influence of barrel temperature on filling rate of micro tensile test pieces

圖10 料筒溫度對(duì)微拉伸試驗(yàn)件尺寸的影響Fig.10 Influence of barrel temperature on dimensions of micro tensile test pieces

料筒溫度對(duì)拉伸試驗(yàn)件尺寸的影響如圖10所示。從圖10可見：隨著料筒溫度增大，拉伸試驗(yàn)件的充填長(zhǎng)度先增大，達(dá)到穩(wěn)定后呈小幅下降的趨勢(shì)；當(dāng)料筒不加熱時(shí)，拉伸試驗(yàn)件的充填長(zhǎng)度只有23.84 mm，小于拉伸試驗(yàn)件的理論長(zhǎng)度28.75 mm；隨著料筒溫度增大到140℃，充填長(zhǎng)度增大到28.70 mm，接近拉伸試驗(yàn)件的理論長(zhǎng)度；當(dāng)料筒溫度上升到180℃時(shí)，充填長(zhǎng)度有小幅度下降，這與聚合物發(fā)生降解有關(guān)；當(dāng)料筒溫度增加時(shí)，拉伸試驗(yàn)件厚度保持穩(wěn)定；當(dāng)料筒溫度由20℃增加到180℃時(shí)，拉伸試驗(yàn)件厚度的變化幅度只有0.008 mm，表明料筒溫度對(duì)拉伸試驗(yàn)件厚度無顯著影響效果。

4 結(jié)論

1)通過仿真與實(shí)驗(yàn)研究解釋了料筒溫度對(duì)聚合物超聲塑化升溫特性與微制件充填質(zhì)量的影響規(guī)律。合理的料筒溫度能顯著提高聚合物超聲塑化溫度，從而改善微制件的充填質(zhì)量。研究結(jié)果解釋了溫度外場(chǎng)對(duì)聚合物超聲塑化的影響機(jī)理，為提高超聲塑化微制件充填質(zhì)量提供了實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)。

2)PMMA黏彈性生熱速率隨著料筒溫度的升高呈先增加后降低的趨勢(shì)。當(dāng)料筒溫度為140℃時(shí)，聚合物達(dá)到黏流溫度的時(shí)間縮短0.88 s，聚合物熔體溫度提高14℃。在相同條件下，料筒壁面處聚合物溫度提高效果最大，改善了熔體溫度的均勻性。

3)合理設(shè)置料筒溫度可顯著改善微拉伸試驗(yàn)件塑化與充填質(zhì)量。微拉伸試驗(yàn)件充填率和充填尺寸隨料筒溫度升高呈先增加后降低的趨勢(shì)。當(dāng)料筒溫度設(shè)置為100，120，140，160和180℃時(shí)，PMMA微拉伸試驗(yàn)件充填率分別提高12.18%，13.92%，14.79%，14.64%和12.43%，長(zhǎng)度分別提高3.840，4.160，4.870，4.760和3.294 mm；當(dāng)料筒溫度提高至160℃時(shí)，充填質(zhì)量均有小幅度下降，提高至180℃時(shí)則出現(xiàn)聚合物燒焦與溢料現(xiàn)象。超聲塑化成型PMMA微制件的最佳料筒溫度為140℃。