基于黏弹性热流固耦合作用的模内微装配成型过程数值模拟

模内微装配成型技术有望成为高效低成本产业化聚合物微小机械系统制造技术,而如何准确预测和精确控制热流固耦合变形仍是其工业化的技术瓶颈。为此研究建立了考虑二次黏弹性熔体充填流动边界约束作用的模内微装配成型黏弹性热流固耦合变形的理论预测模型,研究表明热流固耦合变形受控于微装配面所承受的热流固耦合压力、黏弹性支撑正应力、黏性摩擦拖曳剪切应力和微型轴的抗变形刚度,且随成型熔体注射速度提高而减小,而微型轴近表面局部跨越393 K区域的PMMA刚度急剧下降是导致微型轴热流固耦合变形随熔体注射速度增加而减小的主控因素。     

黏弹特性对模内微装配成型热流固耦合变形的影响

建立了综合考虑二次成型黏弹性熔体充填流动约束环境影响的模内微装配成型过程黏弹性热流固耦合变形机理的理论模型,并通过有限元数值模拟,研究了二次成型熔体黏度对模内微装配成型过程黏弹性热流固耦合变形的影响规律。结果表明,黏弹性热流固耦合作用诱导的预成型微型轴变形的驱动力来源于微装配界面形成的热流固耦合压力和黏性拖曳剪应力,而二次成型熔体流动的弹性正应力对耦合变形具有抑制作用,微装配界面的热流固耦合载荷和微型轴的变形均随着二次充填熔体的黏度增大而增大,减小二次成型熔体黏度有利于提高其微装配加工精度。     

聚合物微型零件的热流固耦合变形特性

以聚合物微型机械运动副模内微装配成型为研究对象,研究了二次成型过程参数和微型轴约束对二次成型充填流动诱发的预成型固体微型轴热流固耦合变形的影响规律和机理。结果表明,预成型微型轴的热流固耦合变形随着二次成型熔体注射温度的提高而增加,而随着预成型微型轴在二次成型模腔中二端的约束程度增加而减小;减小二次成型充填熔体的注射温度或增大微型轴约束程度有利于减小二次成型熔体充填流动诱发的预成型微型轴的热流固耦合变形,可提高聚合物微型运动副微装配成型加工精度。     

自润滑液膜辅助模内微装配成型精密控形技术与机理研究

针对模内微装配成型过程中,预成型微型件的热流固耦合变形难以精确控制的技术难题,研究提出了高速自润滑功能液膜辅助模内微装配成型精密控形创新工艺。结果表明,高速自润滑功能液膜辅助模内微装配成型能使预成型微型件的黏弹性热流固耦合变形精密控制在几十微米的精度内,实现了聚合物微细机械系统的模内微装配成型高精度微装配加工;通过高速自润滑功能液膜辅助模内微装配成型与传统模内微装配成型对比分析研究,揭示了高速自润滑功能液膜辅助模内微装配成型创新工艺精密控形的机理。     

微型机械运动副模内微组装成型热流固耦合变形模拟

提出了一种新型规模化高效低成本聚合物微型机械系统模内微组装成型加工技术,并针对其成型过程特点,建立了描述模内微组装成型过程成型热流固耦合变形机理的理论模型。通过有限元数值模拟,研究了模壁温度对模内微组装成型过程的影响规律。结果表明,模内微组装成型的微装配加工精度受控于热流固耦合压力场和不均匀温度场,且其热流固耦合变形随着模壁温度的升高而增大;减小模壁温度有利于提高其微装配加工精度。     

成型温度对聚合物微型机械模内组装成型流固耦合变形的影响

由于聚合物模内组装成型的微型机械制造精度和组装配合精度主要受控于二次成型熔体充填流动与一次成型固体微型零件之间的流固耦合作用,因此通过有限元数值模拟,系统研究了二次成型熔体注射温度对流固耦合变形的影响,并揭示了其影响机理。研究结果表明,增加二次成型熔体的注射温度,可使二次成型熔体的充填流动与一次成型固体微型轴表面间的流固耦合作用效应减弱,并使一次成型固体微型轴整体温度场趋于不均匀,从而导致一次成型固体微型轴流固耦合弯曲应力和弯曲变形减小,而热应力和热变形增加。增加二次成型熔体的注射温度可减小流固耦合变形,但二次成型熔体的注射温度过大,又会导致一次成型固体微型轴表面融化,影响装配配合界面的成型质量。     

模内微装配成型运动副界面损伤变形模拟分析

微装配界面损伤变形是模内微装配成型先进技术工业化应用的主要瓶颈之一.针对此问题,研究建立了模内微装配界面的损伤变形仿真技术,研究表明,在配合界面迎流面棱边附近的近表面,易诱发凹陷垮塌和黏性拖曳飞边二种损伤变形,损伤变形与二次成型注射速度呈先降后增的抛物线型演化规律,且与热流固耦合垮塌驱动压力、黏弹性支撑垮塌驱动正应力和...     

聚合物微型机械模内组装成型流固耦合变形分析研究

通过有限元数值模拟技术,系统研究了聚合物微型机械模内组装的二次成型聚合物熔体流变性能参数对一次成型固体微型零件的流固耦合作用效应和流固耦合变形的影响规律,并揭示了其产生机理。结果表明,随着二次成型熔体材料的零剪切黏度增加,使二次成型熔体的充填流动与一次成型固体微型轴表面间的流固耦合的作用效应增强,则微型轴外表面流固耦合作用压力增加,而微型轴整体温度场趋于均匀,从而导致一次成型固体微型轴流固耦合压力场的弯曲应力和弯曲变形增加,而温度场不均的热应力和热变形减小。     

模内微装配成型微型机械转动运动副可运动特性研究

模内微装配成型微型机械转动副装配界面的冷却收缩自紧接触特性是创造运动副可运动性能的关键调控因素,如何准确预测和调控其自紧接触特性是模内微装配成型的技术关键。基于实验建立的热黏弹塑性本构关系,构建了成型过程中运动副微装配界面收缩自紧热黏弹塑性接触特性的模拟方法。结果表明,运动副微装配界面的最大装配过盈量、间隙量和驱动摩擦阻力扭矩与二次成型熔体注射温度呈正关联关系,降低二次成型注射温度,有利于提高模内微装配成型微型机械转动副装配界面的配合精度,并大幅减小其微型机械转动运动副获得可运动性能的最小驱动摩擦阻力扭矩;当二次成型注射温度由503 K降至463 K时,其驱动摩擦阻力扭矩由3.61 N·mm减至2.35 N·mm,降幅为34.9 %。     

微细万向球形机械运动副模内微装配成型控形模拟研究

针对微细万向球形机械运动副的模内微装配成型难以满足制造尺寸公差技术要求的共性技术瓶颈,提出了功能自润滑液膜辅助模内微装配成型实现其高精密微成型与装配的技术,并模拟研究了球面微装配界面制造直径尺寸公差与功能自润滑液膜滑移系数的协同演化规律。结果表明,微装配界面直径尺寸公差与滑移系数呈现正关联关系,并与其近表面区的耦合温度、连续相变演化区厚度、热流固耦合压力、弹性正应力和黏性拖曳剪切应力呈现正关联关系。当滑移系数由1×10⁹降至1×10³时,其直径尺寸公差由211 μm降至19 μm,制造精度提高91 %,且其最高耦合温度降幅为4.7 %,连续相变区最大厚度降幅为23.8 %,而其热流固耦合压力、弹性正应力和黏性拖曳剪切应力降幅分别为73 %、72.8 %和56.3 %,这是其实现微细万向球形机械运动副精密微装配的机理。     

模内微装配成型预成型微型部件颈缩熔断的失效机理

基于聚合物微型机械模内微装配成型加工面临的共性关键科学问题——在二次成型高温熔体充填流动环境下,如何避免预成型微型部件产生颈缩熔断失效问题,研究建立了高温熔体充填流动诱发颈缩熔断失效过程的机理模型。研究表明,预成型微型轴颈缩熔断损伤的直接驱动力是应变软化,一旦预成型微型轴出现应变软化,就必然会诱导颈缩熔断损伤。而应变软化现象的形成受控于其材料的初始屈服应力,初始屈服应力与二次成型注射温度呈负关联关系。当熔体注射温度由200℃增至240℃时,聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)微型轴的初始屈服应力由16.5 MPa降至9.89 MPa,降幅高达40.1%,而其颈缩断面的颈缩率由44.5%增至70%。二次熔体注射温度越高,微型轴越易诱发应变软化和颈缩熔断损伤。     

微流控芯片注射成型过程的数值模拟研究

以生物测试上广泛使用的微流控芯片为研究对象,研究使用聚合物微型注塑方法进行类似产品大规模、批量化生产的可能性。在建立微流控芯片结构模型的基础上,运用聚合物成型分析软件Moldllow对其在不同工艺参数下的成型过程进行了系统研究。结果表明,熔体温度的改变对充填时间的影响甚微,充填时间随着注射速度的增加而明显缩短,注射压力随熔体温度的增加而减小,随注射速度的增加而增加。增加熔体温度和注射速度可以降低翘曲变形。     

微流道中聚合物熔体的流变特性及其数值模拟

在构建表征微尺度下熔体流变特性的勃度模型基础上,通过分析ABS熔体在不同注射温度、不同截面尺寸微流道中的压力分布,对微注射成型过程中聚合物熔体豁度变化对填充过程的影响规律进行了研究。数值模拟结果表明,在微流道中熔体的微尺度豁度小于传统勃度,且随微流道截面特征尺寸的减小而成比例减小;熔体速度分布随微流道截面特征尺寸减小而趋于均匀。     

熔体挤出速度对共挤吹塑型坯离模膨胀影响的数值模拟

基于三维非等温黏弹性熔体多相分层流动有限元数值模拟技术,模拟研究了熔体挤出速度对多层共挤吹塑成型环坯离模膨胀和初始温度场的影响规律,揭示了型坯离模膨胀的产生机理。结果表明,多层共挤吹塑成型环坯离模膨胀是由熔体的二次流动诱发而产生,与熔体流出机头进入自由膨胀段的二次流动强度成正比,而其二次流动强度随着熔体挤出速度的增大而增强,因而导致环坯离模膨胀随着熔体挤出速度的增加而增大;多层共挤吹塑成型熔体的二次流动强度与其第二法向应力差成正比关联关系,这与Debbaut的试验研究结论完全吻合,表明二次流动是由第二法向应力差驱动而产生。     

塑封成型过程芯片热流固耦合变形机理数值模拟研究

基于Castro-Macosko 固化动力学模型,建立了描述塑封填充过程及其芯片热-流-固多场耦合翘曲变形形成过程的理论模型,并揭示了其变形机理。结果表明,芯片热流固耦合翘曲变形先随熔体充填流动时间的增加而快速增加,达到最大值之后逐渐减小,并趋于恒定;芯片热-流-固耦合综合翘曲变形主要由热-流-固耦合压力场诱发的翘曲变形和不均匀温度场诱发的热变形组成,芯片热流固耦合压力场诱发的变形为向外的翘曲变形,且正比于芯片上下表面熔体充填不平衡流动的流长差和充填流动速度差,并沿轴向呈先增后减的对称抛物线分布,热-流-固耦合压力场诱发的翘曲变形远大于不均匀温度场诱发的热变形,芯片热-流-固耦合综合翘曲变形主要由热-流-固耦合压力场诱发的变形控制。     

模内微装配成型二次充填熔体应力松弛特性研究

模内微装配成型二次充填熔体的冷却收缩自紧特性是保证界面可运动性能的关键影响因素,聚合物材料的应力松弛特性可以使微装配界面上的收缩自紧压力逐渐恢复。以线性黏弹性力学理论为基础,Prony级数形式描述黏弹性积分核函数,对模内组装成型低密度聚乙烯(LDPE)/不锈钢(STEEL)运动副界面收缩自紧应力松弛进行了研究。研究表明,以结构单元所采用的Prony级数形式适用于模拟运动副界面收缩自紧的应力松弛现象;同时经应力松弛后,运动副界面收缩自紧力呈现下降趋势,下降程度高达60%左右。     

微注塑成型充模流动中的对流换热行为

微注塑成型中,由于尺度效应,使聚合物熔体与微模具型腔壁面间的对流换热行为与常规注塑成型不同,其对流传热系数亦发生了明显变化。通过采用微型注塑机、温度传感器和微模具等组成的对流换热实验装置,对PP、POM和ABS聚合物熔体,以不同的注射速度填充厚度尺寸为0.510、0.420、0.325 mm,表面粗糙度分别为Ra0.062、0.393、0.695 μm微型腔时的模具温度分布进行测量,获得了模具的热通量,进而求得熔体与型腔壁面间的对流传热系数。结果表明,微尺度下实验聚合物熔体与型腔壁面间的对流传热系数,均随注射速度和型腔表面粗糙度值的增加以及型腔厚度尺寸的减小而明显增大;但聚合物材料性能不同时,其对流传热系数差别也较大。     

表面张力对微挤出流场的影响

针对表面张力对微挤出成型流场的影响,利用Polyflow软件进行了微圆管流场的数值模拟,研究了表面张力的尺度效应及熔体表面张力系数和接触角对微挤出流场的影响。结果表明,挤出口模尺寸越小,表面张力对熔体挤出胀大的影响越明显;挤出口模尺寸及熔体法向进口速度不变时,表面张力系数增大,熔体挤出胀大增大,挤出口模内熔体的进出口压强增大,自由表面出口负压增大;随着接触角的增大,熔体挤出胀大减小、挤出口模内熔体的进出口压强减小,自由表面出口负压先增大后减小。     

振动注射成型中模腔冷却过程的研究

研究了振动注射成型中模腔内聚合物溶体产生的振动剪切热,并研究在振动作用下模腔内物料的冷却过程。结果表明,模腔内熔体的温升速率随着振动频率、应变振幅及振动剪切速率的增加而增加,随熔体温度的增加而减少。由于振动剪切换,使振动注射成型需要更长的冷却时间。     

壁面滑移条件下聚合物微共挤成型机理探究

基于壁面滑移条件，建立了微小流道内聚合物黏弹三维共挤出流动模型，并运用有限元方法对流动模型进行了模拟计算。为探究壁面滑移条件下聚合物熔体工艺条件和物性参数对成型的影响，分别设置芯、壳层熔体不同的流率比和黏度比，通过分析流道内外的熔体速度分布及层间界面形貌，探究了无滑移和完全滑移两种壁面条件下，熔体流率和黏度对聚合物微共挤成型层间界面的影响规律。结果表明，无滑移壁面条件下，熔体层间界面不稳定，口模内和口模外界面均发生偏移，且在口模出口处发生突变，熔体离开口后存在胀大和变形现象，其胀大和变形程度随着熔体入口流率比和黏度比的变化而变化；完全滑移壁面条件下，口模内熔体层间界面发生偏移，但口模外界面稳定，不存在挤出胀大和变形，且不受熔体入口流率比和黏度比的影响，这对实现聚合物微复合制品的精密成型具有重要意义。