薄壁制品微結(jié)構(gòu)充填注射壓縮成型中關(guān)鍵因素分析

王 鑫，杜林芳，李寒琪

(1.河南工程學(xué)院機(jī)械工程學(xué)院，河南 鄭州 451191;2.河南機(jī)電職業(yè)學(xué)院機(jī)械工程學(xué)院，河南 鄭州 451191)

薄壁制品微結(jié)構(gòu)充填注射壓縮成型中關(guān)鍵因素分析

王 鑫1，杜林芳2，李寒琪1

(1.河南工程學(xué)院機(jī)械工程學(xué)院，河南 鄭州 451191;2.河南機(jī)電職業(yè)學(xué)院機(jī)械工程學(xué)院，河南 鄭州 451191)

利用正交實(shí)驗(yàn)和注射壓縮成型方法，考察了溫度和壓縮工藝參數(shù)對薄壁制品不同位置3處微結(jié)構(gòu)充填的影響。結(jié)果表明，距離澆口遠(yuǎn)近不同的微結(jié)構(gòu)，其充填的影響因素不同；與溫度因素相比，壓縮工藝參數(shù)對微結(jié)構(gòu)的充填起關(guān)鍵作用；壓縮工藝參數(shù)中的打開距離和壓縮速度對3處微結(jié)構(gòu)的充填影響都較大，且打開距離越小，壓縮速度越大越有利于微結(jié)構(gòu)的充填。

注射壓縮成型；微結(jié)構(gòu)；薄壁制品；充填

0 前言

注射壓縮成型(ICM)是在傳統(tǒng)注射成型基礎(chǔ)上發(fā)展起來的一種新型工藝，與傳統(tǒng)注射成型相比，其顯著特點(diǎn)是模具型腔空間可以按照不同要求自動調(diào)整，可以采用更小的鎖模力和注射壓力，因此可以減少材料內(nèi)應(yīng)力。注射壓縮成型適用于各種熱塑性工程塑料制作的產(chǎn)品，如大尺寸的曲面零件，薄壁、微型化零件，光學(xué)鏡片等[1-3]。

由于注射壓縮成型能有比傳統(tǒng)注射成型更長的流經(jīng)長度，這使得注射壓縮在微結(jié)構(gòu)上有更廣泛地應(yīng)用[4-5]。針對注射壓縮成型工藝過程與工藝參數(shù)對微結(jié)構(gòu)的復(fù)制上的相互影響，許多學(xué)者做了大量的研究。Hansen等[6]對注射壓縮成型不同形狀的納米級和微米級微結(jié)構(gòu)的復(fù)制率進(jìn)行了研究。Marco等[7]將鋸齒槽的注射壓縮成型與其他成型方法進(jìn)行了比較。Sha等[8]研究了相關(guān)工藝參數(shù)的提高對聚合物熔體在微型型腔填充效果的影響。吳澤[9]利用微注塑和微注射壓縮2種方法，分別制備了包含微制品的平板制品，研究出加工參數(shù)和幾何參數(shù)對微結(jié)構(gòu)的復(fù)制性能的影響，并比較出微注射壓縮比微注塑具有更好的微結(jié)構(gòu)復(fù)制性能。張之端等[10]采用正交實(shí)驗(yàn)方法，研究了注射壓縮工藝參數(shù)對微結(jié)構(gòu)成型精度的影響,得出壓縮距離和壓縮速度是影響微結(jié)構(gòu)成型精度的主要因素。

在薄壁制品上局部微結(jié)構(gòu)的成型一直是傳統(tǒng)注射成型難以完成的結(jié)構(gòu)，本文在前人的研究基礎(chǔ)上，針對注射壓縮成型薄壁件上不同位置處微結(jié)構(gòu)的充填進(jìn)行了研究，利用Moldflow軟件對微結(jié)構(gòu)的充填進(jìn)行了仿真實(shí)驗(yàn)，探討了相關(guān)工藝參數(shù)對薄壁制品上的微結(jié)構(gòu)的充填的影響。

1 實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ团c方法

1.1 實(shí)驗(yàn)分析模型

實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ驮O(shè)計(jì)為一薄壁長方形塑件，基體部分尺寸為25 mm×75 mm× 1 mm，壁厚為1 mm。在模型長度方向上的中部和兩側(cè)，設(shè)計(jì)有3個微結(jié)構(gòu)，微結(jié)構(gòu)尺寸為0.1 mm×7 mm×0.5 mm，壁厚為0.5 mm，如圖1所示。澆口位置選在模型左側(cè)寬度方向中部位置，3個微結(jié)構(gòu)離澆口的距離分別為20、35、50 mm，即近澆口、中間位置和遠(yuǎn)澆口3個位置。利用Moldflow軟件，采用中面網(wǎng)格對模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分，然后對模型進(jìn)行注射壓縮成型分析模擬實(shí)驗(yàn)。為保證分析精確，微結(jié)構(gòu)及附近局部位置進(jìn)行網(wǎng)格細(xì)化處理，基體部分網(wǎng)格尺寸為1 mm，微結(jié)構(gòu)處網(wǎng)格長度為0.1 mm，附近局部區(qū)域?yàn)?.3 mm，然后逐漸加大尺寸過渡到基體部分，整個模型網(wǎng)格達(dá)到20000個，達(dá)到分析要求，網(wǎng)格模型如圖2所示。材料選用聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA),牌號為Acryrex CM-205，生產(chǎn)廠家為中國臺灣奇美實(shí)業(yè)股份有限公司，熔體流動速率為1.8 g/10 min。

(a)制品尺寸 (b)制品3D模型圖1 制品結(jié)構(gòu)Fig.1 Structure of the product

圖2 網(wǎng)格模型Fig.2 Mesh model of the product

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

根據(jù)注射壓縮成型工藝的要求，選用模具溫度、熔體溫度、打開距離、等待時(shí)間、壓縮時(shí)間、壓縮力和壓縮速度共7個因素，考察這些因素對薄壁塑件微結(jié)構(gòu)充填效果的影響。實(shí)驗(yàn)采用正交實(shí)驗(yàn)方法，每個因素設(shè)計(jì)4個水平，采用L18(47)正交表進(jìn)行充填和保壓仿真實(shí)驗(yàn)，工藝因素和水平如表1所示。

表1 工藝因素和水平Tab.1 Process factors and levels

2 結(jié)果與分析

2.1F值分析結(jié)果

在整組實(shí)驗(yàn)中，中間和近端微結(jié)構(gòu)填充完整，而遠(yuǎn)端微結(jié)構(gòu)充填并不完整，所以遠(yuǎn)端微結(jié)構(gòu)的填充效果以填充距離來表征，中間和近端的微結(jié)構(gòu)填充效果以充填時(shí)間來表征。

按照正交實(shí)驗(yàn)的方差分析方法，F(xiàn)值是指各因素的平均差方和與誤差的平均差方和之比，F(xiàn)值越大，表明該因素對實(shí)驗(yàn)結(jié)果的影響程度越大。圖3所示為各個因素對3處微結(jié)構(gòu)充填效果的F值結(jié)果。

圖3 各因素F值結(jié)果Fig.3 F value of various factors

因素：(a)打開距離 (b)壓縮速度 (c)熔體溫度圖4 各因素對遠(yuǎn)端微結(jié)構(gòu)充填影響Fig.4 Filling influence of various factors on the far end microstructure

從F值結(jié)果上來看，距離澆口遠(yuǎn)近程度不同，其因素的影響情況有所不同。對遠(yuǎn)端微結(jié)構(gòu)充填影響較大的3種注射壓縮成型工藝因素為打開距離、壓縮速度和熔體溫度，其中打開距離的影響程度大于壓縮速度，壓縮速度的影響程度大于熔體溫度。對近端和中間微結(jié)構(gòu)充填效果影響較大的3種因素為等待時(shí)間、打開距離和壓縮速度，其中按影響程度大小進(jìn)行排序依次為等待時(shí)間、打開距離和壓縮速度。余下的3種因素分別為模具溫度、壓縮時(shí)間和壓縮力，從圖3可以看出，這3種因素對于3處微結(jié)構(gòu)充填效果的影響均較弱。

2.2 遠(yuǎn)端微結(jié)構(gòu)影響情況分析

如圖4為對遠(yuǎn)端微結(jié)構(gòu)充填效果影響較大的打開距離、壓縮速度和熔體溫度三因素對微結(jié)構(gòu)充填效果的影響趨勢圖。從遠(yuǎn)端微結(jié)構(gòu)的充填距離上來看，模具打開距離越大，微結(jié)構(gòu)的充填距離越短，越不利于遠(yuǎn)端微結(jié)構(gòu)的充填。壓縮速度與熔體溫度對遠(yuǎn)端微結(jié)構(gòu)充填影響的趨勢正好相反，壓縮速度越大，熔體溫度越高，充填距離越長。其中壓縮速度由0.1 cm/s增大至0.2 cm/s以及由0.2 cm/s增大至0.3 cm/s，充填距離增速有放緩的趨勢，而熔體溫度從240 ℃增至260 ℃，充填距離增大并不明顯，但熔體溫度從260 ℃增至280 ℃，充填距離增大迅速。

2.3 中間與近端微結(jié)構(gòu)影響情況分析

如圖5為對中間和近端微結(jié)構(gòu)充填效果影響較大的等待時(shí)間、打開距離和壓縮速度三因素對微結(jié)構(gòu)充填效果的影響趨勢圖。從圖5可看出，等待時(shí)間越長，微結(jié)構(gòu)的充填時(shí)間越長，越不利于微結(jié)構(gòu)的充填；打開距離越大，充填時(shí)間越長，也越不利于微結(jié)構(gòu)的充填；壓縮速度越大，充填時(shí)間越短，越有利于微結(jié)構(gòu)的充填。從趨勢線的斜率來看，這3個因素對中間微結(jié)構(gòu)的影響程度要大于對近端微結(jié)構(gòu)的影響程度，即隨著微結(jié)構(gòu)離澆口距離的越遠(yuǎn)，這樣的趨勢越明顯。

●—近端 ■—中間(a)等待時(shí)間 (b)打開距離 (c)壓縮速度圖5 各因素對近端和中間微結(jié)構(gòu)充填影響Fig.5 Filling influence of various factors on the near end and middle microstructure

通過分析結(jié)果發(fā)現(xiàn)，常規(guī)的溫度因素，除了熔體溫度對遠(yuǎn)端微結(jié)構(gòu)充填影響較大外，模具溫度和熔體溫度對微結(jié)構(gòu)充填的影響都不大，而壓縮工藝參數(shù)中，打開距離和壓縮速度對3處微結(jié)構(gòu)的充填影響都較大，且打開距離越小，壓縮速度越大越有利于微結(jié)構(gòu)的充填，壓縮力和壓縮時(shí)間對3處微結(jié)構(gòu)的充填影響甚微。分析原因，該注射壓縮工藝分析是在等注射量的基礎(chǔ)上進(jìn)行的，打開距離越小，同樣的壓縮力壓縮塑料熔體時(shí)損失越小，越利于壓縮熔體，有利于微結(jié)構(gòu)的充填。同樣壓縮速度越大，壓縮力施加在熔體上越多，有利于微結(jié)構(gòu)的充填。

綜合實(shí)驗(yàn)結(jié)果，選擇熔體溫度為280 ℃，打開距離為1 mm，壓縮時(shí)間為0.3 cm/s，等待時(shí)間為1 s為最佳工藝條件，重新進(jìn)行充填分析，3處微結(jié)構(gòu)的充填分析結(jié)果如圖6所示。遠(yuǎn)端微結(jié)構(gòu)充填完整，近端和中間微結(jié)構(gòu)的充填時(shí)間也比原始分析的充填時(shí)間大為減少,說明這5個因素對微結(jié)構(gòu)的充填影響較大，優(yōu)化后的工藝參數(shù)滿足充填要求。

圖6 優(yōu)化分析結(jié)果Fig.6 Optimization analysis results

3 結(jié)論

(1)采用注射壓縮成型法，薄壁上的微結(jié)構(gòu)隨距離澆口位置的不同其相應(yīng)的影響因素也隨之改變，除了熔體溫度對遠(yuǎn)端微結(jié)構(gòu)充填影響較大外，溫度因素對微結(jié)構(gòu)的充填影響甚微，壓縮工藝參數(shù)對微結(jié)構(gòu)的充填起關(guān)鍵作用;

(2)對遠(yuǎn)端微結(jié)構(gòu)的充填影響程度大小依次為打開距離、壓縮速度和熔體溫度；而對中間和近端微結(jié)構(gòu)充填影響較為明顯的因素依次為等待時(shí)間、打開距離和壓縮速度，且這3個因素對中間微結(jié)構(gòu)的影響要大于對近端微結(jié)構(gòu)的影響；

(3)壓縮工藝參數(shù)中，打開距離和壓縮速度對3處微結(jié)構(gòu)的充填影響都較大，且其打開距離越小，壓縮速度越大越有利于微結(jié)構(gòu)的充填，經(jīng)過工藝優(yōu)化，3處微結(jié)構(gòu)的充填性能均得到大大改善。

[1] 戴亞春，董 芳.注射壓縮成型新方法[J].模具工業(yè),2006,32(3):53-56. Dai Yachun,Dong Fang.New Method of Injection and Compression Molding[J].Die & Mould Industry,2006,32(3):53-56.

[2] 黃永程. 非球面透鏡注塑壓縮成型工藝參數(shù)優(yōu)化研究[D].昆明：昆明理工大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院,2016.

[3] 黃永程,劉泓濱,沈明秀. 非球面透鏡注塑壓縮成型工藝多目標(biāo)參數(shù)優(yōu)化分析[J]. 機(jī)械與電子,2015,(11):25-29. Huang Yongcheng,Liu Hongbin,Shen Mingxiu.Multi Objective Parameter Optimization Analysis of the Aspheric Lens Injection Compression Molding Process[J]. Machi-nery & Electronics,2015,(11):25-29.

[4] 黃永程,劉泓濱,鄧?yán)? 非球面塑料透鏡注射成型與注塑壓縮成型工藝的對比分析[J]. 中國塑料,2015,29(9):67-72. Huang Yongcheng,Liu Hongbin,Deng Lijun.Comparative Analysis of Injection Molding and Injection Compression Molding of Aspherical Plastic Lens[J]. China Plastics,2015,29(9):67-72.

[5] 劉倩倩. 注射壓縮成型工藝過程的模擬仿真及模具設(shè)計(jì)[D].天津：天津理工大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院,2015.

[6] Hansen H N, Hocken R J. Replication of Micro and Nano Surface Geometries[J].CIRP Annals-manufacturing Technology,2011,60(2):695-741.

[7] Marco S, Giovanni T, Elso K. Comparison of Injection Molding Technologies for the Production of Micro-optical Devices[J]. Procedia Engineering, 2014, 69(1):1296-1305.

[8] Sha B,Dimov S,Griffiths C,et al.Investigation of Micro-injection Moulding: Factors Affecting the Replication Quality[J].Journal of Materials Processing Technology,2007,183(2):284-296.

[9] 吳 澤. 微注塑和微注射壓縮制品結(jié)構(gòu)與性能的比較[D].廣州：華南理工大學(xué)機(jī)械與汽車工程學(xué)院,2013.

[10] 張之瑞,鄭秀婷,吳大鳴，等. 注射壓縮成型工藝對聚合物表面連續(xù)性微結(jié)構(gòu)精度的影響[J]. 塑料,2016,45(2):8-10. Zhang Zhirui,Zheng Xiuting,Wu Daming,et al.Effect of Process Parameters on Precision of Surface Micro-structures Molded by Injection-compression Moulding[J]. Plastics,2016,45(2):8-10.

KraussMaffei在CHINAPLAS 2017全面展示新品

來自KraussMaffei的全電動PX型號系列在中國廣州的國際橡塑展上首次亮相 - 所選展品展示了在醫(yī)療技術(shù)和表面技術(shù)領(lǐng)域的高精度和高工藝安全性 - 新擴(kuò)展的機(jī)床功能APC plus(自適應(yīng)工藝控制)為零缺陷生產(chǎn)提供支持在中國首次亮相：KraussMaffei首次展示新款全電動PX新款全電動PX型號系列。展臺上所選擇的兩個生產(chǎn)系列將展示展臺上所選擇的兩個生產(chǎn)系列將展示全電動注塑機(jī)最高精度和最大靈活性的獨(dú)特組合。全電動注塑機(jī)最高精度和最大靈活性的獨(dú)特組合。所有機(jī)器上都裝備了擴(kuò)展所有機(jī)器上都裝備了擴(kuò)展后的新功能APC plus后的新功能APC plus APC plus，促進(jìn)部件重量恒定和最高工藝安全性促進(jìn)部件重量恒定和最高工藝安全性促進(jìn)部件重量恒定和最高工藝安全性。另一亮點(diǎn)：KraussMaffei將首次展示新一代小型LRX線性機(jī)械手。全新PX - 全電動定制產(chǎn)品全電動定制產(chǎn)品憑借全新PX型號系列，KraussMaffei為中國的全電動注塑機(jī)領(lǐng)域樹立了新標(biāo)桿?！叭翽X型號系列將全電動注塑機(jī)的優(yōu)點(diǎn)與最大程度的模塊化以前所未有的方式結(jié)合在一起。在所有生產(chǎn)階段，高精度、高生產(chǎn)效率和高靈活性都將使我們的客戶受益，”J?rg Wittgrebe，中國KraussMaffei銷售副總裁說道。比如可選擇更大的模板、更快的注射速度、更大的頂出力或者使用食品級潤滑材料NSF H1來運(yùn)行。合模裝置和注射裝置組合范圍廣，這在全球市場中獨(dú)一無二，為中國的塑料加工業(yè)者提供了最大的靈活性?！叭翽X在以下行業(yè)有巨大潛能，比如3C行業(yè)(電腦、通信和消費(fèi)類電子產(chǎn)品)、插頭行業(yè)、藥品化妝品包裝、汽車應(yīng)用甚至醫(yī)療技術(shù)行業(yè)，”Wittgrebe補(bǔ)充說。對于醫(yī)療技術(shù)領(lǐng)域的無塵室適用應(yīng)用，PX裝備有封裝的驅(qū)動裝置和頂出裝置以及封閉的潤滑回路。PX通過符合人體工程學(xué)的的操作高度130 cm(針對所有合模力都保持不變)在運(yùn)行過程中備受信賴，因此無論是在裝配時(shí)還是在生產(chǎn)中都能順暢無阻地夠到模具和噴嘴。

SONGWON在CHINAPLAS 2017上彰顯行業(yè)承諾

SONGWON產(chǎn)業(yè)集團(tuán)是全球第二大聚合物穩(wěn)定劑制造商，其戰(zhàn)略目標(biāo)是成為中國塑料制造業(yè)領(lǐng)先的穩(wěn)定劑供應(yīng)商，為踐行此目標(biāo)，集團(tuán)于今年5月16—19日參加在中國廣州舉辦的中國國際塑料橡膠工業(yè)展覽會。

SONGWON在中國華東最新合資創(chuàng)辦的工廠已于2016年11月開始運(yùn)營，他們期待通過這一成功的合資增強(qiáng)在中國聚合物穩(wěn)定劑市場的優(yōu)勢和占有率。到今天為止，SONGWON與青島灝龍化工助劑有限公司共同組建的合資企業(yè)成立已逾一年時(shí)間，企業(yè)銷售SONGWON的全系列產(chǎn)品，包括由青島地區(qū)新建的聚合物穩(wěn)定劑和預(yù)混料(OPS)專業(yè)工廠生產(chǎn)的OPS可定制解決方案。

SONGWON產(chǎn)業(yè)集團(tuán)中國區(qū)負(fù)責(zé)人田民先生表示：“借助我們創(chuàng)新系列的聚合物穩(wěn)定劑產(chǎn)品和位于青島的新生產(chǎn)基地，SONGWON完全有能力為中國客戶提供有效支持。中國國際塑料橡膠工業(yè)展覽會不僅是我們向市場展現(xiàn)自身優(yōu)勢的絕好時(shí)機(jī)，而且也是我們彰顯致力于中國塑料制造業(yè)承諾的一流平臺?！背酥猓琒ONGWON還展示了其包括PVC穩(wěn)定劑，PVC增塑劑、熱塑性聚氨酯彈性體(TPU)和超吸水性高分子聚合物在內(nèi)的全系列產(chǎn)品。

Analysis of Key Factors for Microstructure Filling During Injection-compressionMolding for Thin-wall Products

WANG Xin1, DU Linfang2, LI Hanqi1

(1.Mechanical Engineering College, Henan Engineering College, Zhengzhou 451191, China;2.Mechanical Engineering College, Henan Mechanical and Electrical Career College, Zhengzhou 451191, China)

Influences of temperature and technical parameters of injection compression molding on microstructure filling effect in three different positions of thin-wall products were investigated by an orthogonal experiment and an injection-compression molding method. The results indicated that the different distances from the sprue gate of microstructure generated different influences on the filling. Compared with the temperature as a factor, technical parameters of compression process played a pivotal role on the microstructure filling. The effects of open distance and compression speed on the filling in the three microstructures were much greater than others in the technical parameters. A smaller open distance value and a larger compression speed value were advantageous to the microstructure filling.

compression-injection molding; microstructure; thin-wall product; filling

2016-11-28

TQ320.66+2

B

1001-9278(2017)06-0090-05

10.19491/j.issn.1001-9278.2017.06.015

聯(lián)系人，haiyang630@163.com