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微注塑成型充模流动理论与工艺试验研究

庄俭  
【摘要】: 采用微注塑成型技术成型的微塑件具有质量轻、体积小、抗腐蚀及绝缘性能好、尺寸一致性好、成型效率高等优点,在航空航天、精密仪器、生物与基因工程、医药工程、信息通讯、环境工程和军事等领域,有着广阔的应用前景。微注塑成型中聚合物熔体充模过程直接影响着微塑件的成型质量和生产效率,是成型中最重要的阶段。因此,对微尺度下熔体充模流动行为尤其对微尺度效应进行深入研究,获得微小型腔内熔体的温度、压力及速度场,在此基础上进行数值模拟与成型工艺试验,对设计优化微注塑模具、合理设置成型工艺参数和提高微塑件质量都具有重要的理论意义和实用价值。 本文依据粘性流体力学和聚合物流变学的基础理论,借鉴传统注塑成型中熔体充模流动的研究方法,构建了微注塑成型熔体充模流动的基本方程;采用非线性拟合数学建模方法,建立了表征熔体粘度与微通道特征尺寸关系的微尺度粘度模型;通过引入Navier滑移模型研究了微尺度下壁面滑移对熔体速度场和温度场的影响规律;通过对熔体与通道壁面间热量传递机制的分析,获得采用瞬态对流换热系数模型时微通道中熔体的温度分布规律;得到了粘性耗散对于微尺度下熔体充模流动的影响规律。 基于微注塑成型理论的研究结果,采用有限元数值分析方法,通过对熔体流变方程和热力学边界条件的修正,系统研究了采用微尺度粘度模型和瞬态对流换热系数模型时熔体的速度场和温度场分布,获得了考虑微尺度效应条件下选用不同成型材料时模具温度、熔体温度、注射压力、注射速度及注射行程等工艺参数对哑铃形微结构塑件填充率的影响规律。 设计和制造了用于微注塑成型熔体充模理论研究及成型工艺试验的哑铃形微结构塑件注塑模具,结合微结构塑件结构及微注塑成型的特点,完成了电热水冷式微注塑模具变温系统的设计,分别采用UV-LIGA技术和微细电火花技术,加工出具有通道宽度分别为100μm和500μm的微注塑模具型腔。 基于狭缝流变仪原理,研制了熔体压力在线测量装置,测量了熔体在微通道入口处的压力值,通过对试验数据的修正及计算,验证了所建熔体微尺度粘度模型的正确性。采用Taguchi试验设计方法,进行了哑铃形微结构塑件的成型工艺试验,通过对试验结果的均值分析与变量分析,获得了成型工艺参数的主次影响顺序和最优水平组合,同时验证了数值模拟方法的可行性,给出了成型材料结构与性能及型腔表面粗糙度对微结构塑件填充率的影响规律,对提高微塑件的成型质量具有重要的应用价值。


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