超聲波輔助注塑成型技術原理與應用的研究

殷伊凡，林榮川，洪朝陽

（1.集美大學機械與能源工程學院，福建 廈門 361012；2.宏發電聲有限公司，福建 廈門 361012）

超聲波輔助注塑成型技術原理與應用的研究

殷伊凡1，林榮川1，洪朝陽2

（1.集美大學機械與能源工程學院，福建 廈門 361012；2.宏發電聲有限公司，福建 廈門 361012）

本文先介紹了超聲波輔助注塑成型技術的原理以及國內外研究現狀，然后介紹了其主要應用領域和對未來的展望。

超聲輔助注塑成型技術；機理；應用領域；未來展望

近年來聚合物材料在微系統和超薄制件領域中的廣泛應用，傳統成型技術一般通過高溫高壓的使熔體流動性增強來使塑料熔體充填微小型腔，但是充填過程中型腔體積微小導致塑料極易冷卻和充填型腔阻力增大，成型塑件應力增大，表觀質量下降，并且能耗大，成本高，等許多不利之處。

1 國內外研究現狀

超聲波在聚合物注射成型中的應用研究相對較少，相關理論及實驗裝置也不夠成熟，研究主要包括實驗研究、數值模擬以及新型超聲振動注射機的研制等。國外AstierJ.F.等人[1]發明了如圖1所示的超聲振動裝置。該裝置的振動頻率為20KHz～40 KHz在注射階段，通過超聲波發生器對流經振動體的聚合物熔體施加高頻振動，從而使熔體粘度降低、流動性提高。

國內四川大學高分子材料工程國家重點實驗室的Chang Lu等人[2]利用超聲波在液體中的空化效應，設計了如圖2所示的超聲振動裝置，進行了超聲振動對PS制品和PS/HDPE共混物制品熔接痕強度影響的研究。

圖1 作用于模具和噴嘴之間的超聲振動裝置

圖2 應用液體空化效應的超聲振動注射成型系統

2 超聲作用對塑料熔體作用機理

幾乎所有的高分子溶液在超聲波的作用下，都發生了分子鏈斷裂，高分子的平均分子量隨著超聲波作用時間增加而逐漸降低，并在一段時間后分子量趨于恒定達到極限分子量。當超聲波與大分子物質接觸時，物質的質點具有很高的加速度，從而產生劇烈的機械運動，高分子物質隨著高速振動和剪切作用引起共價鍵的斷裂，從而導致降解，當降解達到極限鍵長時，分子鏈斷鍵過程停止。對聚合物施加超聲振動，使聚合物材料塑化均勻，以解決注塑成型時出現的充填不勻的現象。高聚物分子與流動性數學關系模型以及振動場的參數對其影響。

式中,

ηw為熔體粘度；

Nc為熔體單位體積中高分子鏈總數目。

N為生成纏結點的數目；

M為解除纏結點的數目；

Ei為熔體能量場中第i種形式能量場具有的能量；

Ki為第i種形式的能量場對解纏結的作用系數。

振動場是一種能量場，聚合物熔體的剪切振動和壓力振動是兩種不同形式的振動場。由（2）公式可知，對聚合物熔體施加振動，高分子鏈纏結和解纏結作用的平衡關系必然向解纏結方向移動，使分子鏈解纏結點的數量增加，纏結點的生成數量減少。因而，高分子網絡纏結點的總數減少，熔體粘度下降。

（1）振動參數的影響

在聚合物熔體振動時，振動能量是通過振動源傳入熔體的，振動參數決定了振動能量的大小。在本實驗設備中，振動頭是振動的傳入點，振動頭動能的大小決定了傳入熔體的能量多寡。

振動具有的動能為：

式中，

E為振動頭的動能；

m為振動頭的質量；

A為振幅；

ν為振動頭的振動速度；

f為振動頻率。

（2）振動頻率影響

可見，振動頻率越高，振動傳遞給熔體的能量就越大，高分子鏈纏結和解纏結的動態平衡向解纏結方向移動，結果是纏結生成點減少，解纏結點增加，平衡態的纏結點數量降低,熔體粘度下降。由于式（2）所示的動平衡從低級向高級移動時所需能量是不斷增加的，因此，開始時熔體粘度下降迅速，但粘度下降到一定程度時就趨于平緩。

（3）振幅影響

同理，根據式（3），振幅增大，振動傳遞到熔體體系的能量也增加，高分戶網絡中纏結點總數下降，熔體粘度下降，粘度與振幅之關的關系類似于粘度與振動頻率之間的關系。

3 主要應用領域

微機電系統(MEMS)技術的快速發展，微型塑件以其體積小、重量輕、成型時能耗低、效率高等特點，在生物醫療、環境工程、光學通信、精密儀器、航空航天、化學分析與檢測等工業領域得到了廣泛的應用，而且隨著生活水平提高，對制件外觀要求提高，超薄件大量使用。

4 未來展望

超聲輔助成型技術，由于在微制件領域和超薄件領域的表現突出的特點，隨著未來的更進一步的研究，比如在超聲振子的設計，定位，環境的適應性，未來將很好的大規模在企業應用，并且實現對微制件和超薄件的大規模生產。

5 總結

為提高聚合物熔體的流動性，以及充填型腔性能，提高超薄件和微制件的成型質量，本文介紹了超聲輔助注塑成型技術，并且闡述了國內外研究現狀，以及超聲作用機理。

[1]ASTIER JF，FEYTIATB，BESSAGUETL，etal.Vibration-aided feed device for amolding apparatus:US,4500280[P].1985（2）：19.

[2]LI J，GU0 SY，SLAZAK R，et al.In situ compatibilization of PS/EPDM blends during ultrasonic extrusion[J].Macromol.Chem.Phys，2005（206）：2429-2439.

The Research ofPrinciple and App lication ofUltrasonic Assisted Injection Molding Technology

YIN Yi-fan1，LIN Rong-chuan1，HONGChao-yang2
（1.InstituteofMechanicalEngineering，JiMeiUniversity，Xiamen Fujian 361012，China；2.Xiamen Hongfa Electroacoustic Co.，Ltd.，Xiamen Fujian 361012，China)

In this article first introduces the principle of ultrasonic assisted injection molding technology and its research situation athome and abroad,then introduces itsmain application fieldsand prospect for the future.

ultrasonic assisted injectionmolding technology；principle；application field;future

TQ320.63

B

1672-545X（2014）04-0238-02

2014-01-03

福建省區域科技重大項目（2013N31010065）

殷伊凡（1989—），男，山西晉城人，碩士研究生，研究方向：超聲輔助注塑成型。