一種用于注塑成型的微觀壁面滑移模型建立方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及注塑成型，特別是涉及一種用于注塑成型的微觀壁面滑移模型建立方 法。
【背景技術(shù)】
[0002] 微注塑成型的零件特征尺寸已達(dá)到微米級。受微尺寸效應(yīng)的影響，粗糙度、濕潤度 等微觀因素對填充行為的影響程度相應(yīng)變大。當(dāng)聚合物熔體在零件壁面所承受的剪切應(yīng)力 大于某一臨界值時，聚合物熔體將沿著壁面滑移?，F(xiàn)有微觀壁面滑移模型主要有以下四種： 第一種是一般用于宏觀變形的基于纏結(jié)-解纏機(jī)理的廣義Navier壁面滑移模型，未考慮微 注塑零件尺寸細(xì)小引起的尺寸效應(yīng)；第二種是基于熔體滑移速度和壁面剪切應(yīng)力關(guān)系的壁 面滑移模型；第三種是在第二種的基礎(chǔ)上建立的考慮臨界壁面剪切應(yīng)力的壁面滑移模型， 第二、三種都是假設(shè)聚合物熔體黏度大小不變的情況下，也未考慮微注塑零件尺寸大小，然 而受到微尺寸效應(yīng)的影響，聚合物熔體黏度大小是隨著零件特征尺寸的減小而減小的；第 四種是基于微尺度效應(yīng)對聚合物熔體壁面滑移影響的微觀壁面滑移模型，也沒有考慮微注 塑成型的零件特征尺寸大小。上述四種微觀壁面滑移模型的壓力差模擬誤差值和填充率模 擬誤差值比較大，不能精確模擬聚合物材料流動特性的數(shù)值。
【發(fā)明內(nèi)容】
[0003] 本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是彌補(bǔ)上述現(xiàn)有技術(shù)的缺陷，提供一種用于注塑成型 的微觀壁面滑移模型建立方法。
[0004] 本發(fā)明的技術(shù)問題通過以下技術(shù)方案予以解決。
[0005] 這種用于注塑成型的微觀壁面滑移模型建立方法，基于宏觀黏度模型、分子鏈段 長度和微型零件特征尺寸，確定毛細(xì)管流變實驗方案，獲得一組微型零件注塑實際壁面滑 移速度V s，且宏觀壁面滑移模型的關(guān)系式如下：
[0006] Vs= α τ wm (I)
[0007] 公式（1)中：
[0008] vs:實際壁面滑移速度，單位m/s ;
[0009] α :滑移系數(shù)；
[0010] τη:剪切應(yīng)力，單位MPa ;
[0011] m :冪律指數(shù)。
[0012] 這種用于注塑成型的微觀壁面滑移模型建立方法的特點是：
[0013] 依次有以下步驟：
[0014] 1)引入微觀修正因子Φ對宏觀黏度模型進(jìn)行修正，
[0016] 公式⑵中：
[0017] Φ :微觀修正因子；
[0018] n 。:微型零件注塑宏觀黏度值；
[0019] n 。:微型零件注塑實際黏度值；
[0021] 公式（3)中：
[0022] Φ :微觀修正因子；
[0023] η。:零剪切黏度，單位MPa. s ;
[0024] γ :剪切速率，即聚合物熔體流動速度相對微流道半徑的變化速率，單位S S
[0025] η:非牛頓指數(shù)；
[0026] τ $ :剪切變稀行為開始時的剪切應(yīng)力，單位MPa ;
[0027] 在對應(yīng)同等參數(shù)條件下基于宏觀黏度模型，即可推出一組微觀修正因子值；
[0028] 2)考慮高分子流動是通過鏈段的相繼躍迀實現(xiàn)的，將反映高分子流動特征的分子 鏈段長度^和作為微結(jié)構(gòu)的最小宏觀尺寸的微型零件特征尺寸d的比值設(shè)為微觀影響因
[0029] 3)建立微觀修正因子Φ與微觀影響因子^之間的關(guān)系式，并利用最小二乘法擬 Cl 合出其參數(shù)值，即：
[0031] 公式⑷中：
[0032] Φ :微觀修正因子；
[0033] T :聚合物熔體初始溫度，單位K ;
[0034] k :模型系數(shù)；
[0035] 4)將微觀修正因子Φ與微觀影響因子^之間的關(guān)系式（4)代入宏觀壁面滑移模 a 型關(guān)系式（1)，獲得反映黏度變化和零件特征尺寸的微觀壁面滑移模型關(guān)系式（5)如下：
[0037] 公式（5)中：
[0038] vs:實際壁面滑移速度，單位m/s ;
[0039] α :滑移系數(shù)；
[0040] τ η:剪切應(yīng)力，單位MPa ;
[0041] m :冪律指數(shù)；
[0042] Ie:分子鏈段長度，單位nm ;
[0043] d :微型零件特征尺寸，單位μπι ;
[0044] 確定毛細(xì)管流變實驗方案，在不同的剪切速率或注射壓力條件下，獲得一組微型 零件注塑實際壁面滑移速度 Vs，擬合出微觀壁面滑移模型的參數(shù)，所述微觀壁面滑移模型 的參數(shù)，包括滑移系數(shù)α、冪律指數(shù)m和模型系數(shù)k。
[0045] 所述剪切速率是聚合物熔體流動速度相對微流道半徑的變化速率，單位s、
[0046] 所述注射壓力是在微注塑時將聚合物熔體注射進(jìn)入微型流道所需的壓力，單位 MPa0
[0047] 本發(fā)明的技術(shù)問題通過以下進(jìn)一步的技術(shù)方案予以解決。
[0048] 所述宏觀黏度模型是Cross宏觀黏度模型，其關(guān)系式如下：
[0050] 公式（6)中：
[0051] η :剪切黏度，單位MPa. s ;
[0052] η。:零剪切黏度，單位MPa. s ;
[0053] γ:剪切速率，單位s S
[0054] η:非牛頓指數(shù)；
[0055] τ $:剪切變稀行為開始時的剪切應(yīng)力，單位MPa。
[0056] 所述步驟1)的微觀修正因子Φ〈1，由于微觀流動中聚合物材料黏度值比宏觀黏 度值小，基于Cross宏觀黏度模型的黏度模擬值比實際微觀流動黏度值大。
[0057] 所述步驟3)建立的微觀修正因子Φ與微觀影響因子I之間的關(guān)系式，是指數(shù)函 d 數(shù)關(guān)系。
[0058] 所述步驟4)的微觀壁面滑移模型建立方法中，聚合物熔體與壁面有相對運動，其 速度為壁面滑移速度。
[0059] 所述壁面滑移速度與聚合物熔體實際黏度值有關(guān)。因為聚合物熔體黏度值變小， 更有利于熔體流動，則所述壁面滑移速度增大。
[0060] 所述壁面滑移速度與微型零件特征尺寸有關(guān)。因為微型零件特征尺寸變小，則微 流道尺寸變小，注射壓力變大，熔體分子間的剪切作用增大，導(dǎo)致分子間相互作用力減弱， 使聚合物熔體黏度下降，更有利于熔體流動，則所述壁面滑移速度增大。
[0061] 本發(fā)明的技術(shù)問題通過以下再進(jìn)一步的技術(shù)方案予以解決。
[0062] 基于建立的微觀壁面滑移模型進(jìn)行有限元模擬計算，依據(jù)聚合物材料屬性，在不 同剪切速率條件下微注塑有限元數(shù)值模擬時得到的微流道入口和出口的壓力之差，即是微 注塑壓力差模擬值；相應(yīng)進(jìn)行毛細(xì)管流變實驗時得到的微流道入口和出口的壓力之差，即 是微注塑壓力差實驗值。
[0063] 基于建立的微觀壁面滑移模型進(jìn)行有限元模擬計算，依據(jù)聚合物材料屬性，在不 同注射壓力條件下微注塑有限元數(shù)值模擬時的聚合物熔體填充微流道長度與微流道總長 度之百分比，即是微注塑填充率模擬值；相應(yīng)進(jìn)行毛細(xì)管流變實驗時得到的聚合物熔體填 充毛細(xì)管長度與毛細(xì)管總長度之百分比，即是微注塑填充率實驗值，有限元數(shù)值模擬時的 所述微流道總長度與相應(yīng)進(jìn)行毛細(xì)管流變實驗時的所述毛細(xì)管總長度相等。
[0064] 本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比的有益效果是：
[0065] 本發(fā)明的微觀壁面滑移模型建立方法，考慮影響壁面滑移的微觀黏度變化和微型 零件特征尺寸因素，顯著提高對聚合物熔體流動特性預(yù)測的準(zhǔn)確性。
【附圖說明】
[0066] 圖1是本發(fā)明【具體實施方式】一在不同剪切速率下對零件特征尺寸直徑350 μπι的 微型圓柱件進(jìn)行微注塑有限元數(shù)值模擬得到的微注塑壓力差模擬值與毛細(xì)管流變實驗得 到的實驗值的對比曲線圖；
[0067] 圖2是本發(fā)明【具體實施方式】一在不同剪切速率下對零件特征尺寸直徑500 μπι的 微型圓柱件進(jìn)行微注塑有限元數(shù)值模擬得到的微注塑壓力差模擬值與毛細(xì)管流變實驗得 到的實驗值的對比曲線圖；
[0068] 圖3是本發(fā)明【具體實施方式】二在不同注射壓力下對零件特征尺寸直徑200 μπι的 微型圓柱件進(jìn)行微注塑有限元數(shù)值模擬得到的微注塑填充率模擬值與毛細(xì)管流變實驗得 到的實驗值的對比曲線圖；
[0069] 圖4是本發(fā)明【具體實施方式】二在不同注射壓力下對零件特征尺寸直徑300 μπι的 微型圓柱件進(jìn)行微注塑有限元數(shù)值模擬得到的微注塑填充率模擬值與毛細(xì)管流變實驗得 到的實驗值的對比曲線圖。
【具體實施方式】
[0070] 下面結(jié)合【具體實施方式】并對照附圖對本發(fā)明進(jìn)行說明。
【具體實施方式】 [0071] 一
[0072] -種用于注塑成型的微觀壁面滑移模型建立方法，基于聚苯乙烯（Polystyrene， 縮略詞PS)材料建立的分子鏈段長度和零件特征尺寸微觀壁面滑移模型，步驟如下：
[0073] 1)基于宏觀黏度模型，引入微觀修正因子Φ ;
[0074] 確定毛細(xì)管流變實驗方案，在剪切速率分別為1700、2200、2900、3700、4900、 6300、830081下進(jìn)行注塑實驗，測得微型零件注塑實際黏度值11"11_;然后對應(yīng)同等參數(shù) 條件下基于Cross宏觀黏度模型，模擬出一組微型零件注塑宏觀黏度值ri_ra，其中τι。= 2992. 498Pa · s，τ *= 27360Pa，η = 0. 24 ;依據(jù)微型零件注塑實際黏度值n 。與微型零 件注塑宏觀黏度值的關(guān)系式，即可推出一組微觀修正因子Φ值；
[0075] 2)基于分子鏈段長度和微型零件特征尺寸，確定微觀影響因子#; 4 〇 ?)〇2
[0076] 依據(jù)實際材料，PS材料分子鏈段長度為2. Onm，故微觀影響因子為一7- _ ' 5
[0077] 3)對應(yīng)聚合物材料的分子鏈段長度和微型零件特征尺寸，建立微觀修正因子與微 觀影響因子之間關(guān)系式；
[0078] 依據(jù)實際問題，通過差示掃描量熱法測得PS材料玻璃化轉(zhuǎn)化溫度91. 07°C，PS材 料比定壓熱熔2100X/(kg. K)，導(dǎo)熱系數(shù)0. 18W(m. k)，密度927. 7kg/m3,微注塑初始溫度 230 0C ；
[0079] 確定微觀修正因子Φ值和微觀影響因子4值二者之間的關(guān)系式為指數(shù)函數(shù)關(guān)系 式，即：
[0081] 其中，T為聚合物熔體初始溫度，單位K ;k為模型系數(shù)；
[0082] 利用最小二乘法擬合出上述指數(shù)函數(shù)關(guān)系式中模型系數(shù)k = 30. 4,則建立的微觀 修正因子Φ與微觀影響因子1之間關(guān)系式如下： Cl
[0084] 4)基于微觀修正因子，建立反映黏度變化和零件特征尺寸的微觀壁面滑移模型， 在剪切速率分別為1700、2200、2900、3700、4900、6300、8300s 1下進(jìn)行毛細(xì)管流變實驗，測 得微注塑實際壁面滑移速度V