微注塑成型過程塑料熔體流動的偏移行為

郭幼丹，程曉農

（1 集美大學機械與能源工程學院，福建 廈門 361021；2 江蘇大學材料科學與工程學院，江蘇 鎮江 212013）

引 言

注塑過程中熔體的熱量傳遞和流動特性，特別是熔體在流道中溫度和流動速度的變化帶來的充填不平衡性等問題是注塑領域研究的熱點之一。在普通大尺度注塑成型中，流動行為和充填的不平衡性被認為主要與工藝參數和模具結構有關，這些因素的變化決定了注塑中熔體流動的平衡性與產品的均勻性，如Chen 等[1]、Takarada 等[2]分別研究了溫度和主流道長度對多腔模具樹脂充填平衡的影響，Pintter 等[3]研究了模具制造微結構與注塑的關系，姜開宇等[4]、陳靜波等[5]、Yokoi[6]對注射成型過程熔體充填不平衡現象進行了試驗研究和分析。在微注塑中，由于微結構塑件尺寸小、流道和型腔的尺寸小、注射量小，一些在常規尺度下被忽略的因素，在微結構塑件注塑時會對熔體流動行為和流動特性產生很大的影響，特別在多腔微注塑成型中，微尺度效應導致微注塑過程和產品質量的一系列變化則更為明顯，如微注射成型時熔體在微流道中溫度分布和流動速度的偏移，產生充填不平衡性，帶來同一模具幾何上完全對稱的不同型腔所成型塑件的性能、精度和質量差異問題等。對于微注塑的研究主要集中在單腔微結構塑件注塑時熱量傳遞、熔體流動黏度特性和工藝參數等方面，如Yu 等[7]、Young[8]對微注塑填充過程的流動和傳熱進行了模擬，郭幼丹等[9]對微結構注塑熔體流動黏度特性與影響因素研究，于同敏等[10-11]對微注塑成型充模流動中的對流換熱行為和影響因素進行了研究，Julien 等[12]對熱塑性聚合物在微注塑時的特性進行了綜述，宋滿倉等[13]對微結構塑件注射成型特性進行了實驗研究，李爽等[14]對微注塑薄壁制品可成型性及充填過程中的流動現象進行了試驗，Beaumont 等[15]對幾何平衡的流道系統填充失衡現象進行了試驗。但這些研究一是主要從單腔微結構塑件注塑時熔體平衡流動行為和流動特性等方面展開，對實際生產中多型腔微注塑成型中塑料熔體在微流道產生的偏移和充填平衡性問題少有涉及，二是對微注塑中影響熔體溫度變化及熔體流動偏移的重要因素——熔體流動中產生的剪切熱未加以必要的關注。

本文采用集成式熱電偶傳感器溫度測量系統和可視化全息示蹤技術，從熔體流動過程剪切熱變化的角度分別對多型腔微注塑成型中塑料熔體在微流道中的溫度分布與流動速率等問題進行研究，提出微注塑成型過程中塑料熔體流動速度與溫度的偏移行為，并根據試驗結果提出微流道內熔體流動的非平衡流動系數。

1 試驗設計

1.1 試驗材料

聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）：玻璃化轉變溫度103～106℃，熔點240～270℃，開始分解溫度為270～275℃。

1.2 試驗設備

注塑設備采用德國BOY12A 注塑機,螺桿直徑為18 mm，最大注射速度240 mm·s-1，最大注射壓力179.5 MPa。

塑料熔體溫度分布測定：集成式熱電偶傳感器溫度測量系統，對型腔或分岔口附近流道橫斷面方向塑料熔體的溫度分布進行測量，試驗時微通道尺寸：主流道為0.3 mm，分流道為0.16 mm，集成式熱電偶傳感器尺寸：主流道為0.4 mm，分流道為0.2 mm。采用集成式熱電偶傳感器測溫試驗時，將集成式熱電偶傳感器垂直模腔壁面方向設置，安裝到可視化模具的流道和型腔內，通過定位標尺確定好傳感器的測量位置，固定后即可對塑料熔體充模、冷卻過程中流道剖面上的溫度進行測量，如圖1、圖2 所示。設定好工藝參數后，每注射一組試樣采集一組塑料熔體溫度數據，將所有數據匯總后即可得到不同工藝條件下型腔或流道橫斷面處溫度的分布。由于熱電偶將多條熱電偶集成排列在同一基塊平面內，因此溫度測量結果可滿足高密度和高位置精度的要求。通過對測得的每組數據進行疊加處理，得出溫度場分布曲線。

圖1 型腔厚度方向溫度分布測量Fig.1 Measuring for melt temperature along cavity thickness

圖2 熔體流動狀態測定可視化裝置Fig.2 Visualization experimental equipment for measuring melt flow condition

塑料熔體流動速率測定：示蹤試驗在德國BOY12A 注塑機上進行，利用可視化模具和CCD數碼視頻相機來觀察和記錄成型過程中流道內塑料熔體的流動行為和塑料熔體流動前沿在型腔內的移動情況，如圖2 所示。試驗時向PMMA 粒料中混入0.1%的全息示蹤顆粒(Hologram Chip, Coburn Japan Corporation)，將CCD 數碼視頻相機對準可視化模具的觀察窗，記錄熔體注射充模流動的動態過程。通過測量在給定時間間隔內塑料熔體流動距離的方法，記錄示蹤顆粒在流道內的坐標位置、流動情況及前鋒狀況，得到充填不同階段流道內各個部位塑料熔體的速度場分布，通過對測得的每組數據進行疊加處理，得出速度場分布曲線。

1.3 模具結構

圖3 微注塑多型腔微流道系統示意圖Fig.3 Sketch of multi-cavity mold during micro injection molding process(unit: mm)

裝有石英玻璃觀察窗口可視化模具，型芯采用 微細加工中常用的UV-LIDA 技術制備，保證模具制造精度的要求。澆口采用扇形澆口，滿足熔體流動平緩和流動平衡的要求。溫控系統采用DS18B20單片機溫控系統，實現微結構件注塑過程的變模溫動態控制。微注塑多型腔微流道系統如圖3 所示。

1.4 工藝參數

注射壓力120 MPa，注射速度10～220 mm·s-1（試驗時分別取低速10 mm·s-1、中速80 mm·s-1、高速200 mm·s-1），模具溫度60℃，熔體溫度235～245℃，保壓時間10 s。

2 結果與分析

2.1 多型腔微注塑時主流道溫度分布

圖4 為在多型腔微注塑可視化模具的觀察窗空腔內示蹤試驗和紅外線溫度傳感器檢測到塑料熔體前沿的實際情況、經過模型化后的主流道塑料熔體前沿的溫度分布情況。由高聚物流變學原理和剪切速率、溫度變化方程、剪切熱公式[16]可得，由于滯流層和冷凝層的作用，流道壁面處塑料熔體的流速近似于零，流道中心部位的流速最大，由于斷面上塑料熔體流速不一致，使得不同部位塑料熔體產生的剪切熱也不一致，即塑料熔體由主澆口進入微流道系統后，塑料熔體的流動狀態為所謂的“噴泉流”狀態[17-18]，呈現微流道中心部位塑料熔體的溫度較高，黏度較低，流速較快，靠近微流道兩側壁面的塑料熔體溫度較低，黏度較高，流速較慢的現象，如圖4（a）所示。但這僅適合較低的注射速度（低速注射，v=10～70 mm·s-1），即主流道中熔體剪切作用產生的剪切熱很小，對熔體溫度分布影響也小，微流道系統中塑料熔體的溫度仍以塑料熔體塑化過程生成的熱量和沿微流道壁的熱傳導散失的熱量為主，熔體流動溫度分布才呈現出由芯部的高溫區向流道壁逐漸降低的特點，但塑料熔體前沿在主流道流動不會產生明顯的偏移。

圖4 微流道系統主流道中塑料熔體前沿的溫度分布模型Fig.4 Melt front temperature distribution model of main runner in micro flow passage

當注射速度較高（高速注射，v=140～220 mm·s-1）時，塑料熔體在流道內的速度梯度增大，產生的剪切熱就增多，熔體流動剪切生熱對熔體溫度分布的影響顯著增強，此時，塑料熔體的溫度最高點位置將由中心位置逐步移動到靠近流道壁面的地方。即注射速度越高，塑料熔體在流道內的速度梯度越大，越靠近微流道壁熔體流動的剪切速率越大，剪切熱的影響也越顯著，在塑料熔體塑化過程帶來的熱量、熔體流動剪切產生的熱量，及沿微流道壁熱傳導散失的熱量三者綜合作用下，塑料熔體在微流道壁附近存在突出的高溫區，而芯部則是盆地形的相對低溫區，呈“U 型流”狀態，如圖4（b）所示。即在主流道，速度梯度產生的剪切熱與塑料熔體向模具傳遞的熱量基本相等，熱量交換基本上處于平衡狀態，微流道壁冷凝層厚度的增長受到抑制，塑料熔體流動過程中高溫區的位置和溫度基本保持不變，塑料熔體前沿在主流道流動不會產生明顯的偏移。

2.2 多型腔微注塑分流道溫度偏移

圖5 為在多型腔微注塑可視化模具的觀察窗空腔內示蹤試驗和紅外線溫度傳感器檢測到塑料熔體前沿的實際情況、經過模型化后的分流道塑料熔體前沿的溫度分布情況，圖中Si為熔體的流動前沿內側壁面，So為熔體的流動前沿外側壁面。當塑料熔體流經主流道與分流道的分岔口Ⅰ時，熔體在流道中心線位置一分為二。在分岔口Ⅰ：高速注射時，呈“U 型流”的塑料熔體，流道側邊高溫低黏度的塑料熔體沿著流道的上側壁面首先進入分流道，由于微流道上側熔體前沿的溫度高、速度梯度較大，產生的剪切熱要大于塑料熔體通過流道壁面向模具內部所傳遞的熱量，剪切熱的累積使上側塑料熔體溫度更高，上側熔體的黏度下降，流速提高，在冷凝層、溫度梯度和剪切熱等的共同作用下，熔體前沿高溫區向上側偏移，如圖5（a）所示；低速注射時，呈“噴泉流”的塑料熔體，中間高溫低黏度的塑料熔體沿著流道的下側壁面首先進入分流道，同理，在冷凝層、溫度梯度和剪切熱等的共同作用，熔體前沿高溫區向下側偏移，但由于低速注射產生的剪切熱較少，熔體前沿高溫區向下側偏移較小，如圖5（b）所示。在分岔口Ⅱ：塑料熔體流經第二個分岔口后再次被二次分割，分流道的熔體溫度差異再次發生變化。同理，不論是低速還是高速注塑，微流道內塑料熔體的高溫區及型腔內熔體的流動前沿的偏移現象依然存在，只是塑料熔體的偏移和溫度分布情況變得更為復雜，如圖5 所示。

圖5 微流道系統分流道塑料熔體前沿的溫度分布Fig.5 Melt front temperature distribution of secondary runne in micro flow passage

圖6 為微流道系統橫斷面方向塑料熔體溫度分布曲面圖，圖中T 為熔體溫度，S 為螺桿位移。可見，微注塑塑料熔體流動產生的剪切熱對于微流道系統中熔體溫度分布的影響十分明顯，并最終造成熔體流動中溫度偏移和不平衡的充填結果。

2.3 多型腔微注塑熔體流動速度偏移

圖7 為不同注射速度下可視化試驗結果，即不同注射速度下不同時刻熔體前鋒偏移的情況。從圖中可以看出，在多型腔微注塑過程中，塑料熔體前沿流動速度的偏移情況與溫度偏移基本一致。可見，塑料熔體前沿流動速度的偏移與塑料熔體流動過程中剪切熱產生與分布也是密切相關的，塑料熔體前沿流動速度的偏移規律與前述的剪切熱產生與分布及多型腔微注塑分流道塑料熔體前沿的溫度偏移規律是相吻合的。實際上，由于微注塑時塑料熔體本身的導熱性較差，溫度場的發展速度較為緩慢，微注塑過程中的速度場和溫度場的發展可以認定是在同一個數量級上。

為了描述與評價塑料熔體流動前沿在型腔內的偏移情況，本文定義了一個熔體流動偏移量參數——非平衡流動系數λ

圖6 微流道系統橫斷面方向熔體溫度分布曲面圖Fig.6 Melt temperature distribution surface figure of transverse direction in the micro flow passage

圖7 不同注射速度下可視化試驗結果Fig.7 Visualization experimental results for different injection speed

λ=dL/L0=(L2-L1)/ L0

式中，dL 為熔體流動前沿在型腔內的偏移量，μm；L0為不同注射速度下型腔內熔體前沿位置至型腔澆口側壁面 A 的垂直距離，mm，如圖5 所示，下同。L1為熔體前沿輪廓線與型腔外側壁面(So面)的交點至型腔澆口側壁面A 的垂直距離，mm；L2為熔體輪廓線與型腔內側壁面(Si面)的交點至壁面A 的垂直距離，mm。

圖8 為不同注射速度下熔體前沿的非平衡流動的偏移量dL。從圖中可以看出，當vi=80 mm·s-1時，偏移量dL 在0.1～-0.1 μm 之間，λ總體趨于零，熔體在型腔內的流動趨于平衡，熔體前沿基本沒有偏移；當vi=200 mm·s-1時，偏移量dL 在-0.30～-1.80 μm 之間，λ始終小于零，熔體的流動前沿向型腔外側(So側)偏移；當vi=10 mm·s-1時，偏移量dL 在0.25～0.85 μm 之間，λ始終大于零，熔體的流動前沿向型腔內側(Si側)偏移。試驗表明，當注射速度vi在70～90 mm·s-1（中速注射）時，λ接近零，說明主流道和分流道熔體前沿均沒有明顯的偏移，熔體的流動基本上處于平衡狀態，塑料熔體對型腔的充滿也較為均勻。當注射速度vi＞90 mm·s-1（高速注射）時，λ始終小于零，在主流道熔體前沿略為偏向主流道兩側；隨著充填過程的進行，通過分岔口Ⅰ后塑料熔體前沿向上側偏移；通過分岔口Ⅱ后，上方分流道中塑料熔體前沿向流道內側偏移，最終先充滿上部型腔內側區域；下方分流道中塑料熔體流動速度分布較為均勻，塑料熔體對型腔的充滿也較為均勻。當注射速度vi＜70 mm·s-1（低速注射）時，λ始終大于零，熔體的流動前沿向型腔內側(Si側)偏移，熔體前沿偏移的方向與高速注射相反，熔體前沿的偏移規律與高速注射相似，但熔體前沿偏移的程度比高速注射要小些?？梢姡?過非平衡流動系數λ可以準確判斷熔體前沿的流動和偏移情況。

圖8 不同注射速度下熔體前沿的偏移量Fig.8 Melt front offset for different injection rate

3 結 論

（1）微注塑時注射速度不同產生的剪切熱也不同，熔體前沿偏移情況也不同。當注射速度為140～220 mm·s-1時，主流道內的塑料熔體前沿呈“U型流”狀態分布，分流道內塑料熔體前沿向上側偏移；當注射速度為10～70 mm·s-1時，主流道塑料熔體前沿呈“噴泉流”狀態分布，分流道熔體前沿向下側偏移；當注射速度為80～120 mm·s-1時，主流道和分流道熔體前沿均沒有明顯的偏移。

（2）熔體前沿偏移情況可用非平衡流動系數λ來判斷熔體前沿的流動和偏移情況。當注射速度大于90 mm·s-1時，λ始終小于零，主流道熔體前沿略為偏向主流道兩側，分流道熔體前沿向上側偏移；當注射速度小于70 mm·s-1時，λ始終大于零，熔體前沿偏移與注射速度大于90 mm·s-1時的偏移情況相反；當注射速度在70～90 mm·s-1時，λ接近零，主流道和分流道熔體前沿均沒有明顯的偏移。

[1]Chen J, Kanetoh Y, Yokoi H.A study on influence of resin temperature on filling balance of multi-cavity molds (part4) //Japan Society of Polymer Processing[C].Sendai, Japan: Japan Society of Polymer Processing, 2005: 159-160.

[2]Takarada K R, Coulter J P, Beaumont J P.The effect of primary runner length on fill-imbalance in a geometrically balanced eight cavity polymer injection mold//Society of Plastics Engineers, Annual Technical Conference[C].Charlotte, North Carolina: Society of Plastics Engineers, 2006: 1098-1102.

[3]Pintter V, Hanemann T, Ruprecht R, et al.Injection molding and related techniques for fabrication of microstructures [J].Microsys.Tech., 1997, 3(3): 129-133.

[4]Jiang Kaiyu(姜開宇), Yokoi Hidetoshi(橫井秀俊).Experiment study on filling imbalance phenomenon of melt front during injection molding process [J].Journal of Mechanicaln Engineering(機械工程學報), 2009, 45(2): 294-300.

[5]Chen Jingbo (陳靜波), Shen Changyu (申長雨), Yokoi Hidetoshi (橫井秀俊).Experimental study on filling imbalance in multi-cavity injection mold [J].Chinese Journal of Mechanical Engineering(機械工程學報), 2007, 43(10): 170-174.

[6]Yokoi Hidetoshi.Visualization and measurement technologies inside injection mold [J]Journal of the Japan Society for Precision Engineering, 2007, 73(2): 188-192.

[7]Yu L D, Leel J, Koelling K W.Flow and heat transfer simulation of injection molding with micro structures [J].Polym.Eng.Sci., 2004, 44(10): 1866-1876.

[8]Young W B.Simulation of the filling process in molding components with micro channels [J].Microsys.Tech., 2005, 11(66): 410-415.

[9]Guo Youdan (郭幼丹), Cheng Xiaonong (程曉農).Research on melt flow viscosity characteristics and the influence factors for micro-structure injection [J].Journal of Plasticity Engineering(塑性工程學報), 2013, 20(6): 112-116.

[10]Yu Tongmin (于同敏), Xu Hua (徐華), Tian Huiqing (田慧卿), et al.Convective heat transfer behavior of filling flow in micro injection molding [J].CIESC Journal(化工學報), 2011, 62(7): 1824-1830.

[11]Yu Tongmin (于同敏), Zhuang Jian (莊儉), Wang Minjie (王敏杰), et al.Study on the influence factors on the filling flow for polymeric melt in micro injection molding [J].Journal of Plasticity Engineering (塑性工程學報), 2007, 14(6): 185-189.

[12]Julien G, Thierry Cpatrice M.Microinjection molding of thermoplastic polymers: a review [J].Journal of Micromechanics and Microengineering, 2007, 17(1): 96-109.

[13]Song Mancang (宋滿倉), Zhang Chuanzan (張傳贊), Liu Ying (劉瑩), et al.Experimental research injection molding characteristics for micro-structure plastic parts [J].Journal of Dalian University of Technology(大連理工大學學報), 2010, 50(5): 682-685.

[14]Li Shuang (李爽), Wang Lixia (王利霞), Li Qian (李倩), et al.Analysis of molding ability of the micro thin wall parts and some flow phenomena in filling stage of micro injection molding [J].Polymer Materials Science and Engineering(高分子材料科學與工程), 2013, 29(4): 109-112.

[15]Beaumont J, Young J.Mold filling imbalances in geometrically balanced runner systems [J].Journal of Injection Molding Technology, 1997, 1(3): 133-136.

[16]Buchma M, Theriault R, Osswald T A.Polymer flow length simulation during injection mold filling [J].Polymer Engineering and Science, 1997, 37(3): 667-671.

[17]Mavridis H, Hrymak A N, Vlachopoulos J.Finite element simulation of fountain flow in injection molding [J].Polymer Engineering and Science, 1986, 26(7): 449-454.

[18]Coyled J, Blake J W, Macosko C W.The kinematics of fountain flow in mold-filling [J].AIChE Journal, 1987, 33(7): 1168-1177.