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(chǎn)品的質(zhì)量。如何在不增加生產(chǎn)成本和生產(chǎn)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(jié)構(gòu)的塑件，除了傳統(tǒng)成型出現(xiàn)的塑件缺陷以外，微結(jié)構(gòu)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(jié)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(jié)構(gòu)和納米結(jié)構(gòu)聚合物熔體流動，并將結(jié)果與聚合物轉(zhuǎn)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(diào)整模擬中的傳熱系數(shù)和轉(zhuǎn)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(xiàn)良好的相關性。宏觀模型可以按照體積和數(shù)量進行縮小，以節(jié)省微結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)模擬。此外，評估了Moldflow中使用的傳熱邊界條件。結(jié)果表明，與宏觀成型相比，需要提高傳熱系數(shù)，才能正確表示界面聚合物/模具效果。同時，筆者發(fā)現(xiàn)，轉(zhuǎn)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(guī)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(jié)構(gòu)的填充行為，筆者使用了具有耦合3D求解器的商業(yè)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(shù)據(jù)如粘度，壓力-體積-溫度（PVT）行為和熱轉(zhuǎn)換在數(shù)據(jù)庫中實現(xiàn)。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(wěn)狀態(tài)（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(zhuǎn)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(zhuǎn)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(zhuǎn)變溫度，τ*表示剪切應力。D1、D2、D3、A1、A2為模型常數(shù)，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(wěn)狀態(tài)，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(wěn)定性、收縮率小、易脫模等特點。而現(xiàn)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(chǎn)的PMMA作為微流控芯片的成型材料。

3 結(jié)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(shù)遠低于模具鋼的傳熱系數(shù)，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(wǎng)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(jié)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(shù)值模擬仿真研究[D].杭州：浙江工業(yè)大學，2009：14.