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微型粉末注射成型：加工過(guò)程的描述和模擬(一)
摘 要
一個(gè)新的微型粉末注射模的模仿工具的發(fā)展需要用具體數(shù)據(jù)和驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)去正確地描述。而最新的方法就是使用消散微粒動(dòng)力學(xué)（DPD）來(lái)描述這個(gè)在一定范圍上相互影響的填充過(guò)程。(Hogerbrugge和Koelman在Europhys Lett 19（1）:15-160,1992)各自獨(dú)立的參數(shù)被輸入到DPD模型中，而這一過(guò)程必須要由特別為注射模注射過(guò)程所設(shè)計(jì)的試驗(yàn)來(lái)調(diào)整。而標(biāo)準(zhǔn)注射模的材料特性主要由組成這個(gè)模具的大多數(shù)材料來(lái)決定。由于大型表面對(duì)應(yīng)于大容量，故微型表面的作用開(kāi) 始占據(jù)優(yōu)勢(shì)。所以研究了原料和模具插件之間的相互。最后，注射模具試驗(yàn)的第一手觀察資料被公布和定性，并且與DPD模仿結(jié)果作了相互比較。
介紹
注射模是一種通用的產(chǎn)品成型技術(shù)，它能制造出復(fù)雜三維結(jié)構(gòu)的產(chǎn)品，甚至是微型尺寸的產(chǎn)品。仿真工具從理論模型范圍內(nèi)給予了仿真。該理論模型范圍是從原子級(jí)現(xiàn)象的量子物理到宏觀行為的連續(xù)性描述（Nieminen Risto 2000），并且這系統(tǒng)行為還支持在微型系統(tǒng)技術(shù)中仍然缺失的設(shè)計(jì)過(guò)程，幾個(gè)長(zhǎng)度數(shù)值范圍的數(shù)量級(jí)命令的存在，要求成隊(duì)的不同工具恰當(dāng)?shù)貋?lái)模仿各自的空間范圍。在設(shè)計(jì)給定邊界條件的微型系統(tǒng)時(shí)，先進(jìn)的計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)（CAD）工具的使用，減少了對(duì)原型設(shè)備進(jìn)行必要的物理測(cè)試的范圍。合并各種已經(jīng)存在而不同范圍的物理模型后，我們發(fā)現(xiàn)在微型技術(shù)中，以給定要求去模仿整個(gè)過(guò)程鏈的解決方法還需要我們?nèi)パ芯俊?br />
為了找一個(gè)適合大批量生產(chǎn)的，可靠的，可再生的生產(chǎn)方式，所有這個(gè)過(guò)程的參數(shù)必須要被辨認(rèn)。在市場(chǎng)上我們能買到用以宏觀模型的仿真程序，但是，在模仿微行元時(shí)，它就會(huì)發(fā)生錯(cuò)誤，甚至是失敗。當(dāng)模具的幾何模型越是復(fù)雜，常規(guī)模仿工具的模仿作用就越不可靠。(Wolf 1994;Bilovolet.al.2001)所有模仿程序的一個(gè)普遍存在的主要缺點(diǎn)是缺少粉末原料填裝的標(biāo)準(zhǔn)流變模型，實(shí)際上，大多數(shù)模仿工具使用單一相位來(lái)對(duì)原料進(jìn)行描述，它們不考慮例如離析作用的影響，因此，在這個(gè)領(lǐng)域需要新的方法。消散的微粒動(dòng)力學(xué)（DPD）是一個(gè)有效的方法。它能夠縮小原子級(jí)模仿和宏觀模仿之間的差距，所以，它是解決先前方法缺點(diǎn)的首選方法。
為了了解DPD作為使用方法來(lái)計(jì)算可變動(dòng)力學(xué)（CFD）問(wèn)題，已經(jīng)有很多人作了很多的調(diào)查很多的調(diào)查。（Espand1995,1996;Espanol.et.al.1997; Marshand Yeomans 1997;Marsh.et.al.1997;Maslers Warren 1999;Flekkoy 和 Coveney 1999;Flekky.et.al.2000）發(fā)現(xiàn)它的應(yīng)用范圍能從動(dòng)力學(xué)膠體到流變性質(zhì)的模仿（Dzwinel.et.al.2002;Boek.et.al.1997）,后者是這種方法（DPD）在模仿原料能力方面的一個(gè)重要特征，所以對(duì)微型模型成型過(guò)程是非常必要的。
CPD和DPD都需要有熱力學(xué)實(shí)驗(yàn)和流變學(xué)數(shù)據(jù)，其中，最重要的數(shù)據(jù)信息是原材料的系統(tǒng)狀態(tài)平衡。黏度的大小與溫度和剪切率，以及原材料和模具材料的熱傳導(dǎo)率和熱容量有關(guān)。此外，為了定義合適的邊界條件，進(jìn)而影響毛細(xì)壓力和墻體滑移行為，決定模具表面和原材料之間以及熱塑性。塑料黏合劑和無(wú)機(jī)物填充之間的相互作用關(guān)系是非常重要的。常規(guī)的原料系統(tǒng)的多相位特征會(huì)導(dǎo)致黏合劑填充離析，這是由于在模具填充過(guò)程中發(fā)生高剪切率。有好個(gè)方法可以被用來(lái)確定在模具成型體中，微型和微粒密度的分配。
在實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的使用上，CFD和DPD有著根本的區(qū)別，當(dāng)CFD的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)被輸入后，他們就被用以建立原材料數(shù)據(jù)庫(kù)，以便為其余部分的結(jié)構(gòu)性分析和查表提供不同等式。DPD中，流體的特性并不是直接被指定，而是由模型余下部分相互作用產(chǎn)生的，在這樣的情況下，只有在實(shí)驗(yàn)和模仿的時(shí)候，實(shí)驗(yàn)性測(cè)量數(shù)據(jù)才會(huì)被調(diào)用。
2.實(shí)驗(yàn)設(shè)置
通過(guò)測(cè)量各種各樣的物質(zhì)材料，通過(guò)反復(fù)試驗(yàn)，找到這種最優(yōu)化的新的模仿方法。以下的各個(gè)部分就是將簡(jiǎn)單地描述這個(gè)方法的實(shí)驗(yàn)設(shè)置。
2.1 原料材料
在這些實(shí)驗(yàn)中，一種在市場(chǎng)上能買到的原料系統(tǒng)叫Inmafeed K1011 ,它包含有50%的粉末[TZ-3.YS-E(Tosoh corp)]和一個(gè)基于聚烯烴的相等份數(shù)的黏合劑。這就以為著粉末微粒的大小是440毫微米，這是用最新的測(cè)量工具所測(cè)定的。
2.2 EOS測(cè)量
問(wèn)題狀況圖的數(shù)據(jù)用高壓毛細(xì)電流計(jì)來(lái)測(cè)量，（Goettfert corp）一個(gè)特別的噴管被用來(lái)保證是一個(gè)封閉的系統(tǒng)，該系統(tǒng)用特殊的材料填充，從而避免空氣的進(jìn)入。PTV測(cè)試（P=壓力，V=容積，T=溫度）解決了將溫度冷卻到注射溫度，從而避免了在這個(gè)時(shí)候的任何分解。典型的測(cè)量從注射料融化狀況時(shí)的溫度開(kāi)始，因?yàn)榇_保沒(méi)有空隙被附寄在模具材料上是非常重要的。當(dāng)?shù)葴鼐�的壓力升到上百兆帕的時(shí)候，數(shù)據(jù)就依據(jù)這一系列的等溫線來(lái)被確定。在加熱到最大的工作溫度的期間內(nèi)，具體容積的測(cè)量值會(huì)被后來(lái)的值所覆蓋，從那以后，期間的分解將不會(huì)再影響數(shù)據(jù)了，材料的測(cè)試溫度是范圍是從35攝氏度到150攝氏度，而壓力的變化是從9動(dòng)110兆帕。
2.3 流變性質(zhì)的測(cè)量
我們根據(jù)2.2部分那樣的容積流速方式，描述了原料的流變特征。已知流速的外表面剪切率和剪應(yīng)力可以通過(guò)給定直徑和長(zhǎng)度的毛細(xì)管的壓力來(lái)計(jì)算。
熔解狀態(tài)時(shí)的黏度的測(cè)量應(yīng)保證溫度范圍在140℃至160℃，剪切率的范圍從103 到104S-1狀態(tài)下進(jìn)行。
2.4 比熱的測(cè)量
比熱的測(cè)量是采用不同的掃描測(cè)熱器（DSC）來(lái)完成的，而Netzsch(DSC2004)掃描測(cè)熱器使用的是以青玉樣品作為參考來(lái)確定各比熱值。該樣品的重量要在15-25毫克內(nèi)，而且還要將其置于10Kmin-1干燥氧氣中進(jìn)行加熱處理。
2.5 熱量擴(kuò)散性能的測(cè)量
熱量擴(kuò)散性能α的測(cè)量是采用激光測(cè)量方法，該方法所需要的測(cè)量時(shí)間非常短，即使是使用Net2sch LFA427的高溫下也能進(jìn)行測(cè)量。熱源和溫度傳感器的結(jié)合是沒(méi)有聯(lián)系的，這樣就避免了需要大量準(zhǔn)備樣品，用激光能加熱盤狀樣品的上表面（1毫米厚），另外，這整個(gè)裝置還能安裝在一個(gè)熔爐里面，從而用來(lái)測(cè)量高溫狀態(tài)下α的數(shù)值，并且加熱了溫度較低的樣品表面而溫度的供應(yīng)只要是通過(guò)熱量的擴(kuò)散，通過(guò)一個(gè)紅外線傳感器和已經(jīng)被劃分的被測(cè)信號(hào)就可以探測(cè)到溫度。
2.6 連接角度和表面張力的測(cè)量
我們使用下落法了愛(ài)測(cè)量原料和模具材料之間的相互作用，以及他們之間的連接角度。為了描述光學(xué)高分析系統(tǒng)的特性，我們使用了Kruess(DSA110D04)系統(tǒng)。在測(cè)量期間，下落液體停留在平面模具的內(nèi)表面上，而該表面位于一個(gè)用來(lái)控制周圍環(huán)境溫度和大氣的熔爐里面，該爐子的溫度范圍一般在140℃到160℃之間。
2.7 注射模成型實(shí)驗(yàn)
注射模成型實(shí)驗(yàn)是在Arburg Allrounder 420℃的狀態(tài)下進(jìn)行的為了核實(shí)計(jì)算方法，實(shí)驗(yàn)確認(rèn)測(cè)試系統(tǒng)被開(kāi)發(fā)出來(lái)了。所有成型的零件卻包含兩個(gè)相同形狀的產(chǎn)品，他們呈180o對(duì)稱分布（如圖1），之澆道被放在了兩個(gè)產(chǎn)品的中間，這樣能使其保證有相同的熔融料流到兩個(gè)型腔中。多個(gè)溫度和壓力傳感器被安放在流到中，以便來(lái)測(cè)量原料的位置狀態(tài)和溫度情況，并且將測(cè)量到的結(jié)果與模仿的結(jié)果相比較。
為了研究注射成型過(guò)程中可能發(fā)生的不同影響，我們?cè)O(shè)計(jì)出了各種各樣的澆道模型（如圖1）
彎曲狀 為了能使熔融料盡快地冷卻固化，我們直接使用了綠色的緊湊的結(jié)構(gòu)以及焊接的CIM部件。
臺(tái)階狀 采用具有臺(tái)階的零件來(lái)分析模具內(nèi)部在臺(tái)階成型之前以及成型之后的壓力和溫度的變化。
矩形狀 在流量的末端有一個(gè)小孔，以此來(lái)研究它的注射量和流動(dòng)路線，同時(shí)也描述了它的分離作用。
注射器狀 在注射口的后面有一個(gè)障礙，用來(lái)分析在障礙點(diǎn)后材料的混合以及流動(dòng)，同時(shí)也用來(lái)描述它的壓縮作用。
改變方向狀 改變90度來(lái)調(diào)查溫度和壓力的下降過(guò)程，當(dāng)不要的時(shí)候，有可能將粉末微粒分散在各個(gè)角落。
螺旋狀 用來(lái)調(diào)查經(jīng)過(guò)長(zhǎng)期的旋轉(zhuǎn)，材料體積的變化，例如：流程長(zhǎng)度比與結(jié)構(gòu)寬度等作為最小直徑的傳感器和真正微小間隙的折中。
圖1 模具注射的三維模型
為了更好地調(diào)整微小傳感器的使用以及彌補(bǔ)存在的微小的間隙，我們經(jīng)常采用模具嵌入物，我們使用的傳感器的尺寸（尺寸為2.5毫米的壓力傳感器）是相當(dāng)嚴(yán)格的。而當(dāng)前能所夠得到的傳感器無(wú)法在造得更小了，因此，它們對(duì)材料的流動(dòng)或多或少會(huì)產(chǎn)生一些影響。
3.結(jié)果和討論
圖2顯示的是在四個(gè)不同的溫度下，被測(cè)原料的不同黏度。我們從中可以看到，剪切率范圍隨著黏度呈雙重對(duì)數(shù)的態(tài)勢(shì)線性下降，而黏度和溫度的關(guān)系也是可以清楚地看到的。從170℃到140℃，材料的黏度變化幾乎是加倍的。
圖2 K1011材料的黏度
所示的材料問(wèn)題狀態(tài)圖展示了50℃和120℃兩個(gè)狀態(tài)溫度，（如圖3）這個(gè)過(guò)程在陶瓷注射模成型原料中是只有代表性的，因此，他們的聚合物黏合劑包括不止一個(gè)組分。典型的組分還有低熔化的蠟，它能夠部分地增加化合物的流動(dòng)能力和在注射成型期間產(chǎn)品的熱塑性。標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)學(xué)方法如二維Tait等式(Mckinney and Simha 1997;Cho and Sanchez 1999;Beret and Praushitz 1975)等允許采用CFD工具中心問(wèn)題狀態(tài)圖作為輔助手段（e.g. Mold Flow）,但是它無(wú)法正確描述多元狀況的化合物。
圖3 K1011的材料狀態(tài)圖
圖4顯示的是K1011材料的熱量擴(kuò)散性能，而圖5顯示的是在160℃以上，材料的比熱由于其本身的分解而突然下降。
原料的導(dǎo)熱性λ可以由公式Eq1來(lái)計(jì)算，其中α是熱量擴(kuò)散性，而Cp代表比熱
λ=PαCp （1）
圖4 激光測(cè)量的溫差應(yīng)力
注射料在大氣壓力下的密度ρ能夠由公式PVT推算出來(lái)，而其所釋放出的熱量值通過(guò)查如下的圖6就能得到
圖5 K1011材料的比熱
使用這些的數(shù)據(jù)，就能精確模仿出他們?cè)谧⑸溥^(guò)程中所產(chǎn)生熱量的情況。圖7顯示的是即使是非常復(fù)雜的熱量產(chǎn)生形式，如帶黏度材料的熱量釋放，也可以通過(guò)DPD來(lái)描述。這種影響發(fā)生在由消散作用所造成的注射成型期間，如：粉末之間的摩擦?xí)䦟?dǎo)致局部地方的溫度上升。
除了熱量釋放和流變性質(zhì)之外，表面之間的相互作用對(duì)微型注塑也起著很大的作用。發(fā)生在微型粉末任何一方面的容積率大表面都會(huì)導(dǎo)致流體和表面之間的相互影響，如表面張力作用、墻壁滑動(dòng)作用、黏合及黏附力作用等。（Westin 等，2001年，姚和金，2002）
圖6 由式1所計(jì)算出的K1011的溫差傳導(dǎo)率
圖7 模仿時(shí)剪切率和黏度對(duì)溫度的影響
若模具澆口附近的材料潮濕，就會(huì)對(duì)成型產(chǎn)生一定影響，這個(gè)問(wèn)題我們已經(jīng)在2.6部分時(shí)通過(guò)多種方法進(jìn)行了研究�；衔锏母弋a(chǎn)生點(diǎn)能預(yù)防由表面張力所產(chǎn)生的下落形式，這就意味著在模具注射過(guò)程中，表面力并不能導(dǎo)致原料表面的變形，因此，就可以被忽略。
材料的潮濕性能被用于考慮其是否會(huì)影響微型結(jié)構(gòu)在細(xì)節(jié)方面的微維度，如果注射壓力低于強(qiáng)迫使注射料進(jìn)入型腔的最小壓力值，就可能導(dǎo)致離析在那里的聚合物沒(méi)有成型的動(dòng)力，這種情況可以由下列公式來(lái)描述（Eq2）
(2)
所以，作為成型重要組成部分的關(guān)聯(lián)角和表面張力及不同容積的直徑一起被用來(lái)計(jì)算其型腔壓力。而其中，由鋼制造的模具嵌件的關(guān)聯(lián)角在36到42°之間，表面張力也是在0.020到0.026Nm-1之間變化。使用這些數(shù)據(jù)，可以通過(guò)公式2來(lái)計(jì)算型腔壓力，而型腔壓力按如圖8所示進(jìn)行變化（圖8）。
圖8 由Washburn 式所計(jì)算出的毛細(xì)壓力
用微型注射成型的最小結(jié)構(gòu)的產(chǎn)品，其型腔壓力的范圍是在10-2MPa左右，這相對(duì)于好幾噸的型腔壓力為100多MPa的注射成型，其型腔壓力可以忽略不計(jì)。在這方面姚和金已經(jīng)做了很好的論述和研究。（2002）
在試驗(yàn)中，陶瓷材料的噴射現(xiàn)象能夠被觀察到，這噴射現(xiàn)象能夠影響樣品的焊接線，從而強(qiáng)烈影響注射成型的過(guò)程，同時(shí)，還會(huì)導(dǎo)致薄弱處的損壞。
常規(guī)的CFD工具不能完全準(zhǔn)確地模仿塑料注射模成型時(shí)的這種噴射行為，而DPD就能準(zhǔn)確地顯示這種現(xiàn)象，如圖（9）：
圖9 陶瓷注射期間的噴射作用
4.結(jié)論
DPD是在調(diào)查微型PIM成型和模仿時(shí)被提出來(lái)的，而在對(duì)物質(zhì)的詳細(xì)測(cè)量中，DPD模仿工具又優(yōu)先使用。這是因?yàn)镈PD區(qū)別于常規(guī)的方法，它的測(cè)量是建立在試驗(yàn)的基礎(chǔ)之上。DPD最大的好處就是能夠處理多元狀況的微型粉末注射試驗(yàn)，DPD模型無(wú)法替換CPD的塑料模仿，但是它可以幫助其得到更加精確的模仿點(diǎn)。
5.前景
DPD方法在模仿微粒密度上的能力能被用于注射成型期間的離析作用所導(dǎo)致的極端高的剪切率，各種各樣的實(shí)驗(yàn)方法被用來(lái)進(jìn)一步模仿，如常規(guī)計(jì)算機(jī)X線體層照。同步加速器輻射和圖像分析。模具中的微型嵌件填充的模仿只能通過(guò)發(fā)展更小壓力和溫度的傳感器來(lái)完成，而這些傳感器連同上百的微測(cè)表一起被使用到模具嵌件中。
致謝
本研究的財(cái)政支持主要由德國(guó)研究基金提供，產(chǎn)品和主要金屬和陶瓷材料也均由其提供，在此表示感謝。
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