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微型粉末注射成型：加工過程的描述和模擬(一)
摘 要
一個新的微型粉末注射模的模仿工具的發展需要用具體數據和驗證實驗去正確地描述。而最新的方法就是使用消散微粒動力學（DPD）來描述這個在一定范圍上相互影響的填充過程。(Hogerbrugge和Koelman在Europhys Lett 19（1）:15-160,1992)各自獨立的參數被輸入到DPD模型中，而這一過程必須要由特別為注射模注射過程所設計的試驗來調整。而標準注射模的材料特性主要由組成這個模具的大多數材料來決定。由于大型表面對應于大容量，故微型表面的作用開 始占據優勢。所以研究了原料和模具插件之間的相互。最后，注射模具試驗的第一手觀察資料被公布和定性，并且與DPD模仿結果作了相互比較。
介紹
注射模是一種通用的產品成型技術，它能制造出復雜三維結構的產品，甚至是微型尺寸的產品。仿真工具從理論模型范圍內給予了仿真。該理論模型范圍是從原子級現象的量子物理到宏觀行為的連續性描述（Nieminen Risto 2000），并且這系統行為還支持在微型系統技術中仍然缺失的設計過程，幾個長度數值范圍的數量級命令的存在，要求成隊的不同工具恰當地來模仿各自的空間范圍。在設計給定邊界條件的微型系統時，先進的計算機輔助設計（CAD）工具的使用，減少了對原型設備進行必要的物理測試的范圍。合并各種已經存在而不同范圍的物理模型后，我們發現在微型技術中，以給定要求去模仿整個過程鏈的解決方法還需要我們去研究。
為了找一個適合大批量生產的，可靠的，可再生的生產方式，所有這個過程的參數必須要被辨認。在市場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，它就會發生錯誤，甚至是失敗。當模具的幾何模型越是復雜，常規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普遍存在的主要缺點是缺少粉末原料填裝的標準流變模型，實際上，大多數模仿工具使用單一相位來對原料進行描述，它們不考慮例如離析作用的影響，因此，在這個領域需要新的方法。消散的微粒動力學（DPD）是一個有效的方法。它能夠縮小原子級模仿和宏觀模仿之間的差距，所以，它是解決先前方法缺點的首選方法。
為了了解DPD作為使用方法來計算可變動力學（CFD）問題，已經有很多人作了很多的調查很多的調查。（Espand1995,1996;Espanol.et.al.1997; Marshand Yeomans 1997;Marsh.et.al.1997;Maslers Warren 1999;Flekkoy 和 Coveney 1999;Flekky.et.al.2000）發現它的應用范圍能從動力學膠體到流變性質的模仿（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重要特征，所以對微型模型成型過程是非常必要的。
CPD和DPD都需要有熱力學實驗和流變學數據，其中，最重要的數據信息是原材料的系統狀態平衡。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率和熱容量有關。此外，為了定義合適的邊界條件，進而影響毛細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。塑料黏合劑和無機物填充之間的相互作用關系是非常重要的。常規的原料系統的多相位特征會導致黏合劑填充離析，這是由于在模具填充過程中發生高剪切率。有好個方法可以被用來確定在模具成型體中，微型和微粒密度的分配。
在實驗數據的使用上，CFD和DPD有著根本的區別，當CFD的實驗數據被輸入后，他們就被用以建立原材料數據庫，以便為其余部分的結構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生的，在這樣的情況下，只有在實驗和模仿的時候，實驗性測量數據才會被調用。
2.實驗設置
通過測量各種各樣的物質材料，通過反復試驗，找到這種最優化的新的模仿方法。以下的各個部分就是將簡單地描述這個方法的實驗設置。
2.1 原料材料
在這些實驗中，一種在市場上能買到的原料系統叫Inmafeed K1011 ,它包含有50%的粉末[TZ-3.YS-E(Tosoh corp)]和一個基于聚烯烴的相等份數的黏合劑。這就以為著粉末微粒的大小是440毫微米，這是用最新的測量工具所測定的。
2.2 EOS測量
問題狀況圖的數據用高壓毛細電流計來測量，（Goettfert corp）一個特別的噴管被用來保證是一個封閉的系統，該系統用特殊的材料填充，從而避免空氣的進入。PTV測試（P=壓力，V=容積，T=溫度）解決了將溫度冷卻到注射溫度，從而避免了在這個時候的任何分解。典型的測量從注射料融化狀況時的溫度開始，因為確保沒有空隙被附寄在模具材料上是非常重要的。當等溫線的壓力升到上百兆帕的時候，數據就依據這一系列的等溫線來被確定。在加熱到最大的工作溫度的期間內，具體容積的測量值會被后來的值所覆蓋，從那以后，期間的分解將不會再影響數據了，材料的測試溫度是范圍是從35攝氏度到150攝氏度，而壓力的變化是從9動110兆帕。
2.3 流變性質的測量
我們根據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力可以通過給定直徑和長度的毛細管的壓力來計算。
熔解狀態時的黏度的測量應保證溫度范圍在140℃至160℃，剪切率的范圍從103 到104S-1狀態下進行。
2.4 比熱的測量
比熱的測量是采用不同的掃描測熱器（DSC）來完成的，而Netzsch(DSC2004)掃描測熱器使用的是以青玉樣品作為參考來確定各比熱值。該樣品的重量要在15-25毫克內，而且還要將其置于10Kmin-1干燥氧氣中進行加熱處理。
2.5 熱量擴散性能的測量
熱量擴散性能α的測量是采用激光測量方法，該方法所需要的測量時間非常短，即使是使用Net2sch LFA427的高溫下也能進行測量。熱源和溫度傳感器的結合是沒有聯系的，這樣就避免了需要大量準備樣品，用激光能加熱盤狀樣品的上表面（1毫米厚），另外，這整個裝置還能安裝在一個熔爐里面，從而用來測量高溫狀態下α的數值，并且加熱了溫度較低的樣品表面而溫度的供應只要是通過熱量的擴散，通過一個紅外線傳感器和已經被劃分的被測信號就可以探測到溫度。
2.6 連接角度和表面張力的測量
我們使用下落法了愛測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。為了描述光學高分析系統的特性，我們使用了Kruess(DSA110D04)系統。在測量期間，下落液體停留在平面模具的內表面上，而該表面位于一個用來控制周圍環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 注射模成型實驗
注射模成型實驗是在Arburg Allrounder 420℃的狀態下進行的為了核實計算方法，實驗確認測試系統被開發出來了。所有成型的零件卻包含兩個相同形狀的產品，他們呈180o對稱分布（如圖1），之澆道被放在了兩個產品的中間，這樣能使其保證有相同的熔融料流到兩個型腔中。多個溫度和壓力傳感器被安放在流到中，以便來測量原料的位置狀態和溫度情況，并且將測量到的結果與模仿的結果相比較。
為了研究注射成型過程中可能發生的不同影響，我們設計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構以及焊接的CIM部件。
臺階狀 采用具有臺階的零件來分析模具內部在臺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小孔，以此來研究它的注射量和流動路線，同時也描述了它的分離作用。
注射器狀 在注射口的后面有一個障礙，用來分析在障礙點后材料的混合以及流動，同時也用來描述它的壓縮作用。
改變方向狀 改變90度來調查溫度和壓力的下降過程，當不要的時候，有可能將粉末微粒分散在各個角落。
螺旋狀 用來調查經過長期的旋轉，材料體積的變化，例如：流程長度比與結構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
為了更好地調整微小傳感器的使用以及彌補存在的微小的間隙，我們經常采用模具嵌入物，我們使用的傳感器的尺寸（尺寸為2.5毫米的壓力傳感器）是相當嚴格的。而當前能所夠得到的傳感器無法在造得更小了，因此，它們對材料的流動或多或少會產生一些影響。
3.結果和討論
圖2顯示的是在四個不同的溫度下，被測原料的不同黏度。我們從中可以看到，剪切率范圍隨著黏度呈雙重對數的態勢線性下降，而黏度和溫度的關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
所示的材料問題狀態圖展示了50℃和120℃兩個狀態溫度，（如圖3）這個過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能力和在注射成型期間產品的熱塑性。標準的數學方法如二維Tait等式(Mckinney and Simha 1997;Cho and Sanchez 1999;Beret and Praushitz 1975)等允許采用CFD工具中心問題狀態圖作為輔助手段（e.g. Mold Flow）,但是它無法正確描述多元狀況的化合物。
圖3 K1011的材料狀態圖
圖4顯示的是K1011材料的熱量擴散性能，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。
原料的導熱性λ可以由公式Eq1來計算，其中α是熱量擴散性，而Cp代表比熱
λ=PαCp （1）
圖4 激光測量的溫差應力
注射料在大氣壓力下的密度ρ能夠由公式PVT推算出來，而其所釋放出的熱量值通過查如下的圖6就能得到
圖5 K1011材料的比熱
使用這些的數據，就能精確模仿出他們在注射過程中所產生熱量的情況。圖7顯示的是即使是非常復雜的熱量產生形式，如帶黏度材料的熱量釋放，也可以通過DPD來描述。這種影響發生在由消散作用所造成的注射成型期間，如：粉末之間的摩擦會導致局部地方的溫度上升。
除了熱量釋放和流變性質之外，表面之間的相互作用對微型注塑也起著很大的作用。發生在微型粉末任何一方面的容積率大表面都會導致流體和表面之間的相互影響，如表面張力作用、墻壁滑動作用、黏合及黏附力作用等。（Westin 等，2001年，姚和金，2002）
圖6 由式1所計算出的K1011的溫差傳導率
圖7 模仿時剪切率和黏度對溫度的影響
若模具澆口附近的材料潮濕，就會對成型產生一定影響，這個問題我們已經在2.6部分時通過多種方法進行了研究�；衔锏母弋a生點能預防由表面張力所產生的下落形式，這就意味著在模具注射過程中，表面力并不能導致原料表面的變形，因此，就可以被忽略。
材料的潮濕性能被用于考慮其是否會影響微型結構在細節方面的微維度，如果注射壓力低于強迫使注射料進入型腔的最小壓力值，就可能導致離析在那里的聚合物沒有成型的動力，這種情況可以由下列公式來描述（Eq2）
(2)
所以，作為成型重要組成部分的關聯角和表面張力及不同容積的直徑一起被用來計算其型腔壓力。而其中，由鋼制造的模具嵌件的關聯角在36到42°之間，表面張力也是在0.020到0.026Nm-1之間變化。使用這些數據，可以通過公式2來計算型腔壓力，而型腔壓力按如圖8所示進行變化（圖8）。
圖8 由Washburn 式所計算出的毛細壓力
用微型注射成型的最小結構的產品，其型腔壓力的范圍是在10-2MPa左右，這相對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。在這方面姚和金已經做了很好的論述和研究。（2002）
在試驗中，陶瓷材料的噴射現象能夠被觀察到，這噴射現象能夠影響樣品的焊接線，從而強烈影響注射成型的過程，同時，還會導致薄弱處的損壞。
常規的CFD工具不能完全準確地模仿塑料注射模成型時的這種噴射行為，而DPD就能準確地顯示這種現象，如圖（9）：
圖9 陶瓷注射期間的噴射作用
4.結論
DPD是在調查微型PIM成型和模仿時被提出來的，而在對物質的詳細測量中，DPD模仿工具又優先使用。這是因為DPD區別于常規的方法，它的測量是建立在試驗的基礎之上。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，DPD模型無法替換CPD的塑料模仿，但是它可以幫助其得到更加精確的模仿點。
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致的極端高的剪切率，各種各樣的實驗方法被用來進一步模仿，如常規計算機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發展更小壓力和溫度的傳感器來完成，而這些傳感器連同上百的微測表一起被使用到模具嵌件中。
致謝
本研究的財政支持主要由德國研究基金提供，產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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