微纳器件超声塑化成型系统设计及优化方法研究

摘要

微注塑成型是聚合物微纳器件制造的主要技术之一，但目前注塑成型普遍存在微流道效应、塑化不均、微纳器件成型质量较差，以及成型设备与微纳器件尺寸不匹配等问题，因此产生了超声微注塑成型新技术。目前，超声微注塑研究主要集中于实验和仿真，仿真研究又多基于二维超声塑化模型，以超声换能器固定振幅和频率替代换能器的实际输出，而未考虑其结构参数对输出振幅及频率的影响，以及换能器质点输出振幅的周期性变化。针对以上问题，鉴于此，本论文在设计的微纳器件超声塑化成型系统原型基础上，着重研究换能器结构参数对超声塑化过程影响机制，提出微纳器件超声塑化成型系统设计新方法与理论。具体研究内容如下： 第一，研究纵振激励下聚合物颗粒熔融塑化生热机理，分析聚合物颗粒界面摩擦塑化生热机理。推导超声换能器谐振频率和输出振幅方程，建立超声换能器结构参数与聚合物颗粒界面摩擦塑化生热率关系的数学模型，利用Mathematica软件数值分析超声换能器结构参数对纵振激励下聚合物颗粒界面摩擦塑化生热率的影响规律。结果表明：放大比对聚合物颗粒界面摩擦塑化生热率影响最大，前盖板和超声工具头长度对生热率的影响次之，影响较小的是变幅杆长度、后盖板长度和压电陶瓷片厚度。 第二，为验证解析法分析纵振激励下聚合物颗粒界面摩擦塑化生热率的正确性，利用LS-DYNA建立聚合物颗粒界面摩擦塑化三维生热模型，ANSYS仿真分析得到不同结构参数下超声换能器实际输出的纵振激励，将其直接加载于生热模型，仿真分析超声换能器结构参数对纵振激励下聚合物颗粒界面摩擦塑化生热的影响。结果表明：聚合物颗粒界面摩擦塑化生热温度随纵振激励作用时间的增加而非线性升高，聚合物颗粒界面摩擦塑化生热为瞬态过程。在不同超声换能器结构参数下，聚合物颗粒界面摩擦塑化生热温度随时间变化曲线差别很大，对达到聚合物颗粒粘流温度所需纵振激励作用时间影响很大。放大比对聚合物颗粒界面摩擦塑化生热率影响最大，前盖板和超声工具头长度对生热率的影响次之，影响较小的是变幅杆长度、后盖板长度和压电陶瓷片厚度。对比解析法和仿真法分析纵振激励下聚合物颗粒界面摩擦塑化生热率的结果，两者具有较好的一致性。 第三，考虑超声工具头与塑化腔之间环形间隙对注射过程的影响，建立环形间隙模型，利用ANSYS CFX分析环形间隙和入口总压力对泄漏量和工具头摩擦力的影响规律。结果表明：当环形间隙在0.1～0.15mm时，入口总压力在10～20MPa时，泄漏量和摩擦力都较小，得到较佳的环形间隙值和入口总压力。 第四，设计与微纳器件结构尺寸相匹配的超声塑化成型系统，利用超声换能器结构参数对生热率影响的理论和仿真分析结果，优化设计超声换能器结构参数。结果表明：优化后最大输出振幅提高12.9%，纵振激励作用时间减少24%，生热率提高33.3%。利用仿真分析得到较佳的环形间隙值，优化设计塑化腔。采用镶嵌和侧抽模块，详细设计与成型微齿轮器件相匹配的模具系统。

目录

第一个书签之前