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微注塑成型充填过程的三维模拟

焦令宽  
【摘要】: 微注塑成型技术是在传统注塑成型技术基础上发展起来的新型注塑成型技术,是微系统技术的重要分支。随着微机电技术的发展,该技术已在光电通信、影像传输、生化医疗、信息存储、精密机械等领域得到了广泛应用。 由于微注塑成型制品的结构尺寸与体积都比较微小,使得传统的注塑成型充模流动理论及研究方法在某种程度上对微注塑成型已经失去了指导的意义。目前微注塑成型的理论和方法都还不太成熟,一些研究结论是通过传统的方法和软件得到的,不能真实反应微注塑成型的问题。因此,研究微注塑成型机理,建立微注塑成型充填模拟理论和方法,实现微注塑成型充填过程数值模拟可以使微注塑成型模具设计和成型过程建立在科学和定量分析基础之上,以帮助设计人员尽早发现设计中存在的问题,对微注塑成型技术具有重要推动作用。 本文从微注塑成型技术的特点出发,全面地分析了微注塑成型充模过程中的影响因素,重点考虑了微观黏度和表面张力的影响。基于传统注塑成型充模流动理论和数学模型,结合微注塑成型的特性,建立了微注塑成型充填过程的三维数学模型。微观黏度是在传统的Cross-WLF模型的基础上,引入微通道尺寸修正系数来描述黏度的微观效应。表面张力的影响通过采用BrackBill连续表面张力模型(CSF),将表面张力作为一种体积力进行考虑。 基于上述理论,采用有限元分析软件ANSYS CFX进行二次开发,实现了传统注塑成型充填过程的三维数值模拟,并在此基础上,进一步结合微注塑成型的影响因素,实现了微注塑成型充填过程的三维数值模拟。 采用四个特征尺寸数量级(100μm级,10μm级,1μm级,0.1μm级)的微制品模型,分析微观黏度和表面张力对微注塑成型充填过程的影响。对微观黏度模型下的模拟结果分析表明,在微尺度黏度效应影响下,模拟结果显示微制品的充填变得容易。对熔体表面张力影响下的模拟结果分析表明,当特征尺寸小于10μm时,随着特征尺寸的减小,熔体前沿截面形状由尖锐变钝,并逐渐呈现出半圆形的状态,同时熔体前沿位置越来越滞后,表明熔体表面张力对微制品的充填具有阻碍作用,且随着特征尺寸的减小,阻碍作用逐渐增大。


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