微注塑成形中熔体充模流动分析及其数值模拟

借鉴宏观熔体的流变学理论和建模技术,针对微尺度流道中的聚合物熔体流动特性,采用模型修正方法,建立反映微小通道中熔体流动特性的理论模型.同时,应用数值模拟方法,研究微尺度粘度、壁面滑移和熔体与模具间的表面传热系数对微小熔体流动的影响关系,并与相关试验数据进行比较.结果表明,微流道中的熔体粘度明显小于传统理论下的粘度值,且与微流道的特征尺寸成正比.随微流道特征尺寸减小,滑移系数也明显减小,壁面滑移速度则增大.考虑局部表面传热系数时微流道中的熔体温度分布具有尺寸效应.微尺度流道中的熔体流动行为与宏观熔体有许多不同.     

微注塑充模流动过程熔体黏度影响规律的数值模拟

微型塑件注射成型充模流动过程中,与宏观塑件相比,塑料熔体黏度随剪切速率的变化对流动的影响有很大的不同.对比微观和宏观黏度模型,运用流体分析软件Fluent,对微注塑充模流动过程熔体黏度的影响规律进行了研究.分析了熔体黏度的分布规律,结果表明微尺度降低了熔体黏度.研究了微尺度熔体黏度模型对熔体速度场、温度场和压力场的影响规律,结果表明:微尺度黏度模型的速度相对较大,近壁面区熔体温度相对较高,对微通道中的压力分布几乎没有影响.总体而言,由于通道微尺度而造成的熔体黏度变化有利于微注塑成型.     

共注成形充模流动的理论模型和模拟

在共注成形多相分层流动充模成形的机理研究基础上,通过采用通用的Hele-Shaw模型和流体体积技术,推导出用于描述共注成形多相分层流动充模过程的理论模型,并提出了一种稳定有效的求解理论模型的数值方法,还模拟了材料流变性能参数和过程参数对共注成形的影响,建立了这些参数与层间界面和前沿移动界面形貌的关系。模拟研究结果与一些文献的试验结果有较好的吻合。     

微壳体塑件充模流动三维数值模拟

针对微注塑成形中熔体充模流动行为,运用流体分析软件Fluent,对微壳体塑件熔体充模流动进行了三维稳态模拟。建立了微观黏度模型和壁面滑移模型,运用VOF多相流模型,研究了熔体充满型腔时的稳态三维流场,做出切片图分析了压力场和速度场。通过对考虑和不考虑微尺度影响(微观黏度和壁面滑移)的对比和分析,可以看到考虑微尺度因素影响时充模阻力减小约19%,而速度变化不明显。分析表明微尺度黏度对熔体流动影响显著,有利于微注塑熔体充模,而壁面滑移对充模流动影响较小。     

金属粉末注射成形充模过程数学模型研究

详细阐述了金属粉末注射成形的充模机理,假定了喂料熔体为混合均匀、不可压缩的非牛顿流体,充模流动为层流,依据流体力学和热力学知识,建立了完整的金属粉末注射成形充模过程数学模型,为金属粉末注射成形计算机模拟求解奠定了基础.     

基于改进有限体积法的三维注塑成型充模过程数值模拟

根据界面两侧相邻有限体积流动切应力相等的原则,考虑到相邻有限体积内黏度系数的差异,改进传统有限体积法,并推导改进的有限体积中心速度梯度、界面速度和速度梯度的新的离散格式和计算格式。新的离散格式和计算格式能适用于注塑成型充模过程中型腔内塑料熔体黏度差异较大的情形,避免因黏度的变化导致界面两侧相邻有限体积内塑料熔体流动切应力的急剧变化。同理,根据界面两侧热流量相等的原则,推导有限体积中心温度梯度、界面温度梯度的新的离散格式和计算格式。改进有限体积法能有效提高数值模拟的稳定性和计算精度。采用改进的有限体积法分别模拟圆柱内稳态流动以及盒形件、带凹槽平板、一般三维特征的塑料制品的塑料熔体充模过程,模拟结果与理论精确解、试验结果、商业软件模拟结果吻合。数值算例表明改进的有限体积法能较准确地模拟注塑成型充模过程,也可应用于黏度变化比较大的其他单一流体或多种流体的耦合数值模拟,具有重要的理论和实用价值。     

微细胞皿注塑模具变温系统设计

采用微细电火花技术铣削加工了细胞皿模具型腔,以聚丙烯(PP)为例进行了成形工艺数值模拟分析,结果表明,注射速率、模具温度、熔体温度对充模过程影响较大,模具温度需要达到120℃型腔才能充满。提出了油水电相结合的变模温技术,变模温实验结果表明,型腔温度从80℃变化到120℃大约需要6min。填充实验表明,油水电相结合的变模温技术对实现微注塑模具成形过程的变模温是可行的。     

气体辅助注射成形充模流动数值模拟的研究

基于广义Hele—Shaw流动模型,通过引入合理的简化和假设,建立了实现气体辅助注射成形充模流动模拟的数学方程、气体穿透过程的边界条件、CAD/CAE建模关键技术以及系统程序设计方法等。该研究对气体的穿透过程、压力场分布、小同时刻熔体/气体边界的移动状态以及在模壁上形成表层聚合物熔体壁厚的过程进行_了气体辅助注射成形充模流动的实例数值模拟研究。结果表明:增大气体注射压力,在其气体穿透方向所形成的表层熔体厚度比值也增人,降低熔体注射温度和非牛顿指数会增大气体穿透的壁厚值,其值接近试验测定的数值范围,也比较符合实际的气辅注射成形工艺结果。     

微结构模芯的精密磨削及其在微注塑成形中应用

针对微结构聚合物元器件的批量化生产与制造效率低等问题,采用精密修整成V形尖端的金刚石砂轮,在自润滑性和脱模性良好的钛硅碳陶瓷模芯表面加工制造出形状精度可控的V沟槽阵列结构,然后利用微注塑成形工艺将模芯表面的V沟槽阵列结构一次成形复制到聚合物表面,高效注塑成形制造出倒V形阵列结构的聚合物工件。分析了微模芯的表面加工质量与形状精度,研究了熔体温度、注射速度、保压压力、保压时间等微注塑成形工艺参数对微结构聚合物注塑成形角度偏差和填充率的影响。实验结果表明:通过微细磨削加工技术和微注塑成形工艺可以高效率、高精度地制造出规则整齐的微结构注塑工件,注射速度对微成形角度偏差的影响最大,保压压力对微成形填充率的影响最大,微结构模芯的微细磨削形状精度值为4.05μm,微成形的最小角度偏差和最大填充率分别为1.47°和99.30%。     

注塑成形模拟技术在模具设计中的应用

在一模多腔的注塑模具设计中,合理地设计分流道和浇口的尺寸,保证塑料熔体以相同的成形压力和温度,在同一时间充满型腔一直是设计的重点和难点。以非自然平衡浇注系统为重点,阐述了浇道和冷却系统的优化算法以及如何利用华塑三维模拟成形分析软件进行流动模拟和工艺优化。     

基于粘弹本构模型的注射成型充填过程模拟研究

为反映聚合物粘弹属性对注塑产品质量的影响,基于粘弹本构模型,对三维薄壁制件的注射成型充填过程进行了数值模拟研究。针对三维薄壁件,经合理简化假设,建立了其充填成型过程的数学模型,采用不可压缩Leonov粘弹本构模型。采用有限元/有限差分法来求解压力场和温度场,采用控制体积法来实现前沿界面跟踪,采用4阶龙格-库塔方法求解弹性应变张量。以一薄壁圆盘为例,对其注射充填过程中的充填时间及压力、剪切应力和第一法向应力差分布进行了数值模拟。模拟结果与前人的实验结果吻合较好,说明了本文建立的模型和数值方法的有效性及可靠性。     

基于型腔表面模型的塑料注射成形充填保压模拟

充填和保压模拟的计算机软件在预测复杂薄壁型腔的流动行为方面已经比较准确。现行的数值方法主要采用基于中性层的有限元/有限差分方法，中性层模型的引入使得模拟软件在应用中具有很大的局限性。采用表面模型取代中性层模型，通过附加在壁厚方向上的边界条件来保证同一截面上对应表面的协调流动。通过实验验证了这种表面模型能够处理由流行CAD系统生成的复杂型腔模型。     

水辅助注射成型充模流动的仿真与分析

基于现有气体辅助注射成型充模流动模型、非定常流场数学方程和湍流模型,突破未考虑高雷诺数水相区湍流特性、小尺度薄壁建模、初始化壁厚的人为影响以及未考虑熔体前沿喷注效应等局限,建立水辅助注射成型充模流动的仿真模型。比较湍流模型,分析水辅成型多相分层流动界面不稳定现象。针对主要工艺控制参数进行仿真分析。结果表明:结晶性塑料随熔体温度升高、延迟时间缩短、水注射入口流速增大,残留壁厚减小,随延迟时间增加、熔体温度降低和水注射流量的增大,负载压力升高,与水辅成型试验结果相吻合。延迟时间对负载压力影响有限,延迟时间和水注射入口流速对残留壁厚影响显著,且水辅成型负载的压力流量耦合特性明显。由此提出以成型效果为目标的水压系统压力控制优化,是改进水辅成型工艺的重要思路。     

微结构与微型零件的微注射成形

设计并制作了微注射成形模具，采用光刻、离子蚀刻工艺相结合在硅片上制得了微零件型腔、流道及浇口。利用该模具在微型注射机上进行了聚丙烯微注射成形实验，注射成形了微结构零件及独立的微型零件，其中最小微结构部分是直径50μm的微圆柱，最小独立的微型零件是直径300μm、厚300μm的微圆片。分析了模具温度、注射压力及保压时间对微注射成形的影响，其中模具温度影响最大，注射压力、保压时间的影响次之。     

薄壁气体辅助注塑件气体穿透过程的研究

基于气体穿透实验技术的研究分析，针对气体辅助注射成形中气体穿透气道的复杂过程，对薄壁气辅注塑件沿圆形截面气道穿透推进并形成模壁表层熔体的充模流动过程进行了研究。通过引入合理的简化和假设，建立了反映充模流动压力梯度、材料性能、表层熔体厚度比、非牛顿指数等影响因素的计算穿透速度和时间的数学方程．对气体注射压力、熔体温度、非牛顿指数影响气体穿透充模过程进行了实例数值模拟研究。结果表明，增大气体注射压力，其气体穿透方向所形成的表层熔体厚度比值也增大，降低熔体注射温度和非牛顿指数会增大气体穿透的壁厚值，其值接近国外试验测定值，也比较符合实际的气辅注射成形工艺结果。     

基于MPI技术的注射成型流动数值模拟研究

以塑料注射成型流动分析软件MPI为工具,对注塑过程中流动数值模拟技术进行了深入研究,建立了塑料熔体流动过程的数学模型。对注射成型模型进行了简化数值计算,以更清楚的认识各物理变量对成型过程的影响,并通过实例说明MPI技术在注射成型流动数值模拟技术的合理应用,用软件预测了温度、压力分布,注射充填型腔计算机模拟,以指导模具设计工作。     

全三维注塑成形流动模拟有限元模型的研究

注塑制品往往具有复杂的几何形状，存在着壁厚的差异。三维流动模型比二维模型能更准确地模拟出熔体充模流动的情况。提出了一种基于全三维模型的注塑成形流动模拟的数学模型和数值实现方法，把速度和压力同次插值的方法成功地应用到三维注塑模拟的计算中，采用三维控制体积追踪塑料熔体的流动前沿，在温度场计算中，全面考虑了对流项在各个方向的影响，使模型的适用范围更广，结果更准确。在此基础上开发了相应的软件，可以计算熔体充模过程中的压力场、速度场和温度场等。实验验证和算例分析说明了三维流动模型的有效性。     

[成形过程仿真优化与集成计算材料工程]注射成形熔体喷射的三维模拟及消除对策研究

为了探寻塑料注射成形过程中熔体喷射的消除对策,采用高精度离散格式追踪熔体流动前沿,基于有限体积法离散控制方程,发展了三维数值算法。与实验结果对比发现：所发展算法能有效模拟壁厚为4 mm的长方体型腔内的两种喷射演化模式以及厚壁型腔内的熔体喷射及其演化过程;小壁厚型腔内熔体的屈曲呈二维折叠演化,厚壁型腔内熔体的屈曲呈三维缠绕演化;重力对厚壁型腔内的喷射演化产生影响。通过增大剪切速率即改变熔体流动速度大小或者流动方向能有效消除或抑制喷射现象,并且用两个数值算例论证了该观点。