面向聚合物微零件精密注射成型的无螺杆超声塑化机理研究

Precision injection molding for polymeric micro parts is one of the key technologies for the development of Micro ElectroMechanical System (MEMS). For precision injection molding of micro parts with feature dimension of micrometer, molding precision of submicron or part weight of milligram, the poor stability of molding quality and the severe wastage of polymer material may occur due to the over plasticized volume and the mismatch of the injection volume and the volume of the micro part when it comes to the screw plastification method. In this proposal, a new plastification concept based on the screwless ultrasonic plastification is proposed for precision injection molding of polymeric micro parts. Numerical simulation and experimental verification methods are used to study the heat generation mechanism due to the internal viscoelastic properties and the interactive fiction of polymer pellets under ultrasonic vibration, the heat transfer characteristics of the ultrasonic plastification system and the flow characteristics of ultrasonic plasticized polymer melt. The aim of this work is to illustrate the ultrasonic plastification mechanism of polymer pellets from solid state, mushy stage to viscous state, to understand the flow characteristics of polymer melt under ultrasonic acoustic streaming effect and cavitation effect, and to built a foundation for establishing a mass production method with characteristics including energy and material saving and matching between the injection volume and the volume of micro part.

聚合物微零件的精密注射成型技术是微机电系统（MEMS）发展的重要技术之一。针对特征尺寸在微米级，成型精度在亚微米级或重量在毫克级的聚合物微零件的精密注射成型，采用螺杆塑化方式存在一次塑化量过大，注射量与微零件体积严重不匹配的问题，导致成型质量稳定性差和材料浪费严重。本课题提出无螺杆超声“直接塑化”新概念，采用数值仿真与实验验证相结合的方法，研究超声振动下聚合物颗粒内部的粘弹性生热机理、聚合物颗粒间的摩擦生热机理，超声塑化系统传热特性以及超声塑化聚合物熔体的流动性能。研究旨在阐明聚合物颗粒从固态、固液态到粘流态的超声塑化机理，掌握超声声流效应、空化效应作用下塑化熔体的流动特性，为形成聚合物微零件的节能省材以及注射量与微零件体积匹配的批量化制造方法奠定基础。

在国家自然科学基金的资助下，项目针对聚合物超声塑化机理研究，从聚合物颗粒内部粘弹性生热机理、聚合物颗粒间摩擦生热机理、超声塑化微注射成型平台开发、超声塑化系统传热特性、超声塑化对聚合物熔体流动性能影响五个方面开展工作：1)利用广义Maxwell力学模型表征超声振动载荷下聚合物材料动态及静态粘弹特性，应用时温等效原理建立考虑超声传播衰减的粘弹性生热模型，揭示了聚合物粘弹性生热机理及影响因素；2)利用超景深显微镜研究塑化过程聚合物颗粒摩擦角分布及演变规律，利用显式动力学建立聚合物颗粒界面摩擦模型，得到了摩擦生热过程参数影响规律；3)自主研发第二代超声塑化微注射平台及配套模具，利用Step7软件实现设备自动控制，将共混聚合物微换热器作为面向5G散热典型应用，研究塑化过程参数对充填特性影响，成功将微制件成型重量波动控制在5mg以内，微结构尺寸充填可达98.7%；4)通过等效模拟热电路法建立超声塑化系统传热模型，得到塑化料筒辅助加热对聚合物温升规律及充填性能的影响，通过分析超声工具头振型及塑化料筒热变形实现塑化系统动态配合设计；5)通过阿基米德螺旋、熔融指数、高压毛细管流变等测试方法得到工艺参数对超声塑化熔体流动性能影响，探明工艺参数与微尺度下熔体充填性能的量化关系。项目取得的学术成果在微注射成型领域有较大学术及应用价值，为形成聚合物微零件的节能省材以及注射量与微零件体积匹配的批量化制造方法奠定了应用基础，可应用于5G通信、智能手机、医疗微器件等领域。项目理论研究成果发表在Polymers等领域高水平期刊上，SCI论文9篇，EI论文6篇；关键技术成果获授权国家发明专利3项、国家实用新型1项、软件著作权1项，正在申请国家发明专利3项。已培养青年教师2名，博士研究生2名及硕士研究生6名，其中周明勇获研究生国家奖学金，正在培养博士研究生4名及硕士研究生3名，引进青年教师2名。项目实施过程共邀请国内外领域内专家学术交流14次，项目组成员对外交流21次。