微注塑成型充模理论模型与3D填充模拟研究

韩 飞 杨 铎 吴蒙华

(大连大学 机械工程学院，大连 116622)

微流控芯片是目前MEMS研究最为活跃的领域之一，但是由翘曲变形引起的形状偏差会严重影响产品的质量。如何在不增加生产成本和生产周期的情况下对制件进行翘曲分析是目前应当着手解决的问题。对于注射成型微流控芯片这种带有微沟槽结构的塑件，除了传统成型出现的塑件缺陷以外，微结构能否完全复制成为微流控芯片注射成型法成功的关键。

1 3D模型的建立

在Solidworks中建立平板微器件的三维模型，整个模型共有54716个单元、27362个节点。平板微器件的Moldflow模型如图1所示。

图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模拟微结构和纳米结构聚合物熔体流动，并将结果与聚合物转变温度之上和之后的实际等温注射模拟试验进行比较。通过调整模拟中的传热系数和转变温度，两种聚合物（即聚甲基丙烯酸甲酯PMMA和高密度聚乙烯HDPE）可以在不同的加工条件（模具温度，注射速度）下实现良好的相关性。宏观模型可以按照体积和数量进行缩小，以节省微结构模拟的计算时间，并且只要局部边界条件（如前端速度）正确传输，就可以首先进行纳米结构模拟。此外，评估了Moldflow中使用的传热边界条件。结果表明，与宏观成型相比，需要提高传热系数，才能正确表示界面聚合物/模具效果。同时，笔者发现，转化温度在变温注塑成型中的保压阶段是最重要的[1]。

一般地，人们通过Moldflow中的常规填充模拟，在宏观方式中确定温度、压力、剪切速率和粘度，随后将这些值用作填充模拟的边界条件。必须对缩小的模型添加正确的边界条件。

为了模拟宏观部分和微观或纳米结构的填充行为，笔者使用了具有耦合3D求解器的商业有限元模拟软件Autodesk Moldflow Insight 2016。聚合物部分与3D体积四面体啮合，以充分表示熔体的层流。聚合物的数据如粘度，压力-体积-温度（PVT）行为和热转换在数据库中实现。使用Cross-WLF（Williams-Landel-Ferry）作为粘度模型，式（1）表示粘度对温度T和压力P的依赖性[2]。

许多聚合物在低剪切速率下进入停滞期，从而达到平稳状态（τ*表示剪切应力）。零剪切粘度η0可以基于时间-温度之间的转换可以用式（3）、式（4）和式（5）计算。其中，T是聚合物熔体过程温度，Tg是聚合物玻璃化转变温度。

模拟中包括惯性力和重力效应。因为聚合物熔体的粘度高，粘性应力较大。因此，注射成型中惯性力可以忽略。与其他力相比，重力同样也是微不足道的，这些力是由高喷射压力或保压压力造成的。

式中，T为熔体温度，Tg为玻璃化转变温度，τ*表示剪切应力。D1、D2、D3、A1、A2为模型常数，聚合物熔体在低剪切速率下流动进入停滞期，从而达到平稳状态，因此η0表示零剪切粘度。使用时需注意的是，将剪切变稀特性的粘度模型与温度模型相乘，人们才能得到熔体粘度对温度和剪切速率依赖的粘度模型。

考虑到微注塑成型的工艺性能，成型材料需要满足熔体粘度低、流动性好，并且具有高温稳定性、收缩率小、易脱模等特点。而现有的聚合物材料很少既兼顾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拥有良好的透光性，成本低廉，强度较高，所以本实验选择Chi Mei Corporation公司生产的PMMA作为微流控芯片的成型材料。

3 结论

微小模具温度改变不影响平板微器件的变形。采用一模二腔的方式可以缩短充填时间，减少充填压力；而加入嵌件则会延长充填时间，从而使整个注塑过程达到平衡。石英玻璃的传热系数远低于模具钢的传热系数，所以此时的型腔温度由于受热不均匀而使温度偏低，所以需要更大的保压压力和保压时间充填完制品。利用3D网格的划分计算了速率、压力、温度、流动前沿位置和热传导的影响，使得模拟结果更加可靠。

[1]刘志伟.高聚物熔体表面特性测试及对微注塑影响研究[D].大连：大连理工大学，2009：12-13.

[2]杨铎.聚合物熔体表面效应与平板微器件的注塑成型研究[D].大连：大连理工大学，2011：8.

[3]周玉浜.微注塑成型数值模拟仿真研究[D].杭州：浙江工业大学，2009：14.