超聲輔助注射成型振子端面微凸起結構強度分析

劉長海，祝鐵麗，李 強，于同敏

（大連理工大學模塑制品教育部工程研究中心，遼寧大連 116024）

1 引言

微機電系統(tǒng)（MEMS）技術的蓬勃發(fā)展，使具有微結構特征的制件在光學、臨床醫(yī)學、微機械等眾多領域中獲得了日益廣泛的應用[1]。在采用注塑成型技術制備微結構塑件時，注塑制品的成型質(zhì)量在很大程度上取決于模具型腔微結構的設計與注射工藝參數(shù)（模具溫度、聚合物熔體溫度、注射速度、注射壓力、保壓壓力等）。在微注塑成型中，聚合物熔體在型腔微結構處的流動性差，導致成型制件的微結構復制精度不高，影響制件的成型質(zhì)量。研究表明，聚合物熔體的粘度越低，則制件的微結構復制精度越高；當型腔溫度接近聚合物的玻璃化溫度時，能夠顯著提高制件的微結構復制精度[2~3]。但如果為了保證微結構的復制精度而將模具溫度升高至接近聚合物的玻璃化溫度，又會導致注塑制品冷卻緩慢，從而延長成型周期，并且容易使注塑制品的宏觀表面產(chǎn)生縮痕，影響外觀[4~5]。微注塑成型過程中引入超聲振動可以促進高分子的運動，提高聚合物熔體溫度，從而降低聚合物熔體粘度，提高聚合物熔體的流動性[6]。在超聲波輔助微注塑的已有研究中，超聲振動的施加位置有塑化單元[7~8]、模具的流道[9~10]、模具型腔的微結構鑲塊的旁側(cè)或?qū)γ鎇11~12]，以及通過把超聲振子與微結構鑲塊進行螺紋連接或焊接而將超聲振動施加于模具型腔的微結構鑲塊[13~14]。

由于注射模內(nèi)部空間有限，允許安裝的超聲振子的功率與振幅受到限制。為了最大限度地發(fā)揮超聲振動能量對塑件微結構成型的作用，筆者所在的課題組擬在超聲振子變幅桿（鈦合金）端面通過電火花技術加工微凸起結構，將超聲振子直接作為模具型腔的微結構鑲塊參與超聲輔助注塑成型，以提高聚合物熔體在超聲振子變幅桿端面微凸起結構處的流動能力，從而提高塑件的微溝槽對模具型腔的微凸起的復制度?？紤]到超聲振子變幅桿端面的微凸起結構的高寬比如果較大，超聲振子變幅桿端面的微凸起將有可能在高速高壓的聚合物熔體的沖擊下發(fā)生嚴重變形，從而影響成型效果，因此在設計加工之前，對超聲振子變幅桿端面的微凸起結構進行計算機輔助分析（CAE）。CAE技術擁有強大的計算能力，有效解決了計算量大、計算復雜等問題，為設計者提供更精確的解決方案。MoldFlow 軟件在注塑模具中被廣泛應用于產(chǎn)品的澆口位置分析、體積收縮率分析以及對產(chǎn)品的結構設計等，本文以MoldFlow軟件模擬得到模具型腔的壓力分布，并將數(shù)據(jù)導入Abaqus軟件進行微凸起結構變形分析，為微凸起結構尺寸設計提供參考。

2 基于MoldFlow對微結構塑件的充模流動分析

2.1 塑件尺寸

為了使聚合物熔體進入模具型腔后能達到更均勻的分配以及減少流紋和內(nèi)應力，因此采用扇形澆口。澆口與塑件的平面尺寸如圖1所示。主流道末端的直徑為φ8mm，主流道末端與塑件之間是中心角60°的扇形澆口，塑件的尺寸為長44mm、寬44mm、厚2mm，微結構擬設于塑件的中心（例如虛線處）。由于微結構凸起是加工在直徑φ16mm的超聲振子變幅桿的端面，而超聲振子的圓形截面的變幅桿在動模型腔鑲塊的安裝孔里可以調(diào)整方向，所以微結構的縱向與塑件的縱向中心線之間的夾角可以在0°～90°變化。當微結構的縱向與塑件的縱向中心線之間的夾角為90°時，聚合物熔體的充模流動對超聲振子變幅桿端面的微凸起的沖擊力量最大，因此將選取此種情況來進行超聲振子端面微凸起的強度分析。

圖1 澆口與塑件的尺寸

2.2 注射成型材料參數(shù)

在MoldFlow軟件中，注射成型材料選擇了制造商為Mitsubishi Chemical、牌號為Acrypet MF 的聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA），該材料的流變屬性曲線和pvT屬性曲線如圖2所示。該材料的適宜的注射工藝參數(shù)為：模具溫度35℃～80℃，聚合物熔體溫度240℃～280℃，塑件脫模溫度85℃。上述參數(shù)可以為注塑成型模擬時的注射工藝參數(shù)設定提供參考。

圖2 PMMA材料屬性

2.3 模型網(wǎng)格劃分

將澆口與塑件的三維模型保存成STL格式，導入MoldFlow CAD Doctor 2012進行網(wǎng)格修復，避免出現(xiàn)線、面的丟失，以得到高質(zhì)量的網(wǎng)格[15~16]。然后在MoldFlow Insight 2012 進行網(wǎng)格劃分，如圖3 所示。網(wǎng)格類型選擇雙層面，單元類型為四面體，共300843個單元，縱橫比的最大值為24.2，匹配率達到90%，網(wǎng)格質(zhì)量滿足分析要求。

圖3 澆口與塑件的網(wǎng)格劃分

注射工藝參數(shù)的設置為：模具溫度60℃、聚合物熔體溫度250℃、注射速度85mm/s、注射壓力100MPa、保壓壓力20MPa、保壓時間5s、冷卻時間90s。分析類型選擇“填充”，進行充模流動分析。

2.4 模具型腔壓力分布

MoldFlow 軟件模擬得到的模具型腔充滿時的聚合物熔體壓力分布如圖4所示。最大壓力位于進料口處，為73MPa；型腔中心的壓力約為45MPa；最小壓力位于型腔充填末端，為35MPa。聚合物熔體從進料口進入模具型腔，隨著充填流動的進行，進料口處的壓力需要不斷增大，在型腔充滿時達到極值；當采用扇形澆口時，聚合物熔體是通過一個逐漸展開的扇形進入型腔，聚合物熔體在型腔寬度方向上得到了均勻的分配，因此型腔內(nèi)的壓力在寬度方向上基本呈現(xiàn)對稱分布。

圖4 模具型腔應力分布

由于超聲振子變幅桿的直徑φ16mm的端面位于型腔中心，而型腔內(nèi)的壓力在寬度方向為對稱分布，因此對于超聲振子變幅桿端面的總長16mm的微凸起結構，只需找出對稱中心某一側(cè)的壓力數(shù)據(jù)。在微凸起結構的一半長度（8mm）內(nèi)，每隔2mm取1個受力分析單元，共5 個單元，其位置和編號如圖5 所示。這5個分析單元的壓力在型腔充填過程中的變化如圖6所示。表1是型腔充滿時的各分析單元的壓力值。

圖5 微結構分析單元的位置和編號

圖6 微結構分析單元的壓力

表1 型腔充滿時的微結構分析單元的壓力值

3 基于Abaqus對超聲振子變幅桿端面微凸起的強度分析

3.1 參數(shù)設置

對超聲振子微凸起結構的橫截面尺寸設計有兩種方案。方案一是高100μm、寬80μm；方案二是高80μm、寬100μm。型腔微凸起的結構模型如圖7所示。

超聲振子變幅桿的材料為鈦合金TC4。變幅桿端面的微凸起結構擬采用電火花加工方法來獲得，因此微凸起的材料也為鈦合金TC4，其材料參數(shù)的設置如表2所示。

表2 鈦合金TC4的材料參數(shù)

3.2 載荷與約束

當型腔微凸起的縱向與聚合物熔體的流動方向垂直時，如圖7所示，聚合物熔體是先對型腔微凸起靠近澆口的一側(cè)進行充填，聚合物熔體越過型腔的微凸起以后，并未立即對微凸起的另一側(cè)進行充填，而是沿著流動方向?qū)π颓坏钠渌糠诌M行充填，再在型腔壓力的作用下緩慢充填微凸起的另一側(cè)[13]。為此在對型腔的微凸起進行強度分析時，考慮極限情況，即對型腔微凸起靠近澆口的一側(cè)施加如表1所示的型腔充滿時的壓力值、型腔微凸起的另一側(cè)則不受力，分析型腔微凸起在單側(cè)載荷作用下的變形。

圖7 型腔微凸起的縱向與聚合物熔體流動方向垂直時的充填

在Abaqus軟件中，對型腔微凸起的5個分析單元（見圖5）的載荷與約束設置，如圖8 所示。型腔微凸起的底部是固定的，側(cè)面受到高速高壓的聚合物熔體的沖擊，對圖8的標號1～5的位置分別施加了表1中的單元N19677、N38428、N19693、N38508、N19685 在型腔充滿時的壓力。

圖8 載荷與約束的設置

3.3 計算結果

對于型腔微凸起的兩種橫截面尺寸方案，變形仿真結果的最大位移都出現(xiàn)在單元N19677（即圖8中的標號1）承受載荷一側(cè)的頂面。如圖9所示，當型腔微凸起的橫截面尺寸為高100μm、寬80μm時，最大位移為0.4864μm；當型腔微凸起的橫截面尺寸為高80μm、寬100μm 時，最大位移為0.03976μm。可以看出，當超聲振子變幅桿端面微凸起的高寬比由5/4 減小到4/5時，其最大位移減小了91.83%。

圖9 單元N19677的橫截面的位移云圖

3.4 超聲振子端面微凸起的實際變形情況

在使用MoldFlow 軟件模擬型腔壓力分布和使用Abaqus 軟件模擬型腔微凸起兩種橫截面尺寸方案的變形以后，采用電火花加工方法制得了超聲振子變幅桿端面的微凸起結構，并且用于實際的超聲輔助注射成型過程。經(jīng)過多次高速高壓的聚合物熔體沖擊后，在工具顯微鏡下觀測到的鈦合金超聲振子變幅桿的微凸起端面變形情況如圖10所示。鈦合金的微凸起結構，在橫截面尺寸為高100μm、寬80μm 時，未能承受住高速高壓的聚合物熔體的多次流動沖擊，可以看到有較大的變形；在鈦合金微凸起的橫截面尺寸為高80μm、寬100μm 時，則沒有明顯的變形產(chǎn)生，鈦合金微凸起的實際變形情況與強度分析的仿真結果相符。

圖10 鈦合金超聲振子變幅桿微凸起的實際變形

4 結論

通過對超聲輔助注射成型的超聲振子端面微凸起采用MoldFlow 軟件進行充填流動分析而獲得型腔壓力分布和采用Abaqus 軟件進行強度分析而獲得微凸起結構的變形，發(fā)現(xiàn)對于鈦合金材料的微凸起結構，為了避免因高速高壓的聚合物熔體的流動沖擊而變形，尺寸宜設計為高80μm、寬100μm。這一點也得到了注塑實驗結果的驗證。