微注塑成型中熔体与壁面间传热系数对充模流动影响的研究

　　随着MEMS 技术的蓬勃发展, 微成型技术的创新与开发已经成为科研及加工业的热点. 微注塑成型凭借其加工精度高、生产效率高、成本低等优点, 在微塑件成型技术中占有重要地位. 微悬臂梁、带有微结构的导光板、具有生物兼容性的微小医疗制件、微泵等微注塑成型产品在各领域的应用越来越广泛[ 1] . 然而, 在微注塑成型过程中, 聚合物熔体与流道或型腔壁面间传热系数的大小, 将直接影响熔体的填充流动效果和塑件的成型质量. 但由于熔体的充模流动行为与传统的注塑成型不同, 因而不能简单地套用传统注塑成型的相关理论和研究成果[ 2 ] . 而应从微小熔体的实际流动特性出发, 研究微成形过程中的传热问题. Kamal[ 3] 等利用多种传感器系统的测量了熔体、壁面及模具温度、型腔与喷嘴处压力和壁面与熔体间的热流量, 并根据测量数据计算出不同注射速度时的传热系数值. 但其研究的型腔尺度为厘米级而非微米级. Yu[ 4] 研究了微流道中熔体与壁面间的传热系数, 但其引用的传热系数模型中传热系数是平行板间距离的函数, 而并不是微流道特征尺寸的函数, 传热系数的修正系数的取值并没有选择规律. 目前, 关于微注塑成型中传热的理论与试验研究相对较少, 不能满足微注塑成型及其模具技术发展的要求. 本文基于传统注塑成型中熔体与壁面间的传热理论, 结合微小熔体的充模流动特性, 采用数值模拟方法, 研究了微型模具中传热系数对熔体充模流动的影响.

　　1 充模流动过程中熔体传热系数分析

　　1. 1 充模流动的数学模型

　　根据聚合物流变学理论, 注塑成型中熔体流动可视为广义牛顿流体的不可压缩、稳态层流、非等温流动. 若忽略入口效应, 熔体在微流道中可近似为完全发展流动. 由于塑料熔体的高粘度, 忽略熔体的惯性力、弹性效应和重力. 设熔体的比热容Cp 和导热系数K皆为常数. 熔体充模流动的控制方程为:

　　初始条件为的熔体入口温度为T0 . 边界条件为熔体与模具间的热流量为:

　　式中: T m 为远离边界的熔体温度, T w 为模具温度,h 为熔体与壁面间的传热系数.

　　1. 2 传热系数的模型

　　由传热学可知, 在发生接触的两物体之间对流传热的机理是接触材料界面上的电子相互运动和原子与分子振动的结果. 影响两相间传热系数的因素很多, 如流体的种类、性质、运动状况、对流状况以及传热壁面的形状、位置及大小等. 当传热系数h 等于零时, 则在聚合物熔体和模具壁面间没有热量交换( 绝热边界条件) . 如果h 等于无穷大, 则聚合物熔体和模具壁面间是理想热接触, 即模具与熔体界面温度等于接触的模具壁面温度. 由于对流热传递的各种状态和条件十分复杂, 因此对流传热系数一般很难确定. 在传统注塑成型的数值模拟中, h 通常取常　数值25 000 W/ ( m² # k) . 而Aino ya[ 5] 和Nar h[ 6] 等认为在熔体填充过程中, hc 约为1 200W/ ( m² # k) .为了描述微流道中熔体与壁面之间的传热系数变化, 首先引入传热系数模型[ 7] , 其表达式如下: