狭缝型腔微注塑成型充填过程的数值模拟

摘要

伴随着微机电系统技术而发展的微注塑成型技术,目前已在微机械、微电子、微光学及生物医学等领域获得了较广泛的应用。然而,由于微型塑件的结构尺寸与体积极其微小,在微注塑成型充填过程中,高聚物熔体流过微小通道时的流变特性与传统注塑成型时有许多不同,因而影响微型塑件成型质量与传统大尺寸塑件成型质量的关键因素有所不同。微注塑成型中,聚合物熔体充填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,对微尺度型腔内熔体充填流动行为,尤其对微尺度效应进行深入研究,建立描述微注塑成型的数学模型及高效的数值方法,实现对微注射成型过程的数值模拟,对优化设计微注塑模具、合理设置成型工艺参数和提高微型塑件质量都具有重要的理论意义和实用价值。本文结合微注塑成型的特点,对微注塑成型充填过程进行了数值模拟,主要工作和结论如下:
　　1.借鉴宏观熔体充填流动理论,比较了微型注塑成型技术与传统注塑成型技术的差异。对微注塑成型熔体充填过程中的影响因素进行了系统的分析,并引入了Eringen-Okada微观粘度模型和Rosenbaum-Hatzikiriakos壁面滑移速度模型。
　　2.针对狭缝微流道中高聚物熔体的稳态流动进行了分析,分别考虑了微观粘度、壁面滑移对稳态流动的影响及二者的共同作用对稳态流动的影响,通过算例分析了微观粘度和壁面滑移对微流道中熔体流动的影响规律及重要性。
　　3.从粘性流体力学的基本方程出发,结合微注塑成型过程的流动特点,进行合理简化和假设,并引入微观粘度模型和壁面滑移模型,建立熔体在狭缝微型腔内充填的数学模型;采用混合有限元/有限差分/控制体积法实现微注塑充填过程的数值模拟;通过算例分析讨论了微观粘度和壁面滑移对高聚物熔体在微型腔内充填过程的粘度、速度、压力等参数变化的影响。模拟结果表明,微观粘度有阻碍熔体流动的趋势,而壁面滑移有促进熔体流动的趋势。两者的综合作用决定了微注塑成型充填过程中熔体的流动。

目录

摘要

ABSTRACT

第一章 绪论

1.1 微注塑成型技术的含义及应用

1.2 微注塑成型技术的国内外研究现状

1.2.1 微型注塑机的研究

1.2.2 微型注塑模具设计与制造技术

1.2.3 微注塑工艺的研究

1.2.4 微成型数值模拟技术的现状与发展

1.3 粘性流体力学的基本方程和宏观粘度模型

1.3.1 粘性流体力学的基本方程

1.3.2 宏观粘度模型

1.4 本文的主要工作

第二章 微注塑成型充模流动影响因素分析

2.1 微注塑成型充模流动影响因素分析

2.1.1 熔体的表面张力

2.1.2 模具表面粗糙度

2.1.3 型腔排气

2.1.4 微观粘度

2.1.5 壁面滑移

2.2 本章小结

第三章 高聚物熔体在微流道内的稳态流动分析

3.1 高聚物熔体在微流道内稳态流动的数学模型

3.1.1 不考虑微观粘度和壁面滑移时狭缝中熔体稳态流动分析

3.1.2 考虑微观粘度时狭缝中熔体稳态流动分析

3.1.3 考虑壁面滑移时狭缝中熔体稳态流动分析

3.1.4 考虑微观粘度和壁面滑移时狭缝中熔体稳态流动分析

3.2 高聚物熔体在微流道内稳态流动的程序实现

3.3 高聚物熔体在微流道内稳态流动的算例分析

3.3.1 微尺寸效应对粘度的影响

3.3.2 微观粘度对狭缝中熔体速度的影响

3.3.3 壁面滑移对狭缝中熔体速度的影响

3.3.4 微观度粘度与壁面滑移对熔体速度的共同影响

3.3.5 壁面滑移速度与熔体最大速度的比较

3.4 本章小结

第四章 微注塑成型充填过程的数值模拟

4.1 微注塑充填过程数学模型的建立

4.1.1 微注塑充填过程的控制方程

4.1.2 边界条件

4.1.3 粘度模型

4.1.4 压力方程的推导

4.2 微注塑成型充填过程的数值实现

4.2.1 几何模型离散

4.2.2 温度场的求解

4.2.3 压力场的求解

4.2.4 熔体流动前沿位置的跟踪以及时间步长的确定

4.2.5 微注塑充填过程的程序实现

4.3 微注塑充填过程的算例分析

4.3.1 微观粘度对微注塑成型充填过程的影响

4.3.2 微观粘度和壁面滑移共同作用对微注塑成型充填过程的影响

4.4 本章小结

第五章 总结与展望

5.1 主要工作及结论

5.2 展望

参考文献

致谢