微注塑成型充模理論模型與3D填充模擬研究

韓 飛 楊 鐸 吳蒙華

(大連大學 機械工程學院，大連 116622)

微流控芯片是目前MEMS研究最為活躍的領域之一，但是由翹曲變形引起的形狀偏差會嚴重影響產品的質量。如何在不增加生產成本和生產周期的情況下對制件進行翹曲分析是目前應當著手解決的問題。對于注射成型微流控芯片這種帶有微溝槽結構的塑件，除了傳統成型出現的塑件缺陷以外，微結構能否完全復制成為微流控芯片注射成型法成功的關鍵。

1 3D模型的建立

在Solidworks中建立平板微器件的三維模型，整個模型共有54716個單元、27362個節點。平板微器件的Moldflow模型如圖1所示。

圖1 平板微器件Moldflow模型

2 微注塑充型分析模型的建立

本文用Moldflow模擬微結構和納米結構聚合物熔體流動，并將結果與聚合物轉變溫度之上和之后的實際等溫注射模擬試驗進行比較。通過調整模擬中的傳熱系數和轉變溫度，兩種聚合物（即聚甲基丙烯酸甲酯PMMA和高密度聚乙烯HDPE）可以在不同的加工條件（模具溫度，注射速度）下實現良好的相關性。宏觀模型可以按照體積和數量進行縮小，以節省微結構模擬的計算時間，并且只要局部邊界條件（如前端速度）正確傳輸，就可以首先進行納米結構模擬。此外，評估了Moldflow中使用的傳熱邊界條件。結果表明，與宏觀成型相比，需要提高傳熱系數，才能正確表示界面聚合物/模具效果。同時，筆者發現，轉化溫度在變溫注塑成型中的保壓階段是最重要的[1]。

一般地，人們通過Moldflow中的常規填充模擬，在宏觀方式中確定溫度、壓力、剪切速率和粘度，隨后將這些值用作填充模擬的邊界條件。必須對縮小的模型添加正確的邊界條件。

為了模擬宏觀部分和微觀或納米結構的填充行為，筆者使用了具有耦合3D求解器的商業有限元模擬軟件Autodesk Moldflow Insight 2016。聚合物部分與3D體積四面體嚙合，以充分表示熔體的層流。聚合物的數據如粘度，壓力-體積-溫度（PVT）行為和熱轉換在數據庫中實現。使用Cross-WLF（Williams-Landel-Ferry）作為粘度模型，式（1）表示粘度對溫度T和壓力P的依賴性[2]。

許多聚合物在低剪切速率下進入停滯期，從而達到平穩狀態（τ*表示剪切應力）。零剪切粘度η0可以基于時間-溫度之間的轉換可以用式（3）、式（4）和式（5）計算。其中，T是聚合物熔體過程溫度，Tg是聚合物玻璃化轉變溫度。

模擬中包括慣性力和重力效應。因為聚合物熔體的粘度高，粘性應力較大。因此，注射成型中慣性力可以忽略。與其他力相比，重力同樣也是微不足道的，這些力是由高噴射壓力或保壓壓力造成的。

式中，T為熔體溫度，Tg為玻璃化轉變溫度，τ*表示剪切應力。D1、D2、D3、A1、A2為模型常數，聚合物熔體在低剪切速率下流動進入停滯期，從而達到平穩狀態，因此η0表示零剪切粘度。使用時需注意的是，將剪切變稀特性的粘度模型與溫度模型相乘，人們才能得到熔體粘度對溫度和剪切速率依賴的粘度模型。

考慮到微注塑成型的工藝性能，成型材料需要滿足熔體粘度低、流動性好，并且具有高溫穩定性、收縮率小、易脫模等特點。而現有的聚合物材料很少既兼顧加工又符合使用要求。目前用于微注塑成型的聚合物材料主要有聚甲基丙烯酸甲脂（PMMA）、聚苯乙烯（PS）、聚碳酸脂（PC）等。相比其他聚合物，PMMA擁有良好的透光性，成本低廉，強度較高，所以本實驗選擇Chi Mei Corporation公司生產的PMMA作為微流控芯片的成型材料。

3 結論

微小模具溫度改變不影響平板微器件的變形。采用一模二腔的方式可以縮短充填時間，減少充填壓力；而加入嵌件則會延長充填時間，從而使整個注塑過程達到平衡。石英玻璃的傳熱系數遠低于模具鋼的傳熱系數，所以此時的型腔溫度由于受熱不均勻而使溫度偏低，所以需要更大的保壓壓力和保壓時間充填完制品。利用3D網格的劃分計算了速率、壓力、溫度、流動前沿位置和熱傳導的影響，使得模擬結果更加可靠。

[1]劉志偉.高聚物熔體表面特性測試及對微注塑影響研究[D].大連：大連理工大學，2009：12-13.

[2]楊鐸.聚合物熔體表面效應與平板微器件的注塑成型研究[D].大連：大連理工大學，2011：8.

[3]周玉浜.微注塑成型數值模擬仿真研究[D].杭州：浙江工業大學，2009：14.