微細(xì)胞皿注塑模具變溫系統(tǒng)設(shè)計(jì)

徐 斌 高春雨 王敏杰 于同敏

1.西南科技大學(xué)制造過(guò)程測(cè)試技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，綿陽(yáng)，621010

2.國(guó)家安全生產(chǎn)監(jiān)督管理總局研究中心，北京，100713

3.大連理工大學(xué)精密與特種加工教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，大連，116024

0 引言

隨著微納米技術(shù)的快速發(fā)展，微型化和精密化已經(jīng)成為產(chǎn)品設(shè)計(jì)和開發(fā)的趨勢(shì)，微注塑成形制品特征尺寸越來(lái)越小［1－5］。有關(guān)研究表明，微塑件成形過(guò)程并不是宏觀塑件成形工藝的成比例縮小，隨著型腔結(jié)構(gòu)尺寸與體積的不斷減小，微尺度下多種影響因素的作用顯現(xiàn)出來(lái)［6－10］，導(dǎo)致常規(guī)注塑模具的設(shè)計(jì)理論與方法已不能完全適用，因此需要從微尺度角度考慮各種微尺度下的影響因素及其特點(diǎn)，采用新的思維理念形成微注塑模具設(shè)計(jì)的理論與方法。微注塑模具設(shè)計(jì)與傳統(tǒng)注塑模具設(shè)計(jì)不同，其中與傳統(tǒng)注塑模具設(shè)計(jì)不同之一是模具型腔表體比較大，充模流動(dòng)時(shí)熔體極易冷卻，因此在微注塑成形時(shí)需要較高的模具溫度，而塑件脫模時(shí)又要求模具溫度迅速降低至脫模溫度，故微注塑模具需具有快速變溫系統(tǒng)。

目前變溫方式主要有電熱水冷變模溫控制，感應(yīng)加熱變模溫控制，薄膜電阻式加熱變模溫控制，復(fù)合模壁絕熱—壓縮熱空氣加熱變模溫控制，以及紅外加熱、高頻臨界加熱、激光加熱、感應(yīng)加熱［11－18］等。微注塑成形對(duì)模具的溫度均勻性要求較高，否則會(huì)造成結(jié)晶分布不均，影響制品的力學(xué)性能［19］。筆者在加工細(xì)胞皿模具微型腔的基礎(chǔ)上，通過(guò)數(shù)值模擬，找出了影響充模流動(dòng)的關(guān)鍵因素，提出了油水電相結(jié)合的變模溫方式（電加熱升溫速度快，水冷卻傳熱效率高，熱油主要起穩(wěn)定和均勻模具溫度的作用），這種方法易于實(shí)現(xiàn)，成本較低，升降溫速度快，成形制品質(zhì)量穩(wěn)定。通過(guò)實(shí)驗(yàn)測(cè)試，采用此方法能夠達(dá)到微注塑成形的要求。

1 細(xì)胞皿結(jié)構(gòu)

本文所研究的細(xì)胞皿整體尺寸為1000μm×1000μm×350μm，其 上 陣 列 9 個(gè) 長(zhǎng) 寬 高為200μm×200μm×250μm 的 微 腔，壁 厚 為100μm，結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 細(xì)胞皿結(jié)構(gòu)圖（單位：μm）

2 微小型腔加工

鑲塊的材料為P20模具鋼，微型腔、澆口和引氣槽由大連理工大學(xué)精密與特種加工教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室自行研制的微細(xì)電火花銑削機(jī)床加工而成，如圖2所示。用Newview 5022型ZYGO表面輪廓儀測(cè)量了模腔方塊頂面的表面粗糙度，Ra為0.273μm。

圖2 模具型腔照片

3 數(shù)值模擬

由于受微尺度效應(yīng)的影響，微尺度聚合物熔體的流變特性和熔體的壁面滑移與宏觀尺度下的不同，但壁面滑移對(duì)熔體的充模流動(dòng)影響隨微通道的特征尺寸減小而降低［20］，對(duì)于微通道特征尺寸為100μm的模具，其影響小于5%，故忽略壁面滑移的影響。本文借助傳統(tǒng)注塑充模流動(dòng)過(guò)程分析方法進(jìn)行微注塑成形過(guò)程分析。

3.1 幾何模型

為了準(zhǔn)確分析工藝參數(shù)的設(shè)置對(duì)熔體經(jīng)過(guò)主流道、分流道、澆口進(jìn)入微型腔的充填物流動(dòng)過(guò)程的影響，采用型腔與其澆注系統(tǒng)一體的幾何模型。澆注系統(tǒng)及制品采用四面體3D網(wǎng)格劃分，如圖3所示。由于流道尺寸比澆口和型腔尺寸大很多，對(duì)澆口和微型腔進(jìn)行局部網(wǎng)格細(xì)化可以縮短計(jì)算時(shí)間，提高仿真精度。制品三維網(wǎng)格模型如圖4所示。

圖3 澆注系統(tǒng)及制品網(wǎng)格模型

圖4 制品網(wǎng)格模型

3.2 控制方程

熔體在微型腔中流動(dòng)時(shí)，根據(jù)Knudsen數(shù)的分類標(biāo)準(zhǔn)，當(dāng)微通道的特征尺寸大于聚合物熔體分子尺寸時(shí)，熔體流動(dòng)仍然滿足連續(xù)性假設(shè)，則用來(lái)描述熔體充模流動(dòng)的基本方程（即連續(xù)方程、動(dòng)量方程和能量方程）仍然適用。

熔體的流變行為由Cross－WLF7參數(shù)模型表示為

3.3 計(jì)算結(jié)果與分析

熔體材料選用聚丙烯PP（T30S），采用RH7型雙料筒毛細(xì)管流變儀和350μm毛細(xì)管口模進(jìn)行黏度測(cè)試，其數(shù)據(jù)擬合曲線如圖5所示，通過(guò)數(shù)據(jù)擬合得式（1）、（2）中參數(shù)如表1所示。參數(shù)T＊由生產(chǎn)廠家提供，為263.15K。將實(shí)驗(yàn)獲得流變數(shù)據(jù)代入Moldflow軟件中進(jìn)行數(shù)值計(jì)算，通過(guò)多次數(shù)值模擬，選擇較優(yōu)的工藝參數(shù)組合作為參考，結(jié)果如表2所示。逐一改變單個(gè)工藝參數(shù)，研究各工藝參數(shù)對(duì)細(xì)胞皿填充率的影響，各實(shí)驗(yàn)因素的水平取值見表3。實(shí)驗(yàn)指標(biāo)為填充率（%），即型腔的填充熔體體積與型腔體積之比。典型填充結(jié)果如圖6～圖10所示。根據(jù)模擬結(jié)果，對(duì)單個(gè)影響因素各個(gè)因素水平下的填充率作圖，結(jié)果如圖11所示。微注塑機(jī)選用德國(guó)BOY公司生產(chǎn)的BOY12A型注塑機(jī)，最大注射速率為240mm／s。表中注射速率為實(shí)際注射速率與最大注射速率之比。

圖5 黏度曲線

表1 材料Cross－WLF黏度模型參數(shù)

表2 參考工藝參數(shù)

表3 PP材料因素水平表

圖6 模具溫度120℃、t＝0.6875s時(shí)充模狀態(tài)

圖7 熔體溫度220℃、t＝0.8331s時(shí)充模狀態(tài)

圖8 注射速度8mm／s、t＝0.6599s時(shí)充模狀態(tài)

圖9 注射壓力70MPa、t＝0.7150s時(shí)充模狀態(tài)

圖10 注射量1.4cm3、t＝0.6925s時(shí)充模狀態(tài)

圖11 各工藝參數(shù)填充率影響曲線

從圖11可以看出，隨著注射速率、模具溫度、熔體溫度增大，填充率顯著增大。采用極差分析比較發(fā)現(xiàn)，注射速率對(duì)微型塑件細(xì)胞培養(yǎng)皿注射成形填充率的影響起主要作用，其次是熔體溫度和模具溫度。這是因?yàn)镻P材料熔體的黏度對(duì)剪切速率較敏感，增大注射速率，會(huì)使材料的黏度降低較多，從而提高熔體的流動(dòng)性能，因此增大注射速率能有效地提高填充率。PP材料熔體導(dǎo)熱系數(shù)小，使得澆口中心和型腔中心處熔體熱量散失較少，同時(shí)黏度受溫度影響較大，升高溫度易降低熔體黏度，此外，提高熔體溫度會(huì)有效地減少熱量損失，因此熔體溫度升高對(duì)提高填充率影響較大。對(duì)于模具溫度，由于PP材料的導(dǎo)熱系數(shù)較小，熔體流入澆口和型腔時(shí)，在壁面處極易形成冷凝層，易產(chǎn)生壁面滑移，阻礙熔體與壁面間的熱交換，因此提高模具溫度對(duì)提高填充率作用明顯。

此外，從模具溫度對(duì)填充率的影響曲線可以看出，當(dāng)模具溫度為120℃時(shí)，填充率為100%?？梢娪捎谖⒊叨刃颓槐眢w比變化較大，使充模過(guò)程中熔體的熱量極易散失，因此需要較高的模具溫度。

4 變模溫設(shè)計(jì)

本文所采用的變模溫設(shè)計(jì)方案如圖12所示。在鑲塊的兩側(cè)布置4根電加熱棒②－②、③－③，單根加熱棒的功率為450W；在加熱棒的外圍對(duì)稱布置8個(gè)油道⑤－⑤、⑥－⑥、⑦－⑦、⑧－⑧，油道的直徑為8mm；在油道與加熱棒之間布置冷卻水道①－①、④－④，水道直徑為6mm。其工作過(guò)程是注塑成形之前用熱油使模具溫度均勻并保持為脫模溫度，用電熱棒對(duì)模具加熱，達(dá)到預(yù)定溫度后，通過(guò)溫度傳感器⑨控制電源斷開，開始注塑填充型腔，模具冷卻時(shí)保持油溫，切斷電熱棒電源，接通冷卻水路對(duì)模具快速降溫。塑件脫模時(shí)，斷開冷卻水路。連續(xù)成形時(shí)，只需按設(shè)定時(shí)間切換加熱和冷卻開關(guān)，即可實(shí)現(xiàn)模具的快速加熱和冷卻。

圖12 變模溫設(shè)計(jì)方案示意圖

按圖12所示設(shè)計(jì)，在圖2所示的鑲塊傳感器孔位置安裝溫度傳感器進(jìn)行變模溫實(shí)驗(yàn)。合模后用油將模具加熱到80℃并使模具溫度保持均勻，通過(guò)加熱棒加熱模具至120℃時(shí)，斷開電源進(jìn)行注塑，注塑完畢后，進(jìn)行保壓，停留5s，通冷卻水使模具快速降溫，管中進(jìn)口冷卻水溫度由冷水機(jī)設(shè)置為21℃，流速為2.2m／s。從圖13中可以看出，變溫過(guò)程大約需要360s。

聚丙烯PP（T30S）成形塑件如圖14所示，不過(guò)模具溫度較高，會(huì)在邊上產(chǎn)生飛邊。

5 結(jié)論

（1）通過(guò)PP材料數(shù)值模擬分析可知，對(duì)細(xì)胞皿塑件充模流動(dòng)影響的關(guān)鍵因素是注射速率、熔體溫度、模具溫度。

圖13 80～120℃變模溫曲線

圖14 成形細(xì)胞皿

（2）在充模流動(dòng)過(guò)程中，當(dāng)型腔充滿時(shí)，需要模具溫度較高，達(dá)到120℃。

（3）設(shè)計(jì)的油水電相結(jié)合的變模溫方法對(duì)實(shí)現(xiàn)微注塑成形過(guò)程是可行的。

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