微細胞皿注塑模具變溫系統設計

徐 斌 高春雨 王敏杰 于同敏

1.西南科技大學制造過程測試技術教育部重點實驗室，綿陽，621010

2.國家安全生產監督管理總局研究中心，北京，100713

3.大連理工大學精密與特種加工教育部重點實驗室，大連，116024

0 引言

隨著微納米技術的快速發展，微型化和精密化已經成為產品設計和開發的趨勢，微注塑成形制品特征尺寸越來越?。?－5］。有關研究表明，微塑件成形過程并不是宏觀塑件成形工藝的成比例縮小，隨著型腔結構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出來［6－10］，導致常規注塑模具的設計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，采用新的思維理念形成微注塑模具設計的理論與方法。微注塑模具設計與傳統注塑模具設計不同，其中與傳統注塑模具設計不同之一是模具型腔表體比較大，充模流動時熔體極易冷卻，因此在微注塑成形時需要較高的模具溫度，而塑件脫模時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。

目前變溫方式主要有電熱水冷變模溫控制，感應加熱變模溫控制，薄膜電阻式加熱變模溫控制，復合模壁絕熱—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、感應加熱［11－18］等。微注塑成形對模具的溫度均勻性要求較高，否則會造成結晶分布不均，影響制品的力學性能［19］。筆者在加工細胞皿模具微型腔的基礎上，通過數值模擬，找出了影響充模流動的關鍵因素，提出了油水電相結合的變模溫方式（電加熱升溫速度快，水冷卻傳熱效率高，熱油主要起穩定和均勻模具溫度的作用），這種方法易于實現，成本較低，升降溫速度快，成形制品質量穩定。通過實驗測試，采用此方法能夠達到微注塑成形的要求。

1 細胞皿結構

本文所研究的細胞皿整體尺寸為1000μm×1000μm×350μm，其 上 陣 列 9 個 長 寬 高為200μm×200μm×250μm 的 微 腔，壁 厚 為100μm，結構如圖1所示。

圖1 細胞皿結構圖（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精密與特種加工教育部重點實驗室自行研制的微細電火花銑削機床加工而成，如圖2所示。用Newview 5022型ZYGO表面輪廓儀測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 數值模擬

由于受微尺度效應的影響，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，但壁面滑移對熔體的充模流動影響隨微通道的特征尺寸減小而降低［20］，對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。本文借助傳統注塑充模流動過程分析方法進行微注塑成形過程分析。

3.1 幾何模型

為了準確分析工藝參數的設置對熔體經過主流道、分流道、澆口進入微型腔的充填物流動過程的影響，采用型腔與其澆注系統一體的幾何模型。澆注系統及制品采用四面體3D網格劃分，如圖3所示。由于流道尺寸比澆口和型腔尺寸大很多，對澆口和微型腔進行局部網格細化可以縮短計算時間，提高仿真精度。制品三維網格模型如圖4所示。

圖3 澆注系統及制品網格模型

圖4 制品網格模型

3.2 控制方程

熔體在微型腔中流動時，根據Knudsen數的分類標準，當微通道的特征尺寸大于聚合物熔體分子尺寸時，熔體流動仍然滿足連續性假設，則用來描述熔體充模流動的基本方程（即連續方程、動量方程和能量方程）仍然適用。

熔體的流變行為由Cross－WLF7參數模型表示為

3.3 計算結果與分析

熔體材料選用聚丙烯PP（T30S），采用RH7型雙料筒毛細管流變儀和350μm毛細管口模進行黏度測試，其數據擬合曲線如圖5所示，通過數據擬合得式（1）、（2）中參數如表1所示。參數T＊由生產廠家提供，為263.15K。將實驗獲得流變數據代入Moldflow軟件中進行數值計算，通過多次數值模擬，選擇較優的工藝參數組合作為參考，結果如表2所示。逐一改變單個工藝參數，研究各工藝參數對細胞皿填充率的影響，各實驗因素的水平取值見表3。實驗指標為填充率（%），即型腔的填充熔體體積與型腔體積之比。典型填充結果如圖6～圖10所示。根據模擬結果，對單個影響因素各個因素水平下的填充率作圖，結果如圖11所示。微注塑機選用德國BOY公司生產的BOY12A型注塑機，最大注射速率為240mm／s。表中注射速率為實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

表2 參考工藝參數

表3 PP材料因素水平表

圖6 模具溫度120℃、t＝0.6875s時充模狀態

圖7 熔體溫度220℃、t＝0.8331s時充模狀態

圖8 注射速度8mm／s、t＝0.6599s時充模狀態

圖9 注射壓力70MPa、t＝0.7150s時充模狀態

圖10 注射量1.4cm3、t＝0.6925s時充模狀態

圖11 各工藝參數填充率影響曲線

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現，注射速率對微型塑件細胞培養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。這是因為PP材料熔體的黏度對剪切速率較敏感，增大注射速率，會使材料的黏度降低較多，從而提高熔體的流動性能，因此增大注射速率能有效地提高填充率。PP材料熔體導熱系數小，使得澆口中心和型腔中心處熔體熱量散失較少，同時黏度受溫度影響較大，升高溫度易降低熔體黏度，此外，提高熔體溫度會有效地減少熱量損失，因此熔體溫度升高對提高填充率影響較大。對于模具溫度，由于PP材料的導熱系數較小，熔體流入澆口和型腔時，在壁面處極易形成冷凝層，易產生壁面滑移，阻礙熔體與壁面間的熱交換，因此提高模具溫度對提高填充率作用明顯。

此外，從模具溫度對填充率的影響曲線可以看出，當模具溫度為120℃時，填充率為100%。可見由于微尺度型腔表體比變化較大，使充模過程中熔體的熱量極易散失，因此需要較高的模具溫度。

4 變模溫設計

本文所采用的變模溫設計方案如圖12所示。在鑲塊的兩側布置4根電加熱棒②－②、③－③，單根加熱棒的功率為450W；在加熱棒的外圍對稱布置8個油道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，用電熱棒對模具加熱，達到預定溫度后，通過溫度傳感器⑨控制電源斷開，開始注塑填充型腔，模具冷卻時保持油溫，切斷電熱棒電源，接通冷卻水路對模具快速降溫。塑件脫模時，斷開冷卻水路。連續成形時，只需按設定時間切換加熱和冷卻開關，即可實現模具的快速加熱和冷卻。

圖12 變模溫設計方案示意圖

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

聚丙烯PP（T30S）成形塑件如圖14所示，不過模具溫度較高，會在邊上產生飛邊。

5 結論

（1）通過PP材料數值模擬分析可知，對細胞皿塑件充模流動影響的關鍵因素是注射速率、熔體溫度、模具溫度。

圖13 80～120℃變模溫曲線

圖14 成形細胞皿

（2）在充模流動過程中，當型腔充滿時，需要模具溫度較高，達到120℃。

（3）設計的油水電相結合的變模溫方法對實現微注塑成形過程是可行的。

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