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黏性拖曳飞边驱动剪切应力呈现正关联关系，而与连续相变演化区域的厚度呈现负关联关系，减小热流固耦合冲击载荷和连续相变演化区域的厚度，有利于抑制运动副配合界面的损伤变形。     

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。     

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。     

注塑制品微结构的三维数值模拟分析

构建带有圆柱阵列微结构的微注射制品3D模型,采用聚丙烯为原料,应用针对不可压缩性流体的三维有限元方法,根据优化的有限元网格实现体积控制来预测熔体的前沿流动。结果发现基于3D数值模拟方法很好的模拟出微注射制品不同填充阶段的流动状态、温度场和速度分布。厚度方向微结构的充填过程滞后于流动前沿径向的推进,因此不利于微结构区域气体的排出;微圆柱结构充填时具有喷泉状流动前沿。     

微孔塑料注射成型制品体积收缩与翘曲变形数值分析

采用Moldflow软件，通过微孔注射成型过程的数值模拟，系统研究了熔体注射温度、模具温度对其体积收缩、翘曲变形和残余应力的影响规律，并基于流变学理论，揭示了其影响机理。研究结果表明，随着熔体注射温度和模具温度增加，微孔注射制品翘曲变形和残余应力均增加，成型制品的体积收缩随着熔体注射温度升高而增加，而随着模具温度升高而减小。本研究为微孔注射成型工艺和模具的设计提供理论指导。     

Research on a New Variotherm Injection Molding Technology and its Application on the Molding of a Large LCD Panel

The polymer injection products produced by using the current injection molding method usually have many defects, such as short shot, jetting, sink mark, flow mark, weld mark, and floating fibers. These defects have to be eliminated by using post-processing processes such as spraying and coating, which will cause environment pollution and waste in time, materials, energy and labor. These problems can be solved effectively by using a new injection method, named as variotherm injection molding or rapid heat cycle molding (RHCM). In this paper, a new type of dynamic mold temperature control system using steam as heating medium and cooling water as coolant was developed for variotherm injection molding. The injection mold is heated to a temperature higher than the glass transition temperature of the resin, and keeps this temperature in the polymer melt filling stage. To evaluate the efficiency of steam heating and coolant cooling, the mold surface temperature response during the heating stage and the polymer melt temperature response during the cooling stage were investigated by numerical thermal analysis. During heating, the mold surface temperature can be raised up rapidly with an average heating speed of 5.4°C/s and finally reaches an equilibrium temperature after an effective heating time of 40 s. It takes about 34.5 s to cool down the shaped polymer melt to the ejection temperature for demolding. The effect of main parameters such as mold structure, material of mold insert on heating/cooling efficiency and surface temperature uniformity were also discussed based on simulation results. Finally, a variotherm injection production line for 46-inch LCD panel was constructed. The test production results demonstrate that the mold temperature control system developed in this study can dynamically and efficiently control mold surface temperature without increasing molding cycle time. With this new variotherm injection molding technology, the defects on LCD panel surface occurring in conventional injection molding process, such as short shot, jetting, sink mark, flow mark, weld mark, and floating fibers were eliminated effectively. The surface gloss of the panel was improved and the secondary operations, such as sanding and coating, are not needed anymore.     

塑料微齿轮微流道注塑模充填研究

使用圆形微流道进行塑料微齿轮注射成型充填研究,利用模流分析软件Moldflow进行数值模拟试验,通过改变注射速度参数(微流道深度尺寸和进口注塑压力),探讨熔融塑料在微流道内的充填状况,并结合实际注射成型实验,了解工艺参数改变对微齿轮充填的影响.为避免塑料在微结构件内产生充填不良等问题,提高成型质量,降低生产成本提供了理...     

高速微注射成型中熔体充填模式及裹气机理研究

塑料为了准确模拟聚合物熔体在型腔中的流动及前沿位置和形态,建立了熔体、气体两相流流动模型,构造了熔体流动的黏弹性本构关系,用无量纲方法建立了熔体流动前沿的气体、熔体流动的统一控制方程和本构方程,并采用水平集方法预测和跟踪熔体流动前沿,模拟了熔体在低速、中速、高速条件下的流动状态和充填模式,分析了高速微注射成型中气孔产生的原因和可能出现的位置,开展了实际产品的高速微注射成型实验,比较了模拟结果和实验结果。研究表明,熔体充填模式与注射速度、材料特性、型腔尺寸密切相关,在喷射充填模式下可能产生裹气。