黃　興，謝迪皋，許忠斌

（1.浙江大學(xué)化學(xué)工程與生物工程學(xué)院，杭州 310007； 2.杭州鴻雁電器有限公司，杭州 310012）

流動(dòng)小室制品微注塑過程的流痕形成問題研究*

黃興1，謝迪皋2，許忠斌1

（1.浙江大學(xué)化學(xué)工程與生物工程學(xué)院，杭州 310007； 2.杭州鴻雁電器有限公司，杭州 310012）

利用Moldflow模擬了流動(dòng)小室的微注塑填充和保壓過程，分析了不同尺寸參數(shù)的腔體中的壓力和剪切速率分布。根據(jù)實(shí)驗(yàn)制品流痕僅存在于微結(jié)構(gòu)處的特點(diǎn)，發(fā)現(xiàn)局部剪切增大導(dǎo)致的壁面滑移是流痕產(chǎn)生的主要原因，提出可通過減小注射速度、增加制品總厚或改變澆口位置的方法消除流痕。研究結(jié)果表明，局部微結(jié)構(gòu)的存在可能會(huì)對(duì)微注塑制品的產(chǎn)品質(zhì)量產(chǎn)生顯著的影響。

微注塑；流動(dòng)小室；流痕；數(shù)值分析

微注塑是指用于成型毫克級(jí)、微米級(jí)或者含有微米級(jí)局部結(jié)構(gòu)塑料件的注塑方法，因其塑料件體積微小、尺寸精度高以及適合于大批量生產(chǎn)等重要特點(diǎn)，成為微光學(xué)器件和生物、流體微分析芯片等微型器件的主要生產(chǎn)方法之一［1］。流動(dòng)小室是一種用于研究細(xì)胞對(duì)剪切力響應(yīng)的生物分析設(shè)備，其含有一個(gè)高度遠(yuǎn)小于橫向和縱向幾何尺寸的流動(dòng)腔［2］。該流動(dòng)腔的高度一般為數(shù)十微米至數(shù)百微米量級(jí)。用普通注塑方法加工容易引起較大尺寸誤差。筆者利用微注塑技術(shù)實(shí)現(xiàn)了流動(dòng)小室的大批量生產(chǎn)，這對(duì)降低流動(dòng)小室制作成本和實(shí)現(xiàn)流動(dòng)小室的商業(yè)化具有重要意義［3-4］。然而，在流動(dòng)小室的微注塑過程中，發(fā)現(xiàn)在流動(dòng)腔的凸起處容易產(chǎn)生明顯的流痕，從而影響產(chǎn)品的使用性能。

目前關(guān)于宏觀尺度上流痕形成的理論尚未完全統(tǒng)一，主要包括“Buckling”理論、“Go-over”理論以及“Stick-slip”理論等［5-6］?！癇uckling”理論認(rèn)為流痕來源于壓應(yīng)力過大導(dǎo)致的應(yīng)力屈服?！癎o-over”理論認(rèn)為模具溫度過低或注射速度過小導(dǎo)致的噴泉流動(dòng)前端凝固引發(fā)了流痕。而“Stick-slip”理論則認(rèn)為剪切應(yīng)力過大導(dǎo)致凝固層的壁面滑移是主要原因。近年來，國內(nèi)外學(xué)者們對(duì)流痕形成的原因及影響因素做了更深層次的研究。G. Iannuzzi等［7］研究了彈性體共混改性聚丙烯的注塑性能，發(fā)現(xiàn)增大熔體彈性有利于防止流痕的產(chǎn)生。S. Owada等［8］則通過可視化方法研究了熔體的填充過程，認(rèn)為熔體流動(dòng)前端的振動(dòng)是導(dǎo)致流痕產(chǎn)生的原因。國內(nèi)趙斌等［9］研究了滑石粉填充聚丙烯的注塑流痕情況，發(fā)現(xiàn)流痕的產(chǎn)生與材料內(nèi)部填料的分散情況有關(guān)。蘇瞧忠等［10］則驗(yàn)證了澆口位置對(duì)流痕的產(chǎn)生具有重要的影響。然而，目前對(duì)于流痕的研究基本上都在宏觀尺度，而微注塑中流痕的產(chǎn)生原因仍缺乏相關(guān)的研究。為了確定微注塑過程中流痕的發(fā)生機(jī)理，需要分析微結(jié)構(gòu)處熔體的壓力、溫度及剪切速率等。

筆者利用Moldflow軟件模擬了流動(dòng)小室的微注塑過程，結(jié)合實(shí)驗(yàn)制品特點(diǎn)，分析了微結(jié)構(gòu)處的各個(gè)參數(shù)變化，從而確定剪切速率是微注塑中流痕產(chǎn)生的關(guān)鍵因素，并具體提出消除流痕的方法。

1　 模擬方法及設(shè)置

微注塑流動(dòng)小室的結(jié)構(gòu)如圖1所示。其底部有一條開放通道，其截面尺寸為800 μm×100 μm。利用UG建立幾何模型，并用Moldflow Insight 2013進(jìn)行數(shù)值分析。導(dǎo)入模型后以0.8 mm為全局邊長(zhǎng)劃分四面體網(wǎng)格，并在微結(jié)構(gòu)處以0.2 mm的邊長(zhǎng)進(jìn)行局部加密?？偩W(wǎng)格數(shù)為161 753個(gè)，匹配百分比為89.16%，最大縱橫比為23.1，最大二面角為172.5°，符合計(jì)算需求。在對(duì)模型劃分網(wǎng)格時(shí)，在微結(jié)構(gòu)及其周圍區(qū)域局部修改網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)的位置，從而使一系列節(jié)點(diǎn)處于一條直線上，且該直線大致平行于該處的熔體流動(dòng)方向。根據(jù)高透明度和良好的生物相容性的性能要求，實(shí)際生產(chǎn)中選擇聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）作為流動(dòng)小室的材料。而在本模擬中相應(yīng)地在材料庫中選擇Lucite 129牌號(hào)的PMMA進(jìn)行模擬。根據(jù)初步產(chǎn)品的實(shí)際設(shè)置，澆口位置為三入口凸臺(tái)邊上的側(cè)壁上，如圖1所示。由于實(shí)際產(chǎn)品中并未產(chǎn)生翹曲等缺陷，因此此處僅分析填充和保壓過程。如無特殊說明，則模具溫度設(shè)為60℃，熔體溫度設(shè)為250℃，保壓壓力為80 MPa，保壓時(shí)間為10 s。

圖1　 流動(dòng)小室的結(jié)構(gòu)

為了了解微結(jié)構(gòu)對(duì)流動(dòng)的影響，分別建立通道高度為0 μm（無通道）、100 μm和200 μm的流動(dòng)小室?guī)缀文Ｐ筒⑦M(jìn)行模擬。取熔體填充至60%時(shí)的狀態(tài)，分析不同尺寸的微結(jié)構(gòu)對(duì)腔體中的熔體流動(dòng)參數(shù)的影響，從而進(jìn)一步分析流痕產(chǎn)生的原因。

2 　結(jié)果與分析

對(duì)于注塑時(shí)模具中的流動(dòng)腔而言，流動(dòng)小室中的微通道對(duì)應(yīng)一個(gè)臺(tái)階狀凸起的微結(jié)構(gòu)。根據(jù)生產(chǎn)的實(shí)際情況，微注塑流動(dòng)小室實(shí)驗(yàn)制品在該微結(jié)構(gòu)處容易產(chǎn)生流痕，如圖2所示。圖2a為光學(xué)顯微鏡下的流痕。流痕與微結(jié)構(gòu)成一定角度，呈現(xiàn)出以澆口為中心的波紋狀。以三維干涉顯微鏡測(cè)量微結(jié)構(gòu)底平面，可見表面高度也呈波浪狀起伏（圖2b），其條紋的峰谷高度差值約1.2 μm。該流痕幾乎分布在微結(jié)構(gòu)的整個(gè)面上，但在制品底面的其他部位則不存在。由于該流痕在顯微鏡下清晰可見，對(duì)細(xì)胞的顯微成像產(chǎn)生干擾，從而嚴(yán)重影響流動(dòng)小室的使用性能而必須予以消除。

圖2　 流動(dòng)小室微結(jié)構(gòu)處的流痕

數(shù)值模擬得到的熔融聚合物的填充過程如圖3所示。將其與流痕對(duì)比后發(fā)現(xiàn)，流痕基本垂直于樹脂的流動(dòng)方向。又因?yàn)榱骱蹆H存在于微結(jié)構(gòu)的底面上，所以流痕的形成與熔體在微結(jié)構(gòu)處的運(yùn)動(dòng)及受力狀態(tài)有關(guān)。

圖3　 微注塑腔中的聚合物填充過程

圖4為含有100 μm高的微通道的流動(dòng)小室在注塑中微結(jié)構(gòu)處的壓力和剪切速率分布。

圖4　 100 μm通道深度流動(dòng)小室注塑腔中的壓力和剪切速率分布

圖4中的黑色虛線為通過處理網(wǎng)格得到的橫坐標(biāo)值為13.9～15.6 mm的直線。取出該直線上的節(jié)點(diǎn)值，可得不同通道高度的模型中熔體在向前流動(dòng)時(shí)壓力都以相近的斜率下降，如圖4a所示。與無微通道的流動(dòng)小室模型相比，微通道為100 μm和200 μm高的流動(dòng)小室中的壓力僅分別增大1.97%和7.73%。可見微結(jié)構(gòu)對(duì)腔體中的壓力分布影響很小，所以流痕并非熔體流動(dòng)時(shí)產(chǎn)生的壓應(yīng)力超過屈服極限引起的，即非“Buckling”理論所述的機(jī)理。同時(shí)，由于注塑模具材料為金屬，導(dǎo)熱性較好，且微結(jié)構(gòu)的尺寸很小，所以微結(jié)構(gòu)處和其他位置處的模具表面溫度的差異也較小，即熔體表面溫度受微結(jié)構(gòu)的影響可忽略不計(jì)。因此，由于流動(dòng)前鋒凝固引起的流痕會(huì)基本布滿流動(dòng)小室的整個(gè)底面，這與實(shí)際結(jié)果不符，說明“Go-over”理論中所述的機(jī)理也并非微注塑流動(dòng)小室中流痕產(chǎn)生的原因。圖5為不同微結(jié)構(gòu)尺寸下的虛線流動(dòng)路徑上的壓力和剪切速率變化。

圖5　 不同微結(jié)構(gòu)尺寸下的虛線流動(dòng)路徑上的壓力和剪切速率變化

然而，熔體在向前流動(dòng)的過程中，微通道結(jié)構(gòu)處的剪切速率發(fā)生了明顯的變化，如圖5b。在無微結(jié)構(gòu)的模型中，流動(dòng)方向上各處的剪切速率基本一致。而對(duì)于存在微通道的流動(dòng)小室，通道處的剪切速率顯著增加。高度分別為100 μm和200 μm的微通道處的剪切速率與無通道模型相比分別增大51.5%和70.2%。根據(jù)以上結(jié)果推測(cè)流動(dòng)小室中的流痕產(chǎn)生過程如下：當(dāng)熔體經(jīng)過微通道結(jié)構(gòu)處時(shí)，由于腔體高度的顯著減小，剪切力急劇增大并超過了凝固層和模具表面間的摩擦力，從而產(chǎn)生壁面滑移現(xiàn)象。隨著凝固層向前滑移，剪應(yīng)力集中產(chǎn)生的能量積累得到釋放，凝固層重新在模具表面固定下來。周而復(fù)始，形成了垂直于流動(dòng)方向的條紋狀的凝固帶。該凝固帶與周圍的熔體相比溫度更低，所以在保壓后冷卻的過程中收縮率較小，從而在制品表面形成了波浪狀的凸起。

根據(jù)上述分析，熔體剪切作用過大是導(dǎo)致微注塑中流痕產(chǎn)生的關(guān)鍵因素。為此，可通過調(diào)整結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)或注塑工藝參數(shù)以減輕微通道處剪切力的局部增大效應(yīng)，從而消除流動(dòng)小室中的流痕。剪切速率的大小主要與局部流速梯度以及熔體黏度有關(guān)。因此，主要有兩類方案可供選擇。第一類方案是設(shè)法減小局部流速梯度。為此，可從結(jié)構(gòu)上減小微結(jié)構(gòu)的高度或增加制品的總體厚度，從而減小微凸起構(gòu)的相對(duì)影響。但是大部分情況下，微結(jié)構(gòu)的尺都不能隨意改動(dòng)，而增大總體厚度的同時(shí)則會(huì)增制品的總質(zhì)量。從工藝角度，可以減小注射速度減小流速梯度。模擬結(jié)果顯示，隨著注射速度從 cm3/s減小到1 cm3/s，微結(jié)構(gòu)處以及周邊其它位置的剪切速率都顯著減小，如圖6a所示。第二類案則是設(shè)法降低熔體黏度。圖6為不同注射速度熔體溫度下的虛線流動(dòng)路徑上的剪切速率變化。

圖6　 不同注射速度和熔體溫度下的虛線流動(dòng)路徑上的剪切速率變化

為此，如果產(chǎn)品允許，則可直接選擇熔融黏度較低的高分子材料作為原料。而對(duì)于選定的原料，則可以通過提高溫度以減小流體的熔融黏度。例如，對(duì)于筆者所采用的Lucite 129牌號(hào)的PMMA，在100 s-1的剪切速率下，當(dāng)溫度從240℃增加到280℃時(shí)，熔體黏度會(huì)從600 Pa/s下降到200 Pa/s。在此影響下，微結(jié)構(gòu)處的局部剪切強(qiáng)度也有所降低，如圖6b所示。此外，選擇合適的澆口位置也一定程度上可以減小特定位置的剪切強(qiáng)度。當(dāng)澆口在流動(dòng)小室長(zhǎng)度方向的一側(cè)時(shí)，熔體填充時(shí)的流動(dòng)速度平行于微結(jié)構(gòu)的方向。經(jīng)過模擬，此時(shí)微結(jié)構(gòu)底面上的剪切速率可減至約295 s-1，有利于流痕的消除。

3 　結(jié)論

研究結(jié)果表明，在微注塑成型加工中某個(gè)維度上微結(jié)構(gòu)尺寸相對(duì)于總體尺寸不能忽略時(shí)，熔體在微結(jié)構(gòu)處會(huì)發(fā)生剪切速率顯著增大的現(xiàn)象，從而導(dǎo)致在該微結(jié)構(gòu)處產(chǎn)生流痕。因此，設(shè)計(jì)微注塑制品的結(jié)構(gòu)時(shí)，在微結(jié)構(gòu)尺寸確定后應(yīng)使制品總體尺寸足夠大，或者，應(yīng)該通過控制剪切速度或設(shè)計(jì)合理的澆口位置等工藝方法防止微注塑過程中流痕缺陷的產(chǎn)生。

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三井物產(chǎn)投資德國車體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)公司，擴(kuò)大車用碳纖維應(yīng)用前景

三井物產(chǎn)2016年8月1日宣布，將向使用碳素纖維等復(fù)合材料設(shè)計(jì)汽車構(gòu)件的德國Forward Engineering公司（簡(jiǎn)稱FE公司）出資，開展業(yè)務(wù)合作。三井物產(chǎn)將通過世界各地的業(yè)務(wù)網(wǎng)點(diǎn)，為普及FE公司的車體輕量化設(shè)計(jì)及工程服務(wù)提供支援，同時(shí)還將利用FE公司的知識(shí)，擴(kuò)大面向汽車領(lǐng)域的碳纖維業(yè)務(wù)。

FE公司是2016年3月從德國雷丁汽車公司分離出來的企業(yè)。該公司以量產(chǎn)車的輕量化為目標(biāo)，開展使用復(fù)合材料的車體設(shè)計(jì)及工程業(yè)務(wù)。該公司在接受汽車廠商的委托后，在考慮車體整體性能的同時(shí)，最大限度地活用復(fù)合材料來設(shè)計(jì)構(gòu)件。

而三井物產(chǎn)也在努力擴(kuò)大汽車領(lǐng)域的碳纖維業(yè)務(wù)。比如，2015年4月與金澤工業(yè)大學(xué)革新復(fù)合材料研究開發(fā)中心簽訂了與復(fù)合材料研究相關(guān)的合作協(xié)議書和設(shè)備租借合同。2016年3月又獲得了挪威的碳纖維強(qiáng)化壓力罐廠商Hexagon Composites公司及韓國的碳纖維加工廠商Hankuk Carbon公司的股份。三井物產(chǎn)預(yù)計(jì)，在車體輕量化需求高漲的背景下，使用碳纖維等輕量化材料的部件市場(chǎng)將急速擴(kuò)大。兩公司將通過此次合作，在全球開展使用復(fù)合材料的車體輕量化設(shè)計(jì)及工程業(yè)務(wù)。

（中塑在線）

Study on Flow Marks in Flow Chambers Produced by Micro Injection

HuangXing1， Xie Digao2， Xu Zhongbin1
（1. College of Chemical and Biological Engineering， Zhejiang University， Hangzhou 310007，China；2. Hangzhou Honyar Electrical Co.Ltd， Hangzhou 310012， China）

Filling and pressure holding in the micro injection process of a kind of biological microfluidic device “flow chamber”were numerically simulated. Pressure and shear rate in the cavity were analyzed. It was found that wall slip caused by local increase of shear rate accounted for the formation of flow marks. Reducing the injection speed，increasing the total thickness or changing the position of pouring is recommended to eliminate the flow marks. This research reveal that in micro injection process，micro structures might lead to significant influence on the performance of products.

micro injection；flow chamber；flow mark；numerical simulation

TQ320.66

A

1001-3539（2016）09-0062-04

10.3969/j.issn.1001-3539.2016.09.013

*浙江省重大科技專項(xiàng)（2012C01011-3），浙江省自然科學(xué)基金項(xiàng)目（LY13E030002）

聯(lián)系人：許忠斌，教授，博士生導(dǎo)師，主要從事微結(jié)構(gòu)塑料制品的加工及應(yīng)用研究

2016-06-30