基于超声外场的微注塑成型中粘性耗散的研究

摘要

随着微机电系统(MEMS)技术的不断发展和生产工艺的持续优化，微型元器件在电子制造、航空航天、生物医疗等诸多领域的应用与日俱增，对其成型质量和尺寸精度的要求也日趋严格。而作为微型塑件重要生产手段的微注塑成型技术因其具有成型工艺简单、生产成本低、加工效率高、塑件质量稳定等优点受到学者们越来越广泛的关注。
　　与传统注塑成型技术相比，微注塑成型中由于塑件结构尺寸微小，通道表面积与体积比及长度与直径之比大，进入模具型腔的聚合物熔体及其携带的热量少，由此带来的微尺度效应，如粘性耗散、壁面滑移、对流换热和表面张力等，影响了熔体在微小通道中的流变行为，导致微塑件成型质量、加工效率等难以达到要求。
　　本文在深入分析微注塑成型技术特点及超声波对聚合物熔体作用机理的基础上，运用高分子材料学、粘性流体力学、聚合物流变学、超声学等相关理论知识，通过数学建模、数值模拟和实验测量相结合的手段，对微注塑充模流动过程中熔体的粘性耗散进行了研究;并探究在超声外场的作用下超声振动频率、功率与工艺参数耦合作用对熔体粘性耗散的影响规律和作用机理。
　　首先，基于传统注塑成型中聚合物熔体流动基本方程，结合微注塑成型充模流动特点，推导出了微尺度下关于压力变化的粘性耗散数学模型;并以周期性变化的压力场来代替超声外场作用，建立了超声振动对微注塑成型过程中粘性耗散效应数学模型。其次，应用FLUENT软件对PP和HDPE熔体以不同工艺参数，流经不同截面尺寸矩形微通道时，由粘性耗散效应引起的出口熔体温升值进行了数值模拟。最后，通过自行设计搭建的超声振动微注塑实验平台在不同工艺参数和超声参数下，由粘性耗散引起的微通道出口熔体温升值进行了测量。
　　实验及模拟结果均表明，微通道长度一定时，随着入口速度、温度的增大及截面尺寸的减小，粘性耗散作用逐渐减弱。相同工艺参数下，提高超声振动功率和频率均使得微通道中聚合物熔体流动时粘性耗散作用增强，出口温度升高。对比实验与模拟结果还发现，熔体流经微通道过程中，其出口熔体温升是粘性耗散与通道壁面热传导综合作用结果，实际粘性耗散生热量高于实验测量值。考虑对流换热后的实验测量结果与数值模拟结果、理论计算结果有较好的一致性，证明了粘性耗散理论模型的合理性。

目录

声明

摘要

1 绪论

1．1 课题的研究背景及意义

1．1．1 课题背景

1．1．2 研究意义

1．2 超声技术在塑料成型加工领域的研究概况

1．2．1 超声技术基本理论

1．2．2 振动技术在塑料成型加工中的应用

1．2．3 超声振动技术在塑料成型加工中的应用

1．2．4 存在问题

1．3 课题研究主要内容

2 微注塑成型中粘性耗散的理论基础

2．1 微注塑成型的特点

2．2 聚合物成型充模流动的基本方程

2．3 粘性耗散的数学模型

2．3．1 简化与假设

2．3．2 边界条件

2．3．3 微注塑成型中粘性耗散的数学描述

2．3．4 超声外场作用下的粘性耗散数学模型

3 微注塑成型中粘性耗散的数值模拟

3．1 FLUENT软件简介

3．2 粘性耗散数值模拟中的粘度模型

3．3 数值模拟中的简化和假设

3．4 模拟材料及微通道尺寸的确定

3．5 基于Moldflow的注射工艺参数优化

3．6 微注塑成型过程中边界层的确定

3．6．1 速度边界层的确定

3．6．2 温度边界层的确定

3．7 几何模型和参数设置

3．8 粘性耗散数值模拟结果分析与讨论

3．8．1 微通道入口熔体温度对粘性耗散的影响

3．8．2 微通道入口速度对粘性耗散的影响

3．8．3 微通道截面尺寸对粘性耗散的影响

4 超声振动微注塑实验模具设计

4．1 超声振动系统设计

4．1．1 超声振动系统的工作原理

4．1．2 超声发生器

4．1．3 超声振子

4．2 微注塑模具结构设计

4．2．1 超声振动作用于熔体的模具结构

4．2．2 超声振动作用于镶块的模具结构

5 微注塑充模流动中熔体粘性耗散的实验测量

5．1 实验设备与材料

5．1．1 注塑机

5．1．2 模温机和冷水机

5．1．3 干燥设备

5．1．4 温度测量系统

5．2 测量原理及方法

5．2．1 超声振动作用于熔体的实验原理及方法

5．2．2 超声振动作用于镶块的实验原理及方法

5．3 实验结果分析与讨论

5．3．1 入口温度不同时的微通道出口熔体温升

5．3．2 入口速度不同时的微通道出口熔体温升

5．3．3 截面尺寸不同时的微通道出口熔体温升

5．3．4 微通道沿流动方向不同截面处的熔体温升

5．3．5 超声振动频率不同时的微通道出口熔体温升

5．4 实验结果与模拟结果的对比分析

5．5 实验结果、模拟结果与理论计算结果的对比分析

结论

参考文献

攻读硕士学位期间发表学术论文情况

致谢