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微型粉末注射成型：加工过程的描述和模拟(一)
摘 要
一个新的微型粉末注射模的模仿工具的发展需要用具体数据和验证实验去正确地描述。而最新的方法就是使用消散微粒动力学（DPD）来描述这个在一定范围上相互影响的填充过程。(Hogerbrugge和Koelman在Europhys Lett 19（1）:15-160,1992)各自独立的参数被输入到DPD模型中，而这一过程必须要由特别为注射模注射过程所设计的试验来调整。而标准注射模的材料特性主要由组成这个模具的大多数材料来决定。由于大型表面对应于大容量，故微型表面的作用开 始占据优势。所以研究了原料和模具插件之间的相互。最后，注射模具试验的第一手观察资料被公布和定性，并且与DPD模仿结果作了相互比较。
介绍
注射模是一种通用的产品成型技术，它能制造出复杂三维结构的产品，甚至是微型尺寸的产品。仿真工具从理论模型范围内给予了仿真。该理论模型范围是从原子级现象的量子物理到宏观行为的连续性描述（Nieminen Risto 2000），并且这系统行为还支持在微型系统技术中仍然缺失的设计过程，几个长度数值范围的数量级命令的存在，要求成队的不同工具恰当地来模仿各自的空间范围。在设计给定边界条件的微型系统时，先进的计算机辅助设计（CAD）工具的使用，减少了对原型设备进行必要的物理测试的范围。合并各种已经存在而不同范围的物理模型后，我们发现在微型技术中，以给定要求去模仿整个过程链的解决方法还需要我们去研究。
为了找一个适合大批量生产的，可靠的，可再生的生产方式，所有这个过程的参数必须要被辨认。在市场上我们能买到用以宏观模型的仿真程序，但是，在模仿微行元时，它就会发生错误，甚至是失败。当模具的几何模型越是复杂，常规模仿工具的模仿作用就越不可靠。(Wolf 1994;Bilovolet.al.2001)所有模仿程序的一个普遍存在的主要缺点是缺少粉末原料填装的标准流变模型，实际上，大多数模仿工具使用单一相位来对原料进行描述，它们不考虑例如离析作用的影响，因此，在这个领域需要新的方法。消散的微粒动力学（DPD）是一个有效的方法。它能够缩小原子级模仿和宏观模仿之间的差距，所以，它是解决先前方法缺点的首选方法。
为了了解DPD作为使用方法来计算可变动力学（CFD）问题，已经有很多人作了很多的调查很多的调查。（Espand1995,1996;Espanol.et.al.1997; Marshand Yeomans 1997;Marsh.et.al.1997;Maslers Warren 1999;Flekkoy 和 Coveney 1999;Flekky.et.al.2000）发现它的应用范围能从动力学胶体到流变性质的模仿（Dzwinel.et.al.2002;Boek.et.al.1997）,后者是这种方法（DPD）在模仿原料能力方面的一个重要特征，所以对微型模型成型过程是非常必要的。
CPD和DPD都需要有热力学实验和流变学数据，其中，最重要的数据信息是原材料的系统状态平衡。黏度的大小与温度和剪切率，以及原材料和模具材料的热传导率和热容量有关。此外，为了定义合适的边界条件，进而影响毛细压力和墙体滑移行为，决定模具表面和原材料之间以及热塑性。塑料黏合剂和无机物填充之间的相互作用关系是非常重要的。常规的原料系统的多相位特征会导致黏合剂填充离析，这是由于在模具填充过程中发生高剪切率。有好个方法可以被用来确定在模具成型体中，微型和微粒密度的分配。
在实验数据的使用上，CFD和DPD有着根本的区别，当CFD的实验数据被输入后，他们就被用以建立原材料数据库，以便为其余部分的结构性分析和查表提供不同等式。DPD中，流体的特性并不是直接被指定，而是由模型余下部分相互作用产生的，在这样的情况下，只有在实验和模仿的时候，实验性测量数据才会被调用。
2.实验设置
通过测量各种各样的物质材料，通过反复试验，找到这种最优化的新的模仿方法。以下的各个部分就是将简单地描述这个方法的实验设置。
2.1 原料材料
在这些实验中，一种在市场上能买到的原料系统叫Inmafeed K1011 ,它包含有50%的粉末[TZ-3.YS-E(Tosoh corp)]和一个基于聚烯烃的相等份数的黏合剂。这就以为着粉末微粒的大小是440毫微米，这是用最新的测量工具所测定的。
2.2 EOS测量
问题状况图的数据用高压毛细电流计来测量，（Goettfert corp）一个特别的喷管被用来保证是一个封闭的系统，该系统用特殊的材料填充，从而避免空气的进入。PTV测试（P=压力，V=容积，T=温度）解决了将温度冷却到注射温度，从而避免了在这个时候的任何分解。典型的测量从注射料融化状况时的温度开始，因为确保没有空隙被附寄在模具材料上是非常重要的。当等温线的压力升到上百兆帕的时候，数据就依据这一系列的等温线来被确定。在加热到最大的工作温度的期间内，具体容积的测量值会被后来的值所覆盖，从那以后，期间的分解将不会再影响数据了，材料的测试温度是范围是从35摄氏度到150摄氏度，而压力的变化是从9动110兆帕。
2.3 流变性质的测量
我们根据2.2部分那样的容积流速方式，描述了原料的流变特征。已知流速的外表面剪切率和剪应力可以通过给定直径和长度的毛细管的压力来计算。
熔解状态时的黏度的测量应保证温度范围在140℃至160℃，剪切率的范围从103 到104S-1状态下进行。
2.4 比热的测量
比热的测量是采用不同的扫描测热器（DSC）来完成的，而Netzsch(DSC2004)扫描测热器使用的是以青玉样品作为参考来确定各比热值。该样品的重量要在15-25毫克内，而且还要将其置于10Kmin-1干燥氧气中进行加热处理。
2.5 热量扩散性能的测量
热量扩散性能α的测量是采用激光测量方法，该方法所需要的测量时间非常短，即使是使用Net2sch LFA427的高温下也能进行测量。热源和温度传感器的结合是没有联系的，这样就避免了需要大量准备样品，用激光能加热盘状样品的上表面（1毫米厚），另外，这整个装置还能安装在一个熔炉里面，从而用来测量高温状态下α的数值，并且加热了温度较低的样品表面而温度的供应只要是通过热量的扩散，通过一个红外线传感器和已经被划分的被测信号就可以探测到温度。
2.6 连接角度和表面张力的测量
我们使用下落法了爱测量原料和模具材料之间的相互作用，以及他们之间的连接角度。为了描述光学高分析系统的特性，我们使用了Kruess(DSA110D04)系统。在测量期间，下落液体停留在平面模具的内表面上，而该表面位于一个用来控制周围环境温度和大气的熔炉里面，该炉子的温度范围一般在140℃到160℃之间。
2.7 注射模成型实验
注射模成型实验是在Arburg Allrounder 420℃的状态下进行的为了核实计算方法，实验确认测试系统被开发出来了。所有成型的零件却包含两个相同形状的产品，他们呈180o对称分布（如图1），之浇道被放在了两个产品的中间，这样能使其保证有相同的熔融料流到两个型腔中。多个温度和压力传感器被安放在流到中，以便来测量原料的位置状态和温度情况，并且将测量到的结果与模仿的结果相比较。
为了研究注射成型过程中可能发生的不同影响，我们设计出了各种各样的浇道模型（如图1）
弯曲状 为了能使熔融料尽快地冷却固化，我们直接使用了绿色的紧凑的结构以及焊接的CIM部件。
台阶状 采用具有台阶的零件来分析模具内部在台阶成型之前以及成型之后的压力和温度的变化。
矩形状 在流量的末端有一个小孔，以此来研究它的注射量和流动路线，同时也描述了它的分离作用。
注射器状 在注射口的后面有一个障碍，用来分析在障碍点后材料的混合以及流动，同时也用来描述它的压缩作用。
改变方向状 改变90度来调查温度和压力的下降过程，当不要的时候，有可能将粉末微粒分散在各个角落。
螺旋状 用来调查经过长期的旋转，材料体积的变化，例如：流程长度比与结构宽度等作为最小直径的传感器和真正微小间隙的折中。
图1 模具注射的三维模型
为了更好地调整微小传感器的使用以及弥补存在的微小的间隙，我们经常采用模具嵌入物，我们使用的传感器的尺寸（尺寸为2.5毫米的压力传感器）是相当严格的。而当前能所够得到的传感器无法在造得更小了，因此，它们对材料的流动或多或少会产生一些影响。
3.结果和讨论
图2显示的是在四个不同的温度下，被测原料的不同黏度。我们从中可以看到，剪切率范围随着黏度呈双重对数的态势线性下降，而黏度和温度的关系也是可以清楚地看到的。从170℃到140℃，材料的黏度变化几乎是加倍的。
图2 K1011材料的黏度
所示的材料问题状态图展示了50℃和120℃两个状态温度，（如图3）这个过程在陶瓷注射模成型原料中是只有代表性的，因此，他们的聚合物黏合剂包括不止一个组分。典型的组分还有低熔化的蜡，它能够部分地增加化合物的流动能力和在注射成型期间产品的热塑性。标准的数学方法如二维Tait等式(Mckinney and Simha 1997;Cho and Sanchez 1999;Beret and Praushitz 1975)等允许采用CFD工具中心问题状态图作为辅助手段（e.g. Mold Flow）,但是它无法正确描述多元状况的化合物。
图3 K1011的材料状态图
图4显示的是K1011材料的热量扩散性能，而图5显示的是在160℃以上，材料的比热由于其本身的分解而突然下降。
原料的导热性λ可以由公式Eq1来计算，其中α是热量扩散性，而Cp代表比热
λ=PαCp （1）
图4 激光测量的温差应力
注射料在大气压力下的密度ρ能够由公式PVT推算出来，而其所释放出的热量值通过查如下的图6就能得到
图5 K1011材料的比热
使用这些的数据，就能精确模仿出他们在注射过程中所产生热量的情况。图7显示的是即使是非常复杂的热量产生形式，如带黏度材料的热量释放，也可以通过DPD来描述。这种影响发生在由消散作用所造成的注射成型期间，如：粉末之间的摩擦会导致局部地方的温度上升。
除了热量释放和流变性质之外，表面之间的相互作用对微型注塑也起着很大的作用。发生在微型粉末任何一方面的容积率大表面都会导致流体和表面之间的相互影响，如表面张力作用、墙壁滑动作用、黏合及黏附力作用等。（Westin 等，2001年，姚和金，2002）
图6 由式1所计算出的K1011的温差传导率
图7 模仿时剪切率和黏度对温度的影响
若模具浇口附近的材料潮湿，就会对成型产生一定影响，这个问题我们已经在2.6部分时通过多种方法进行了研究。化合物的高产生点能预防由表面张力所产生的下落形式，这就意味着在模具注射过程中，表面力并不能导致原料表面的变形，因此，就可以被忽略。
材料的潮湿性能被用于考虑其是否会影响微型结构在细节方面的微维度，如果注射压力低于强迫使注射料进入型腔的最小压力值，就可能导致离析在那里的聚合物没有成型的动力，这种情况可以由下列公式来描述（Eq2）
(2)
所以，作为成型重要组成部分的关联角和表面张力及不同容积的直径一起被用来计算其型腔压力。而其中，由钢制造的模具嵌件的关联角在36到42°之间，表面张力也是在0.020到0.026Nm-1之间变化。使用这些数据，可以通过公式2来计算型腔压力，而型腔压力按如图8所示进行变化（图8）。
图8 由Washburn 式所计算出的毛细压力
用微型注射成型的最小结构的产品，其型腔压力的范围是在10-2MPa左右，这相对于好几吨的型腔压力为100多MPa的注射成型，其型腔压力可以忽略不计。在这方面姚和金已经做了很好的论述和研究。（2002）
在试验中，陶瓷材料的喷射现象能够被观察到，这喷射现象能够影响样品的焊接线，从而强烈影响注射成型的过程，同时，还会导致薄弱处的损坏。
常规的CFD工具不能完全准确地模仿塑料注射模成型时的这种喷射行为，而DPD就能准确地显示这种现象，如图（9）：
图9 陶瓷注射期间的喷射作用
4.结论
DPD是在调查微型PIM成型和模仿时被提出来的，而在对物质的详细测量中，DPD模仿工具又优先使用。这是因为DPD区别于常规的方法，它的测量是建立在试验的基础之上。DPD最大的好处就是能够处理多元状况的微型粉末注射试验，DPD模型无法替换CPD的塑料模仿，但是它可以帮助其得到更加精确的模仿点。
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间的离析作用所导致的极端高的剪切率，各种各样的实验方法被用来进一步模仿，如常规计算机X线体层照。同步加速器辐射和图像分析。模具中的微型嵌件填充的模仿只能通过发展更小压力和温度的传感器来完成，而这些传感器连同上百的微测表一起被使用到模具嵌件中。
致谢
本研究的财政支持主要由德国研究基金提供，产品和主要金属和陶瓷材料也均由其提供，在此表示感谢。
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