微注射成型关键技术和CAE研究

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3.0 赵德峰 2024-11-19 4 4 2.65MB 80 页 15积分

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摘要

随着微机电系统（MEMS）的飞速发展，工业上对精密的微型零件的需求越

来越大，精度要求越来越高。由于微注射成型技术的众多优点，如今已广泛应用

于各种各样的精密零件的生产制造。然而微注射成型技术的发展遇到了诸多挑

战，如塑件精度控制困难、成型工艺有待进一步探索和改进及微尺度型腔填充困

难等。

当前对微注射成型技术的研究主要集中在三个领域：微型注射成型机的研究

（毫克级质量控制精度）、微注射成型工艺（包括成型材料、微型模具设计制

造、塑件精度控制、成型工艺参数控制等）的研究、微注射成型的 CAE 模拟仿

真。本文对微注射成型 CAE 技术、微注射成型工艺、成型流动影响因素等关键技

术进行了较为全面的研究和分析，主要侧重于模具型腔中微观熔体流动行为的研

究。熔体充模流动的影响因素有许多，如模具表面粗糙度、熔体表面张力、粘弹

性效应、壁面滑移等等，本课题重点研究微尺度效应和瞬态对流换热对微注射成

型的影响。

在查阅了大量国内外文献资料的基础上，本文比较了传统注射成型和微注射

成型的差异，对微注射成型的充模流动影响因素进行了全面分析，提取出适合于

微观充模流动的理论模型。采用注射成型流动模拟的 Moldflow CAE 软件对含

500μm 微型流道的接插件侧壁超薄模型的微尺度效应和瞬态对流换热两个影响因

素进行了模拟分析，研究了熔体填充过程中微尺度效应和瞬态对流换热对微流道

入口处和出口处的温度场和速度场的影响，实验和模拟结果对微型超薄塑件和精

密电子产品的流道设计及成型工艺具有重要的参考价值和实际指导意义。

本课题还研究了工艺参数对微注射成型的影响。研究中考虑了微尺度效应和

瞬态对流换热，采用含 500*750μm 微型流道的搭扣模型和含 250*375μm 微型流

道搭扣模型两种情况进行模拟分析，成型材料选用工程材料中常用的三种材料：

ABS，PA 和PE，以塑件的填充率作为实验指标，对模具温度、熔体温度、注射

时间和注射压力四项工艺参数进行分析。模拟结果表明模具温度对填充率的影响

增强，注射时间和熔体温度的影响相对较小，注射压力的影响则减弱。本文所进

行的实验能够反映出微型流道中熔体的流动行为，为微型模具的设计制造和微成

型的流动理论分析提供有力的理论基础。

关键词：微注射成型微尺度效应瞬态对流换热 CAE 模拟

Moldflow

ABSTRACT

With the fast development of micro electromechanical systems (MEMS), the

growing demand of precise micro components and accuracy requirement are getting

more and more prominent. Because of the advantages of micro-injection molding, this

technology has been widely used in the manufacture of various precise parts. But the

development of micro-injection molding technologies face many difficulties, such as the

parts accuracy control, the immature development of molding technology, the difficulty

of micro cavities filling and so on.

The research of micro-injection mainly concentrates in following three domains:

micro-injection machine(milligram scale control accuracy), micro-injection molding

technology(molding materials, mold technology, parts precision control, technological

parameters control included), the simulation of micro-injection. In this paper, the CAE

technology of micro-injection, the molding technology of micro-injection and the

influential factors of flowing are studied and analyzed. The flowing behaviors of

polymer melt in microscopic scale are studied especially. There are lots of factors that

influenced the flowing behaviors, such as the roughness of mold, melt surface tension,

visco-elastic effects, wall slip effect and so on. Micro-scale effect and transient

convective heat transfer effect are mainly studied in this paper.

In this paper, I reviewed massive of domestic and foreign literatures and compare

the differences of the traditional injection molding and micro injection molding. The

factors affecting the mold filling of micro-injection molding are analyzed

comprehensively in this paper, and the appropriate theoretical models of micro-scale

filling are extracted accordingly. The injection molding analysis software –Moldflow is

used to simulate the micro-scale effect and transient convective heat transfer effect with

the ultra-thin connector model containing 500μm scale channel. The effects of the

micro-scale effect and transient convective heat transfer effect to micro channel

entrance and exit temperature and velocity field are studied as well. The experimental

and simulation results have important reference value and practical significance for the

products design and molding process of micro-thin plastic parts and precision electronic

products.

This topic also studied the affections of process parameters in micro-injection

molding. The micro-scale viscosity effect and transient convective heat transfer effect

are considered, and plastic clasp model with 500*750μm and 250*375μm micro-

channel are adopted in the simulation. Three kinds of commonly used materials-ABS,

PA, PE-are adopted in the simulation. The mold temperature, melt temperature,

injection time and injection pressure are analyzed in the experiments. The simulation

results indicate that the effects of fill rate to mold temperature increase and the effects

of injection time and melt temperature are not remarkable, and the effects of injection

pressure reduce. The experiments conducted in this paper can reflect the melt flow

behavior in the micro-channel, and these results provide the strong supports to the

design and manufacture of micro molds and micro-injection flow theory.

Key Word: Micro-injection molding, Micro-scale effect, Transient

convective heat transfer, CAE simulation, Moldflow

中文摘要

ABSTRACT

第一章绪论.....................................................................................................................1

§1.1 微注射成型的概念 ............................................................................................2

§1.2 微注射成型技术的发展现状 ............................................................................2

§1.2.1 国外微注射成型技术的发展现状 .......................................................... 3

§1.2.2 国内微注射成型技术的发展现状 .......................................................... 8

§1.3 本课题研究的主要内容 ..................................................................................10

第二章微注射成型 CAE 模拟技术及成型工艺 .........................................................11

§2.1 微注射成型模拟的 CAE 技术 ........................................................................ 11

§2.1.1 注射成型 CAE 的发展概况 .................................................................. 11

§2.1.2 注射成型 CAE 系统的基本构成 .......................................................... 12

§2.1.3 微注射成型中的有限元技术[29] ............................................................13

§2.1.4 微注射成型的 CAE 模拟仿真及其存在的问题 .................................. 17

§2.2 微注射成型工艺 ..............................................................................................19

§2.2.1 微注射成型材料及其塑化 .................................................................... 19

§2.2.2 模具抽真空对微塑件填充性能的影响 ................................................ 21

§2.2.3 模具温度对微注射成型的影响 ............................................................ 23

§2.2.4 注射压力及保压的影响 ........................................................................ 24

§2.2.5 微型塑件的精度控制 ............................................................................ 25

§2.2.6 微成型模内组装工艺 ............................................................................ 26

§2.5 本章小结 ..........................................................................................................29

第三章微注射成型充模流动的数学模型及影响因素................................................30

§3.1 微注射成型的理论模型 ..................................................................................30

§3.1.1 控制方程[47，48] ....................................................................................... 30

§3.1.2 微尺度粘度模型 .................................................................................... 33

§3.1.3 对流换热模型及其热力学边界条件[51,52] .............................................34

§3.2 微注射成型中充模流动的影响因素 ..............................................................37

§3.2.1 模具表面粗糙度对微型流道的影响 .................................................... 37

§3.2.2 熔体表面张力 ........................................................................................ 38

§3.2.3 熔体粘度对微型注射的影响 ................................................................ 39

§3.2.4 微注射成型中熔体的粘弹性效应 ........................................................ 40

§3.2.5 微注射成型中流道的壁面滑移效应 .................................................... 41

§3.3 本章小结 ..........................................................................................................43

第四章微尺度效应和瞬态对流换热的 CAE 分析 ......................................................44

§4.1 模拟分析软件简介 ..........................................................................................44

§4.2 模拟分析流程 ..................................................................................................45

§4.3 微尺度效应对微注射成型的影响 ..................................................................49

§4.3.1 微尺度效应对微注射成型的温度影响 ................................................ 49

§4.3.2 微尺度效应对微注射成型的速度影响 ................................................ 51

§4.4 瞬态对流换热对微注射成型的影响 ..............................................................52

§4.4.1 瞬态对流换热对微注射成型的温度影响 ............................................ 53

§4.4.2 瞬态对流换热对微注射成型的速度影响 ............................................ 55

§4.5 搭扣的 CAE 填充分析 .................................................................................... 56

§4.5.1 工艺参数的设置 .................................................................................... 57

§4.5.2 填充效果模拟 ........................................................................................ 57

§4.6 本章小结 ..........................................................................................................58

第五章工艺参数对微注射成型影响的 CAE 研究 ......................................................60

§5.1 500*750μm 微流道塑件成型工艺参数影响分析..........................................60

§5.1.1 模具温度的影响 .................................................................................... 60

§5.1.2 熔体流动温度的影响 ............................................................................ 62

§5.1.3 注射时间的影响 .................................................................................... 63

§5.1.4 注射压力的影响 .................................................................................... 64

§5.2 250*375μm 微流道塑件成型工艺参数影响分析..........................................65

§5.3 本章小结 ..........................................................................................................68

第六章总结与展望........................................................................................................69

§6.1 总结 ..................................................................................................................69

§6.2 展望 ..................................................................................................................71

参考文献.........................................................................................................................72

在读期间公开发表的论文和承担科研项目及取得成果.............................................76

致谢................................................................................................................................77

第一章绪论

随着电子工业及精密机械的飞速发展，产品微型化已经是工业界发展的一种

趋势。特别是在电子、通信、微系统技术、微机电系统等领域中，除了电子组件

外，各种微型组件也得到了大量的使用。随着微米、纳米技术的兴起，以形状尺

寸微小为特点的微细加工技术已经成为人们认识和把握微观世界的一种高新技

术。微系统技术、微机电系统的产业化极大地推动了微细加工技术的发展，先后

出现了超精密机械加工，深反应离子蚀刻、LIGA 及准 LIGA 技术、分子装配技术

等。但是微型化产业要求的大批量、高效率、高精度、高密度、短周期、低成

本、无污染、净成型等固有特点制约了这些微型加工技术的广泛应用。因此，人

们把视线转向传统的成型工艺，因为在常规尺度的制造领域，成型工艺恰恰具备

微型化产业要求的特点。由于这些特点，面向微型化的制造的微成型技术在短短

十年内得到了迅速发展。

微注射成型技术（Micro-injection molding）是微系统技术的重要分支。随着

科技的进步，产品不断向微型化方向发展，因而产生了新世纪产品需求的微机电

系统技术。其产品广泛地应用于光电通信、影像传输、生化医疗、信息存储、精

密机械等领域。微注射成型技术以容易低成本的大规模生产具有精密微观结构的

零件的优点而成为世界制造技术研究的热点之一。

随着微系统工程的发展，更好、更先进的产品相继投入市场，如空气囊、电

子齿轮控制器、多纤插件、微量滴定板、微型热交换器等等。可以预测在革新产

品的层面上，微型工程技术将变成和微电子技术一样重要。用合适的材料低成本

的生产中型和大型的微型组件的方法，满足了微型工程的需要，并且使其得到了

进一步的发展。由于注射成型的多样性和灵活性，在生产低成本的微型组件方

面，注射成型已成为一项关键技术。早在 1986 年，微注射成型技术最初用于 CD

的制造，而到今天已经发展成为一项相对独立的技术[1]。

微注射成型技术与传统的注射成型技术相比，在许多方面存在差异，不能简

单地将常规的注射成型技术应用到微成型中，有许多理论上的和实际中的问题尚

待解决，如聚合物熔体在微型型腔内的流动行为与常规的注射成型有显著的不

同。传统的宏观注射成型过程中许多可忽略的因素，在微注射成型中的影响可能

是重大的。现有软件的流变学数据是从宏观的实验中得到的，这些数据可能不适

用于微观领域的流动填充；高聚物在微观流道中有很强的滑移效应，如果没有考

虑滑移效应模拟软件将不能够分析出由该效应所产生的结果；同时，微观下的表

微注射成型关键技术和 CAE研究

面效应能够增强减弱熔体的流动性，因此应该被考虑在内。现有的模拟软件由于

没有考虑到在微型流道中聚合物的滑移效应、微观下的表面效应和流变学特性，

因此不能够精确的描述微观下的熔体流动。为此，需要从微观尺度上根据微型件

的成型特点采用新的思维方式建立新的微型注射成型工艺与模具设计的基本理论

与方法。微注射成型技术涉及的技术领域较多，如高聚物熔体的微观流变学、微

传热学等相关技术领域，加之各相关领域的理论与技术本身的发展还不够成熟，

还没有形成能够指导微注射成型的理论方法。因此，建立新的微注射成型技术的

理论与方法，对微机电系统的发展和精密塑件的生产有重要意义。

到目前为止，虽然微注射成型技术还处于探索和实验研究阶段，但是世界上

一些发达的工业国家，如日本、德国，已经进行了大量的研究，在技术探索的同

时也为该领域将来必然发生的激烈竞争抢占了一些技术制高点。

§1.1 微注射成型的概念

目前，对微注射成型技术还没有统一的定义，但多数研究者都是从微型小尺

寸和微小体积塑件开始研究的。R.Ruprecht 等人[1]从微型塑件的角度给出了微注

射成型的概念。即微注射成型技术应能够成型以下类型的塑件：

（1）微型塑件，塑件整体结构尺寸微小，通常其单位质量仅为毫克；

（2）具有微细特征结构的塑件，塑件总体尺寸仍为普通尺寸，但其局部细微

结构的尺度为微米量级；

（3）微型精密塑件，指塑件尺寸为任意的，但应有微米量级的精度。

微注射成型技术的概念是相对的概念，随着科学技术的不断发展，所谓的微

型的外形尺寸、尺寸精度和重量必将向着更高级别的方向发展。

§1.2 微注射成型技术的发展现状

随着科学技术的进步，特别是微机系统（MEMS）的发展，微型注塑制件在

医疗、信息、汽车工程、自动化、日常生活等领域得到了应用，并且每年已 20%

的速度在增长[2]。微注射成型作为热塑性塑料成型的一种重要工艺方法，与目前

在微机械领域广泛应用的硅基材料微小构建成型工艺相比，其制造成本大幅度下

降，生产周期大为缩短，并且成型工艺简单，构建质量易于保证，容易实现自动

化和批量生产。微注射成型技术已成为模具技术中的一个新的分支，正在得到

快速的发展[3]。

第一章绪论

微注射成型技术始于20 世纪80年代末, 最早应用于CD的加工, 德国在此方

面的研究起步最早, 美国、日本等紧随其后。我国目前有清华大学微纳米中心、

上海交通大学微纳米研究院、中科院力学所和中南大学模具技术研究所对微流体

流动行为、微流体实验技术及微注射成型机理进行了一些卓有成效的研究探讨,

但都尚未开展实质性的工程应用[4]。

§1.2.1 国外微注射成型技术的发展现状

§1.2.1.1 微注射成型机的研究

微注射成型技术的关键在于微注射成型机。不同于传统的注射成型机，微注

射成型机需要较高的注射速率，精密的注射量计量以及快速的反应能力。首先，

产品的很高的表面积/体积比要求制品冷却必须发生在一个很短的时间内，因此喷

嘴必须尽可能迅速地将物料注入到型腔中从而保证完整的填充，使其具有较高的

纵横比特征。再次，由于需要精确的特征复制，注射装置必须可以达到很高的注

射压力。最后注射过程必须具有高精度的重复性。这些都使得专用的微注射成型

机在注射、成型、温控等方面具有特殊的要求。

国外有众多公司生产微注射成型机。德国的 Battenfeld 公司、Boy 公司、日本

的Sodick 公司和美国的 Murray 公司为代表的注塑机生产商们，从 20 世纪 90 年

代中期以来，先后研制开发了各种不同类型的微型注射机，其螺杆直径最小可达

5mm，注射容量只有几立方厘米到零点几立方厘米。成型的塑件重量也从零点几

克小至零点几毫克。如 Battenfeld 公司专门为成型精密微型塑件设计制造的一种

全电子驱动的微型注射机 Microsystem50，其注射重量从 0.25mg 到1g 变化，可用

来成型单件质量在 0.1g 以下的微型塑件。

德国的 Aachen 大学的 IKV 研究所一直从事注射成型及其模具技术的研究，

他们研制了一种高技术含量的微注射成型机，获得比 Microsystem50 更小的注射

量。它仍然采用螺杆预塑化和柱塞注射单元分离设计，只是注射螺杆的直径由

Microsystem50 型的 5mm 减小到 2mm，其注射重量可在 5mg-300mg 范围内变

化。微型注射机经过十几年的发展，已经商品化的机器类型有多种，其制造商除

了 Battenfeld,Boy,Sodick 和 Murray 公司外，还有 Arburg,Demag Ergotech,

Ettlinger,Ferromatik Milacron,Nissei,Sumitomo,Tomken Tool 和Van Dorn Demag 等

多家公司。各公司及其研究机构都在不断地提高其微注射机的设计与控制技术。

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摘要随着微机电系统（MEMS）的飞速发展，工业上对精密的微型零件的需求越来越大，精度要求越来越高。由于微注射成型技术的众多优点，如今已广泛应用于各种各样的精密零件的生产制造。然而微注射成型技术的发展遇到了诸多挑战，如塑件精度控制困难、成型工艺有待进一步探索和改进及微尺度型腔填充困难等。当前对微注射成型技术的研究主要集中在三个领域：微型注射成型机的研究（毫克级质量控制精度）、微注射成型工艺（包括成型材料、微型模具设计制造、塑件精度控制、成型工艺参数控制等）的研究、微注射成型的CAE模拟仿真。本文对微注射成型CAE技术、微注射成型工艺、成型流动影响因素等关键技术进行了较为全面的研究和分析，主要侧重...

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