微尺度下多型腔充填流动不平衡的影响因素数值模拟研究

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微注塑成型技术因具有工艺简单、成型周期短等优点成为微纳制造的热点,高效化、低成本的生产原则使得发展一模多腔微注塑成型技术成为必然趋势。由于高剪切速率和尺度效应使其与传统注塑充填流动不同,必将引发新的充填不平衡问题和现象。本文基于此,采用数值模拟方法,以高密度聚乙烯(HDPE)及聚甲醛(POM)材料,研究微尺度下的关键影响因素包括壁面滑移、微尺度效应、对流换热以及工艺参数等对微尺度充填不平衡影响规律。通过典型H型分布流道分析,以对称浇口截面处对称点间的温度差作为表征,得到了以下结论:1.基于单因素仿真分析,研究因尺度效应而产生的壁面滑移行为对微通道中熔体充填过程产生的温度变化的影响。研究发现,壁面滑移使得熔体与壁面产生相对滑移,壁面滑移能有效降低对称点间温度差,对充填不平衡有较明显的改善作用,例如:相同情况下,流道系统1内,考虑壁面滑移时对称点温差ΔT的最大值为11.543K,ΔT的最小值为1.025K,不考虑壁面滑移时对称点温差ΔT的最大值为33.35K,ΔT的最小值为21.341K。且随着流道尺寸的减小,壁面滑移越显著;2.研究微注塑充填过程中聚合物熔体与模具壁面间的对流换热行为对熔体温度分布的影响,进而分析对流换热对充填不平衡的影响机理。结果表明,对流换热使流道内熔体的一部分热量通过模具散失,加剧了充填不平衡,例如:相同情况下,流道系统1内,绝热壁面下对称点温差ΔT的最大值为0.503K,ΔT的最小值为0.441K。对流换热系数h取2500W/(m~2·K)时对称点温差ΔT的最大值为33.35K,ΔT的最小值为21.341K。且对流换热系数越小,充填不平衡越明显;3.基于单因素仿真分析,探究流道尺寸、熔体温度以及模具温度等工艺参数对注塑过程中熔体温度变化的影响。结果表明,随着剪切速率的增加对称点间的温度差也在逐渐增加。而熔体入口温度越大,对称点间温度差异越大,充填不平衡越明显。微流道的尺寸越小,微尺度效应越弱,对称点间的温度差异越小,充填不平衡得到改善。升高模具温度,熔体与壁面间的对流换热量减少,能够降低对称点间温差,改善充填不平衡。以上关键因素中,对流换热行为对熔体温度分布的影响最大,其次是壁面滑移,最后是尺度效应。而在探究的工艺参数中,流道尺寸对熔体温度分布的影响最大,其次是模具温度,最后是熔体温度。
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