微圓柱陣列注射成型數(shù)值模擬及正交優(yōu)化

陳澤中，陳晨

(上海理工大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，上海 200093)

微圓柱陣列注射成型數(shù)值模擬及正交優(yōu)化

陳澤中，陳晨

(上海理工大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，上海 200093)

針對(duì)微圓柱陣列的注射成型過(guò)程進(jìn)行數(shù)值模擬研究，比較了不同原料聚丙烯(PP)、聚甲醛(POM)、丙烯腈–丁二烯–苯乙烯塑料(ABS)的成型工藝，并利用正交試驗(yàn)就微注射成型過(guò)程中影響熔體填充效果的主要工藝參數(shù)如模具溫度、熔體溫度和注射時(shí)間進(jìn)行了模擬。運(yùn)用極差分析法和方差分析法對(duì)熔體填充率進(jìn)行分析。結(jié)果表明，對(duì)于PP而言，填充時(shí)間對(duì)其填充率的影響占主導(dǎo)地位，而對(duì)于POM與ABS，模具溫度的影響相對(duì)更大。模具溫度、熔體溫度越高，注射時(shí)間越短，塑件填充效果越好。綜合考慮，三種聚合物材料對(duì)微圓柱陣列填充效果適應(yīng)性為：PP＞ABS＞POM。

微圓柱陣列；數(shù)值模擬；正交優(yōu)化；填充率

隨著微型件在微機(jī)電系統(tǒng)中應(yīng)用越來(lái)越普遍，人們對(duì)其成型工藝提出了更高的要求。運(yùn)用硅基材料或傳統(tǒng)的微細(xì)加工方法成型微型件，已經(jīng)很難滿足人們的期望[1–2]。而微注塑作為近十幾年來(lái)興起的微型制品成型工藝，具有如下優(yōu)勢(shì)：尺寸和形狀適應(yīng)性好，成型精度高，可連續(xù)化批量生產(chǎn)，加工成本低，加工效率高等，因此，對(duì)于微注塑的研究得到了人們?cè)絹?lái)越多的關(guān)注[3–7]。

微注射成型工藝作為微注塑技術(shù)的主要研究?jī)?nèi)容之一，能很好地為提高成型質(zhì)量提供技術(shù)參考和支持。微小型腔因其特征尺寸小、表體比大，若采用宏觀注射成型的工藝參數(shù)，熔體將迅速冷卻，流動(dòng)性急劇下降，造成嚴(yán)重的短射[8]。因此，為了盡可能地保證微型制件充填的完整性，應(yīng)盡量提高模具溫度，Su Y C等[9]通過(guò)調(diào)整凹形微結(jié)構(gòu)填充過(guò)程中的工藝參數(shù)，發(fā)現(xiàn)只有模具溫度比成型材料的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度高出30～40℃時(shí)制品才能有良好的填充效果。

用于微注射成型的聚合物材料要具有玻璃化轉(zhuǎn)變溫度低、黏度低、力學(xué)性能高、熱穩(wěn)定性能好等特點(diǎn)。Shen Y K等[10]利用計(jì)算機(jī)模擬，選取了聚丙烯(PP)、聚甲醛(POM)、聚碳酸酯(PC)、尼龍(PA)、聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)和聚苯乙烯(PS)這幾種微注塑原料，發(fā)現(xiàn)PP最適合用來(lái)成型微齒輪，而PMMA最適合成型帶有微穴結(jié)構(gòu)的零件。PP，丙烯腈–丁二烯–苯乙烯塑料(ABS)，POM，PMMA，PC，PA，液晶聚合物(LCP)和聚醚醚酮(PEEK)是現(xiàn)今用于微注射成型的主要材料。

筆者以微圓柱陣列為研究對(duì)象，該陣列是微流控芯片的一種，即芯片試驗(yàn)室。它的大小一般只有數(shù)十平方厘米，可利用底板上的微通道或微結(jié)構(gòu)來(lái)控制系統(tǒng)中流體的流向，并在上面進(jìn)行化學(xué)和生物等領(lǐng)域中所涉及的樣品制備、反應(yīng)和檢測(cè)等操作。因此，在藥物篩選、有機(jī)物的合成以及環(huán)境監(jiān)測(cè)等方面得到了廣泛的應(yīng)用[11]。同時(shí)在光學(xué)、化學(xué)、通訊以及醫(yī)療等領(lǐng)域也有很大的實(shí)用價(jià)值，例如生物微針陣列、微生物芯片、光存儲(chǔ)器、顯微鏡頭以及微化學(xué)反應(yīng)芯片等[12]。

PP由于有較好的填充性能，近年來(lái)被廣泛運(yùn)用于微圓柱陣列成型的研究中[13–15]，但在該零件的成型中，其它材料的成型效果研究卻未見(jiàn)報(bào)道。筆者選取了PP，POM和ABS這三種適用于微注塑的材料，以填充率為指標(biāo)，對(duì)該零件的成型效果進(jìn)行了研究，并分析了各工藝參數(shù)對(duì)填充率的影響規(guī)律。

1　數(shù)值模擬分析及正交試驗(yàn)

1．1微圓柱陣列幾何模型

微圓柱陣列幾何模型設(shè)計(jì)如圖1所示。底板長(zhǎng)12 cm，寬8 cm，厚度為2 mm。微圓柱采用5×7的陣列形式，間隔為1 mm，微圓柱直徑為0.2 mm，高度為0.4 mm。

圖1　微圓柱陣列三維模型

1．2數(shù)值模擬前處理

用Hypermesh對(duì)制品進(jìn)行網(wǎng)格劃分，然后導(dǎo)入Moldflow。網(wǎng)格類(lèi)型為3D四面體網(wǎng)格，底板和微圓柱采用不同的網(wǎng)格邊長(zhǎng)，底板網(wǎng)格邊長(zhǎng)為0.4 mm，微圓柱網(wǎng)格邊長(zhǎng)為0.06 mm。采用一模兩腔注射方式，網(wǎng)格劃分結(jié)果如圖2所示。

1．3微圓柱陣列注射成型工藝條件

圖2　微圓柱陣列的網(wǎng)格劃分

表1　塑料原料

選擇的PP，POM，ABS的來(lái)源和牌號(hào)見(jiàn)表1。微圓柱陣列在注射成型過(guò)程中常發(fā)生短射，即微圓柱填不滿的情況，因此將填充率作為目標(biāo)試驗(yàn)指標(biāo)，但由于微圓柱的體積占總體積的比例很小，傳統(tǒng)的填充率計(jì)算方式不能直觀表示填充率的變化趨勢(shì)，所以這里的填充率＝已填充滿的微圓柱個(gè)數(shù)／總的微圓柱個(gè)數(shù)，其中總的微圓柱個(gè)數(shù)為70。試驗(yàn)證明由這種方式計(jì)算出的填充率變化趨勢(shì)與Moldflow軟件算出的填充率變化趨勢(shì)一致。在選取數(shù)據(jù)前對(duì)三個(gè)主要因素模具溫度(A)、熔體溫度(B)、填充時(shí)間(C)分別進(jìn)行了單因素的數(shù)值模擬，主要工藝參數(shù)見(jiàn)表2～表4。

表2　PP的主要成型參數(shù)

表3　POM的主要成型參數(shù)

表4　ABS的主要成型參數(shù)

2　模擬結(jié)果分析

2．1試驗(yàn)數(shù)據(jù)

利用L16(43)的正交表研究各個(gè)工藝參數(shù)對(duì)微圓柱陣列填充率的影響規(guī)律及影響程度，正交表的設(shè)計(jì)與試驗(yàn)結(jié)果如表5所示。

表5　試驗(yàn)設(shè)計(jì)及結(jié)果

2．2模擬結(jié)果

(1)極差分析。

各個(gè)因素對(duì)指標(biāo)的影響程度體現(xiàn)為極差，極差越大，即該因素水平的變化對(duì)所選指標(biāo)的影響越大，反之則影響越小。試驗(yàn)得到三種材料的極差分析如圖3及表6所示，對(duì)于PP而言，注射時(shí)間的極差最大，說(shuō)明注射時(shí)間對(duì)其填充率的影響最大，其次是模具溫度，熔體溫度對(duì)其影響程度最小。而對(duì)于POM和ABS，模具溫度對(duì)它們的填充率的影響最大，注射時(shí)間次之，熔體溫度的影響最小。

圖3　正交模擬極差曲線

表6　填充率的極差分析

試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，模具溫度、熔體溫度越高，注射時(shí)間越短，塑件填充效果越好，而注射時(shí)間對(duì)PP的填充率影響最大，推測(cè)其原因可能是PP是一種剪敏性材料，即它的流動(dòng)性受剪切力的影響更大，注射時(shí)間越短，熔體流動(dòng)速率越快，剪切力越大，導(dǎo)致剪切生熱，從而提高了它的填充率。而反觀POM與ABS，可以發(fā)現(xiàn)模具溫度對(duì)它們的填充率影響最大，尤其是ABS，極差值達(dá)到了64.43，說(shuō)明它是溫敏性材料，即增大模具溫度能很好地提高它的流動(dòng)性。

(2)方差分析。

為了對(duì)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行進(jìn)一步精確分析，根據(jù)方差分析理論，計(jì)算得三種材料各個(gè)因素的偏差平方和、F比和貢獻(xiàn)率，如表7～表9所示。

表7　PP填充率的方差分析結(jié)果

表8　POM填充率的方差分析結(jié)果

表9　ABS填充率的方差分析結(jié)果

貢獻(xiàn)率的值能更直觀反映各個(gè)因素對(duì)填充率作用的大小，對(duì)于三種材料而言，熔體溫度均對(duì)填充率的影響很小(貢獻(xiàn)值分別為PP 1.649%，POM 8.519%，ABS 5.853%)。模具溫度對(duì)ABS填充率的影響高達(dá)86.650%，為顯著貢獻(xiàn)因素。

通過(guò)以上分析，得出三種材料填充率的極差分析結(jié)果與方差分析結(jié)果完全吻合，說(shuō)明正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)和方差分析的方法在此很好地反映出了注塑結(jié)果的影響規(guī)律。但由于整個(gè)注塑過(guò)程是一個(gè)多因素相互作用、多目標(biāo)決定成型質(zhì)量的過(guò)程，所以在得到單目標(biāo)影響規(guī)律的前提下，還要進(jìn)行多目標(biāo)的優(yōu)化。

(3)結(jié)果分析。

分析比較三種材料，填充率主要受注射時(shí)間及模具溫度的影響較大，因?yàn)樵谔畛溥^(guò)程中，模具溫度遠(yuǎn)小于熔體溫度，所以一旦物料接觸到模具型腔壁面，就會(huì)導(dǎo)致其溫度驟降，開(kāi)始冷凝，流動(dòng)性變差。提高模具溫度，可以減少熔體與模具之間的溫度差，使得熔體在填充過(guò)程的冷卻效應(yīng)減小，從而提高填充率。三種材料中，ABS的填充效果受模具溫度的影響最大，其貢獻(xiàn)率達(dá)到了86.650%，說(shuō)明ABS是一種典型的溫敏性材料。縮短注射時(shí)間，即減小了熔體與模具壁面的接觸時(shí)間，降低了熱量損失，同時(shí)注射時(shí)間越短，注射速率越高，產(chǎn)生的剪切效應(yīng)越顯著，剪切生熱，降低了黏度，增加了流動(dòng)性，提高了微圓柱的填充率。三種材料中，注射時(shí)間對(duì)PP填充率的影響最大，這也印證了PP是剪敏性材料。

比較三種材料熔體溫度變化對(duì)填充率的影響，可以發(fā)現(xiàn)隨著熔體溫度升高，填充效果略有改善，但相對(duì)于其它兩個(gè)因素變化不甚明顯，雖然熔體溫度升高能使物料流動(dòng)性變好，但熔體與模具之間的溫度差還是很大，熱量流失過(guò)多，導(dǎo)致使其流動(dòng)性變差，因此填充率變化程度也越小，但熔體溫度過(guò)高，材料容易發(fā)生降解，且制品收縮率和翹曲也會(huì)增大，所以，在保證填充效果前提下，熔體溫度不宜過(guò)高。

綜合極差分析與方差分析可以得出三種材料的最優(yōu)參數(shù)：PP為A4B2C1，即模具溫度70℃，熔體溫度210℃，注射時(shí)間0.35 s；POM為A4B4C1，即模具溫度90℃，熔體溫度230℃，注射時(shí)間0.6 s；ABS為A4B3C1，即模具溫度80℃，熔體溫度240℃，注射時(shí)間0.6 s。

3　結(jié)論

(1)注射時(shí)間對(duì)PP填充率的影響最大，模具溫度次之，熔體溫度影響最小，而對(duì)于POM及ABS，三個(gè)因素的影響主次順序?yàn)椋耗＞邷囟龋咀⑸鋾r(shí)間＞熔體溫度。

(2)微圓柱陣列的填充率隨模具溫度和熔體溫度的升高、注射時(shí)間的降低而增大，但熔體溫度對(duì)填充率的改善不甚明顯。

(3)三種材料成型該塑件的適用性為：PP＞ABS＞POM。

[1]于同敏，莊儉，王敏杰，等.微注塑成型中熔體充模流動(dòng)的影響因素研究[J].塑性工程學(xué)報(bào)，2007，14(6):185–189. Yu Tongmin，Zhuang Jian，Wang Minjie，et al. Study on the influence factors on the filling flow for polymeric melt in micro injection molding[J]. Journal of Plasticity Engineering，2007，14(6):185–189.

[2]宋滿倉(cāng)，劉柱，于同敏.微成型數(shù)值模擬技術(shù)的現(xiàn)狀與發(fā)展[J].機(jī)械制造與自動(dòng)化，2005，34(2):1–3. Song Mancang，Liu Zhu，Yu Tongmin. Present situation and development of numerical simulation technology for micro injection molding[J]. Machine Building & Automation，2005，34(2):1–3.

[3]Liou A C，Chen R H. Injection molding of polymer micro-and sub-micron structures with high-aspect ratios[J]. The International Journal of Advanced Manufacturing Technology，2006，28(11–12):1 097–1 103.

[4]Kim S，Shiau C S，Kim B H，et al. Injection molding nanoscale features with the aid of induction heating[J]. Polymer-Plastics Technology and Engineering，2007，46(11):1 031–1 037.

[5]Tosello G，Hansen H N，Gasparin S. Applications of dimensional micro metrology to the product and process quality control in manufacturing of precision polymer micro components[J]. CIRP Annals-Manufacturing Technology，2009，58(1):467–472.

[6]Giboz J，Copponnex T，Mélé P. Microinjection molding of thermoplastic polymers:a review[J]. Journal of Micromechanics and Microengineering，2007，17(6):R96.

[7]馮曉祥，蔣志恒，甘鶴鳴，等.微型注塑條件下PLA／POM共混物的形貌及結(jié)晶行為[J].工程塑料應(yīng)用，2016，44(2):96–100. Feng Xiaoxiang，Jiang Zhiheng，Gan Heming，et al. Morphologies and crystallization behaviors of PLA／POM blends under microinjection molding conditions[J]. Engineering Plastics Application，2016，44(02):96–100.

[8]王金蓮，黃慶達(dá)，許忠斌，等.微注塑成型技術(shù)研究現(xiàn)狀與發(fā)展[J].塑料工業(yè)，2014，42(8):16–20. Wang Jinlian，Huang Qingda，Xu Zhongbin，et al. Research actuality and development of micro injection molding[J]. China Plastics Industry，2014，42(8):16–20.

[9]Su Yuchuan，Jatan Shah，Lin Liwei. Implementation and analysis of polymeric microstructure replication by micro injection molding[J]. Journal of Micromechanics and Microengineering，2003，14(3):415. [10]Shen Y K，Shie Y J，Wu W Y. Extension method and numerical simulation of micro-injection molding[J]. International Communications in Heat and Mass Transfer，2004，31(6):795–804.

[11]林炳承，秦建華.微流控芯片試驗(yàn)室[J].色譜，2005，23(5):456–463. Lin Bingcheng，Qin Jianhua. Laboratory on a microfluidic chip[J]. Chinese Journal of Chromatography，2005，23(5):456–463.

[12]盧振，張凱鋒.微注射成形聚丙烯微陣列填充與形態(tài)結(jié)構(gòu)[J].納米技術(shù)與精密工程，2007，5(4):339–342. Lu Zhen，Zhang Kaifeng. Filling and morphology of PP microarray by micro injection molding[J]. Nanotechnology and Precision Engineering，2007，5(4):339–342.

[13]張勤星，李倩，董自開(kāi)，等.聚丙烯微陣列結(jié)構(gòu)制品熔體充填行為[J].化工學(xué)報(bào)，2013(8):3 045–3 053. Zhang Qinxing，Li Qian，Dong Zikai，et al. Filling behavior of iPP micro-array structure product by micro injection molding[J]. Journal of Chemical Industry and Engineering(China)，2013(8):3 045–3 053.

[14]宋滿倉(cāng)，于文強(qiáng).微圓柱陣列微流控芯片注射成型[J].模具工業(yè)，2015，41(9):36–41. Song Mancang，Yu Wenqiang. Injection moulding for microcylinder array microfluidic chip [J]. Die & Mould Industry，2015，41(9):36–41.

[15]Lu Z，Zhang K F. Morphology and mechanical properties of polypropylene micro-arrays by micro-injection molding[J]. International Journal of Advanced Manufacturing Technology，2008，40(5):490–496.

Injection Molding Numerical Simulation and Orthogonal Optimization for Micro Column Array

Chen Zezhong， Chen Chen
(School of Material Science and Engineering， University of Shanghai for Science and Technology， Shanghai 200093， China)

Numerical simulation for forming process of micro column array was studied. The forming processes of different injection materials such as polypropylene (PP)，polyformaldehyde (POM)，ABS were compared. The main process parameters influencing the micro-parts quality included mold temperature，melt temperature and filling time was simulated by orthogonal experiments. Based on the range analysis and variance analysis，the simulation results of the filling ratio were analyzed. The results showed that，for PP，the filling time had the greatest influence on filling ratio，as for POM and ABS，the mold temperature had a relatively higher influence. The higher the mold temperature and the injection temperature，the lower the injection time，resulted in the better filling ratio. Comprehensive consideration，the availability of polymer material on the micro column array was as follows：PP＞ABS＞POM.

micro column array；numerical simulation；orthogonal optimization；filling ratio

TQ320.66

A

1001-3539(2016)11-0067-04

10.3969/j.issn.1001-3539.2016.11.015

聯(lián)系人：陳澤中，副教授，主要研究方向?yàn)椴牧霞庸ば录夹g(shù)及模具CAD／CAE／CAM

2016-08-16