微構(gòu)件的熱注射近凈成型控制

韋麗君， 尹曉鵬， 張鐵鑫

（長(zhǎng)春工業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，吉林長(zhǎng)春 130012）

0 引 言

隨著微機(jī)電系統(tǒng)（Micro-Electro-Mechanical Systems，MEMS）和3C行業(yè)的迅速發(fā)展，微器件的需求迅速增加，微型化、薄型化的要求也越來(lái)越高，其應(yīng)用涉及國(guó)防、醫(yī)療、交通、電子封裝等各個(gè)領(lǐng)域。微構(gòu)件需求增加的同時(shí)，各種微細(xì)加工技術(shù)也在不斷發(fā)展，現(xiàn)有的微細(xì)加工技術(shù)可以分為硅基和非硅基加工［1］。微構(gòu)件復(fù)雜程度和加工材料適用性都存在局限性。粉末微注射成型（Micro Power Injection Molding，MPIM）技術(shù)是一種新技術(shù)，由于其成本低，可大規(guī)模生產(chǎn)復(fù)雜微構(gòu)件和材料的適用性高（陶瓷、金屬等粉末）［2］，使其迅速成為現(xiàn)今的微制造技術(shù)的研究熱點(diǎn)。因此以微／納米技術(shù)和流體力學(xué)理論為基礎(chǔ)，采用先進(jìn)實(shí)驗(yàn)方法和技術(shù)手段研究熱注射微成型機(jī)理和方法，對(duì)于陶瓷的微構(gòu)件和微系統(tǒng)的實(shí)用化與產(chǎn)業(yè)化和改善微構(gòu)件成型水平的意義十分重要。

1 注射成型的方法

微構(gòu)件成型的方法多種多樣，注射成型技術(shù)是其中之一，它的優(yōu)點(diǎn)是能夠制造出外形復(fù)雜、精度較高的微構(gòu)件，因其機(jī)械化部分所占比例較大，深受人們的青睞。但隨著技術(shù)的不斷更新進(jìn)步，人們對(duì)于產(chǎn)品精度、性能和其它方面都有更高的追求，所以在常規(guī)注射成型技術(shù)上催生出一大批新的注射成型技術(shù)，如氣體輔助注射成型、水輔助注射成型、模具滑合成型、層狀注射成型、熱壓注成型技術(shù)等［3］。下面簡(jiǎn)單介紹這幾種注射成型的方法：

1）氣體輔助成型技術(shù)是在中空制件與大型平板制件的制件過(guò)程中，為了消除構(gòu)件表面的縮痕，減少使用材料，常常在制件內(nèi)部注塑高壓氣體，以產(chǎn)生中空截面，氣體積壓減少殘余的內(nèi)應(yīng)力［4］，從而使構(gòu)件表面的縮痕消除。這個(gè)過(guò)程必須先要注射熔體之后再進(jìn)行氣體注射，最后達(dá)到氣體保壓階段。

2）水輔助注射成型技術(shù)在熱塑性塑料和內(nèi)表面光滑的導(dǎo)管的生產(chǎn)過(guò)程中，將氣體輔助注射成型技術(shù)中的氮?dú)庥盟〈?］，使之在輔助體內(nèi)部流動(dòng)，最后進(jìn)行空氣壓縮，將其內(nèi)部的水全部壓出。

3）模具滑合成型使產(chǎn)品的尺寸精度提高，改善產(chǎn)品表面精度。它是將中空的制品分為兩半，分別注射成為半成品，再將其兩部分與模具對(duì)合，進(jìn)行二次合模，最后在制品兩部分的結(jié)合縫中注入熔體得到完整的中空制品［6］。

4）層狀注射成型技術(shù)使產(chǎn)品在阻擋氣體滲透、透明性等方面有較為突出的優(yōu)點(diǎn)，它是兩種類(lèi)型的樹(shù)脂進(jìn)行注射，使其通過(guò)多級(jí)共擠模頭各股熔體在共擠模頭中逐級(jí)分層［7－8］，之后進(jìn)入注塑模腔疊加。

5）熱壓注成型技術(shù)是基于石蠟加熱熔融，熱的石蠟液和無(wú)塑性陶瓷粉料均勻地混合成漿，并在一定的壓力下，使其注入模具。再根據(jù)石蠟遇冷凝固的特點(diǎn)，待蠟漿冷卻凝固后取出成型的胚體。經(jīng)過(guò)適當(dāng)?shù)男拚?，脫蠟燒結(jié)以形成最終制品。

在眾多注射成型的技術(shù)中，熱壓注成型技術(shù)更適合本次實(shí)驗(yàn)的研究，因?yàn)榈玫降闹破肪雀?，制造過(guò)程效率高、自動(dòng)化程度高，因此，我們改進(jìn)了熱壓注成型技術(shù)，得到一種適用于微構(gòu)件成型的技術(shù)，將其稱(chēng)之為微構(gòu)件的熱注射近凈成型技術(shù)。

2 微構(gòu)件的熱注射近凈成型的基本原理

微注射成型工藝是對(duì)傳統(tǒng)注射工藝的改進(jìn)，這個(gè)過(guò)程是將處理好的陶瓷粉料或金屬粉料與粘結(jié)劑混合充分［9］，然后通過(guò)推桿的推動(dòng)，以一定的壓力將混合在一起的陶瓷粉末和粘結(jié)劑同時(shí)注入能夠控制溫度的料筒中，之后通過(guò)對(duì)料筒中溫度的控制對(duì)陶瓷粉末和粘結(jié)劑的混合料進(jìn)行加熱，粘結(jié)劑充當(dāng)載體與陶瓷粉末一起注射到型腔內(nèi)形成毛坯，最后在特定的氣氛下脫膠，燒結(jié)成為微構(gòu)件，如圖1所示。

圖1 注射成型工藝流程

微注射成型具有工藝簡(jiǎn)單、生產(chǎn)效率高、成本低、零件精度和強(qiáng)度高的特點(diǎn)，所以近年來(lái)微注射加工方法和微注射模具設(shè)計(jì)得到了很大發(fā)展。微陶瓷熱注射可制備μm～mm范圍內(nèi)的微陶瓷零件［10］。陶瓷熱注射微模具成型可以精密成型各種三維形狀復(fù)雜的陶瓷和金屬微型零件，特別適合于大規(guī)模生產(chǎn)的微器件。

微構(gòu)件熱注射成型工藝所用的粉末尺寸一般在0.5～20μm，因?yàn)轭w粒數(shù)多，表面積就大，更有利于成型、燒結(jié)。粘結(jié)劑的作用是使混合料在料筒中具有流變性和潤(rùn)滑性，可以說(shuō)是帶動(dòng)粉末流動(dòng)的一種載體，所以粘結(jié)劑通常使用與粉末不起任何化學(xué)反應(yīng)、流變性好以及容易清除的［11］。將特殊加工的粉末與選取好的粘結(jié)劑混煉之后，使流變性達(dá)到適用于注射成型的狀態(tài)，將混合料喂入加熱裝置中熔化，使用一個(gè)具有往復(fù)運(yùn)動(dòng)的推桿以一定的壓力來(lái)聚集和加壓混合料，將其注入模具中。在充模之前，熔體從噴嘴流經(jīng)流道和澆口。充填完畢后，喂料過(guò)程中的熱量通過(guò)模具散發(fā)出去，最后打開(kāi)模具，取出成型毛坯［12］。成型的毛坯要將其中的粘結(jié)劑去除，這個(gè)過(guò)程就是脫脂，最后進(jìn)行燒結(jié)，得到成型的微構(gòu)件，如圖2所示。

圖2 注射成型原理圖

注射成型過(guò)程中主要研究的工藝參數(shù)有注射速率、混合料流動(dòng)中受到的阻力、水頭損失系數(shù)、注射壓力、料筒直徑、微構(gòu)件材料等，它們會(huì)影響產(chǎn)品的質(zhì)量，所以建立合適的數(shù)學(xué)模型，選取適當(dāng)參數(shù)對(duì)于制造效率高、質(zhì)量好的微構(gòu)件十分重要。

3 建立微構(gòu)件熱注射近凈成型的數(shù)學(xué)模型

諾維－斯托克斯方程（Navier-Stokes）是一種對(duì)不可流動(dòng)且具有粘性的流體動(dòng)量守恒進(jìn)行描述的運(yùn)動(dòng)方程，我們稱(chēng)之為N-S方程。首先要建立方程，然后確定粘性流動(dòng)的流場(chǎng)，確定流動(dòng)的邊界條件初和始條件來(lái)控制流體流動(dòng)。對(duì)于特定的流動(dòng)問(wèn)題，為了簡(jiǎn)化方程，使N-S方程中的若干項(xiàng)等于零，得到一個(gè)常微分方程。其中圓管流動(dòng)是典型的例子，通過(guò)此方法可得到其精確解。這里要研究的是如何保障加熱裝置中的微構(gòu)件和粘結(jié)劑的混合料均勻地進(jìn)行流動(dòng)，選取適當(dāng)?shù)膮?shù)。

對(duì)于圓管內(nèi)不可壓縮流體的穩(wěn)定層流流動(dòng)，最簡(jiǎn)單的辦法是使用柱坐標(biāo)方程。流體具有不可壓縮性，Dr／Dt＝0，流動(dòng)平穩(wěn)，r／t＝0，圓管內(nèi)的流動(dòng)屬于一維流動(dòng)，vr＝vq＝0，且流動(dòng)軸向?qū)ΨQ(chēng)，r／q＝0。將上述條件代入不可壓縮流體柱坐標(biāo)系下的連續(xù)性方程和N-S方程中化簡(jiǎn)得：

可將上式中最后一個(gè)表達(dá)式的偏微分寫(xiě)成常微分，即：

經(jīng)過(guò)簡(jiǎn)化，非線性的N-S方程轉(zhuǎn)化成了常微分方程。根據(jù)數(shù)理方程的基本知識(shí)，只有等式兩側(cè)同時(shí)等于一個(gè)常數(shù)時(shí)該式才成立，即：

設(shè)管長(zhǎng)L內(nèi)廣義壓力降為DG＝G1－G2，則：

對(duì)式（3）進(jìn)行兩次積分可得通解為：

邊界條件：r＝R（圓管半徑）時(shí)，v＝0；r＝0時(shí)，v為有限值。

將邊界條件代入式（4）得積分常數(shù)為：

所以，不可壓縮流體在圓管內(nèi)穩(wěn)定層流時(shí)的速度分布方程：

可知，速度分布為拋物線。當(dāng)r＝0時(shí)，v有最大值：

由式（5）和式（6）可得v與vmax的關(guān)系式：

平均流速：

通過(guò)推導(dǎo)出的流速分布，可以計(jì)算出范寧摩擦因數(shù)：

式中：τw——壁應(yīng)力。

由牛頓粘性定律可知，圓管內(nèi)層流時(shí)：

式（9）和式（10）化簡(jiǎn)得：

式中：d——管的直徑；

μ——?jiǎng)恿φ扯龋?/p>

ρ——密度。

在圓管內(nèi)流動(dòng)問(wèn)題中，這時(shí)的水頭損失系數(shù)λ表示阻力系數(shù)，λ＝4f，因此：

式（12）和式（13）適用范圍為Re＝dur／m≤2 300。

根據(jù)N-S方程的推導(dǎo)，求解出了速度分布、平均流速和阻力系數(shù)等關(guān)系式，利用了廣義壓力的概念，所以不論是傾斜管道還是水平管道，這些結(jié)果都適用。這樣便可以確定適合微陶瓷熱注射成型的流變方程及邊界條件，從而建立微陶瓷熱注射成型的研究模型。

4 實(shí)驗(yàn)分析

實(shí)驗(yàn)選取適當(dāng)參數(shù)，混合料的動(dòng)力粘度近似于石蠟油的動(dòng)力粘度，取μ＝1.499Pa·s，密度近似于石蠟油的密度為0.83～0.89g／cm3，加熱裝置內(nèi)部直徑d取150～250mm，注射速度范圍在0.3～0.7m／s。

范寧摩擦因數(shù)與速度關(guān)系如圖3所示。

圖3 范寧摩擦因數(shù)與速度關(guān)系

從圖中可以看出，在速度為0.3～0.7m／s范圍內(nèi)，直徑大小不同，范寧摩擦因數(shù)大小也不同，直徑越大，范寧摩擦因數(shù)就越小，導(dǎo)致較小的壓差。

雷諾系數(shù)與速度關(guān)系如圖4所示。

圖4 雷諾系數(shù)與速度關(guān)系

從圖中可以看出，在速度為0.3～0.7m／s范圍內(nèi)，雷諾系數(shù)隨直徑的增大而增大，雷諾系數(shù)的增大影響流動(dòng)的穩(wěn)定性，從而會(huì)產(chǎn)生噪音。

水頭損失系數(shù)與速度關(guān)系如圖5所示。

從圖中可以看出，在速度為0.3～0.7m／s的范圍內(nèi)，水頭損失系數(shù)隨直徑的增大而減小，導(dǎo)致沿程損失增大，沿程阻力水頭損失主要用于流體的粘性造成的流體內(nèi)部層流間存在的內(nèi)摩擦阻力，它造成一部分機(jī)械能不可逆的轉(zhuǎn)化為熱能。

實(shí)驗(yàn)表明，應(yīng)該選取范寧摩擦因數(shù)較大、雷諾系數(shù)較小、水頭損失系數(shù)較小的參數(shù)，由圖3、圖4、圖5比較來(lái)看，速度范圍為0.3～0.7m／s時(shí)，推桿的直徑應(yīng)選取中間值，從而能夠兼顧摩擦因數(shù)和雷諾系數(shù)，則取d＝200mm，對(duì)應(yīng)的范寧摩擦因數(shù)范圍為0.019 3～0.045，雷諾系數(shù)范圍為355.477～829。通過(guò)上述數(shù)學(xué)模型的分析和實(shí)驗(yàn)，能夠良好地實(shí)現(xiàn)對(duì)微構(gòu)件的熱注射近凈成型的控制。

5 結(jié) 語(yǔ)

微構(gòu)件的熱注射近凈成型技術(shù)在發(fā)展過(guò)程中展現(xiàn)出了許多優(yōu)秀的特性，引起了社會(huì)的廣泛關(guān)注。通過(guò)查閱眾多注射方法的資料，我們選取了熱注射成型技術(shù)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，微構(gòu)件的熱注射成型的原理是粘結(jié)劑和陶瓷粉末的混合料通過(guò)推桿的推動(dòng)，在加熱裝置中以流體的形式通過(guò)噴嘴的噴射注入到型腔中形成毛坯，最后在特定的氣氛下經(jīng)過(guò)脫脂、燒結(jié)形成微構(gòu)件。由于在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，有許多因素影響著流體的流動(dòng)，所以需要建立數(shù)學(xué)模型控制其影響因素。經(jīng)過(guò)實(shí)驗(yàn)分析，當(dāng)范寧摩擦因數(shù)較大（0.019 3～0.045）、雷諾系數(shù)較?。?55.477～829）、水頭損失系數(shù)較小時(shí)（0.019 3～0.045），能夠良好地實(shí)現(xiàn)對(duì)微構(gòu)件的熱注射近凈成型的控制，起到讓熱注射成型技術(shù)效率高、機(jī)械能損失小的作用。

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