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PMMA微流控芯片注射成型多目标优化实验研究

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中南大学学报（自然科学版） 2023年第7期54卷 2630-2641页

作者：吴旺青雷益华单志颖蒋炳炎中南大学机电工程学院极端服役性能精准制造全国重点实验室湖南长沙410083

随着微流控技术的不断发展和聚合物材料的广泛应用,注射成型技术因其快速、低成本、大批量的生产等优势而成为聚合物微流控芯片成型制造的主要方式之一,但也存在微结构成型难、残余应力与宏观变形等问题。为表征聚合物微流控芯片成型能... 详细信息

随着微流控技术的不断发展和聚合物材料的广泛应用,注射成型技术因其快速、低成本、大批量的生产等优势而成为聚合物微流控芯片成型制造的主要方式之一,但也存在微结构成型难、残余应力与宏观变形等问题。为表征聚合物微流控芯片成型能力、研究工艺参数对成型质量的影响,采用正交实验研究熔体温度、注射压力、注射速度、保压压力和保压时间对聚甲基丙烯酸酯(PMMA)微流控芯片微通道复制度、残余应力、宏观翘曲变形三种指标的影响规律,并利用灰色关联分析法对三种指标进行多目标优化得到最优工艺参数。研究结果表明:影响微通道复制度最主要的因素是注射速度和熔体温度,影响残余应力与翘曲变形最主要的因素是熔体温度;利用正交实验对三种指标优化得到的最优参数存在差异,而利用灰色关联分析方法进行多目标优化得到了微通道复制度高、残余应力小和翘曲变形小的高质量芯片。最优注射成型工艺参数如下:熔体温度为245℃、注射压力为160 MPa、注射速度为50 cm3/s、保压压力为70 MPa和保压时间为5 s。

关键词：微流控芯片注射成型多目标优化

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注射成型工艺自适应优化技术研究进展

中国塑料 2022年第9期36卷 180-186页

作者：许宇轩党开放傅南红焦晓龙谢鹏程杨卫民北京化工大学机电工程学院北京100029 宁波长飞亚塑料机械制造有限公司浙江宁波315830 海天塑机集团有限公司浙江宁波315801

综述了注射成型工艺自适应优化技术的研究现状,从聚合物熔体物性参数(黏度、比容)和熔体质量参数变化的分析与定量表征,以及注射成型工艺自适应优化三方面详细介绍了国内外学者在注射成型工艺自适应优化技术方向的研究进展,最后对现存... 详细信息

综述了注射成型工艺自适应优化技术的研究现状,从聚合物熔体物性参数(黏度、比容)和熔体质量参数变化的分析与定量表征,以及注射成型工艺自适应优化三方面详细介绍了国内外学者在注射成型工艺自适应优化技术方向的研究进展,最后对现存的问题进行了归纳总结,并对未来的研究方向进行了展望。

关键词：注射成型自适应优化技术物性参数

注射成型工艺对微流控芯片微通道尺寸均匀性的影响

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高分子材料科学与工程 2020年第5期36卷 86-91页

作者：李湘林蒋炳炎朱来余闵丽萍中南大学高性能复杂制造国家重点实验室湖南长沙410083

为了制造微通道尺寸均匀的微流控芯片,提出以梯形微通道上宽和深度的标准差来表征尺寸均匀性,研究了注射成型工艺参数对环烯烃类共聚物(COC)微流控芯片微通道尺寸均匀性的影响规律,为工艺参数的设置提供指导。结果表明,工艺参数对微通... 详细信息

为了制造微通道尺寸均匀的微流控芯片,提出以梯形微通道上宽和深度的标准差来表征尺寸均匀性,研究了注射成型工艺参数对环烯烃类共聚物(COC)微流控芯片微通道尺寸均匀性的影响规律,为工艺参数的设置提供指导。结果表明,工艺参数对微通道上宽的影响较大,上宽标准差的最大极差为3.82μm;对微通道深度影响较小,深度标准差的最大极差为0.61μm。此外,模具温度对微通道尺寸均匀性的影响最显著,模具温度从80℃上升至120℃,微通道尺寸均匀性先略微下降,后逐渐提高,最低上宽标准差为3.24μm,下降幅度为54%。保压压力对微通道尺寸均匀性的影响最小,保压压力从80 MPa增加至120 MPa,微通道的尺寸均匀性逐渐提高,但最大标准差极差仅为1.29μm。

关键词：注射成型微流控芯片工艺参数尺寸均匀性

注射成型制备的碳纤维聚丙烯复合材料蠕变性能

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复合材料科学与工程 2023年

作者：高佳艺杨扬阳玉球东华大学纺织学院

碳纤维热塑性树脂基复合材料在极端环境及长期服役条件下的蠕变行为会使结构件的形状发生改变，对其性能稳定性造成挑战，因此对该种材料蠕变性能的研究是材料设计及应用的关键。本文通过对注射成型制备的碳纤维增强聚丙烯复合材料进行... 详细信息

碳纤维热塑性树脂基复合材料在极端环境及长期服役条件下的蠕变行为会使结构件的形状发生改变，对其性能稳定性造成挑战，因此对该种材料蠕变性能的研究是材料设计及应用的关键。本文通过对注射成型制备的碳纤维增强聚丙烯复合材料进行单轴拉伸蠕变试验研究其蠕变行为，并基于以上试验数据得到该种材料的Burgers模型理论方程，采用Moldex3D模流分析软件模拟注射成型哑铃型试样内部碳纤维的取向和分布情况，将该模拟结果映射到Abaqus中进行有限元分析。结果发现Burgers模型的拟合曲线与试验曲线吻合程度较高，能够用于更长时间以及更广范围应力水平下该种材料的蠕变行为预测；模流分析结果与实际试样横截面观察结果具有较好的一致性；注射成型过程中碳纤维取向及分布会影响最终成型试样的蠕变行为，采用模流分析与有限元分析相结合的方式能够更好地反映材料的蠕变进程。

关键词：碳纤维增强热塑性树脂基复合材料蠕变有限元分析注射成型回收型碳纤维

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注射成型聚碳酸酯厚度截面的残余应力分析

高分子学报 2017年第6期27卷 999-1007页

作者：郎建林王韬葛勇厉蕾颜悦北京航空材料研究院北京市先进运载系统结构透明件工程技术研究中心北京100095

通过光弹法定量测量了注射成型聚碳酸酯(PC)试样在厚度截面上的残余应力,并结合模具温度的变化与不对称分布,对厚度截面上的残余应力分布进行了详细的研究.结果表明,在厚度截面上,试样边缘分布较高的流动残余应力,芯部分布较高的热残余... 详细信息

通过光弹法定量测量了注射成型聚碳酸酯(PC)试样在厚度截面上的残余应力,并结合模具温度的变化与不对称分布,对厚度截面上的残余应力分布进行了详细的研究.结果表明,在厚度截面上,试样边缘分布较高的流动残余应力,芯部分布较高的热残余应力,两区域界面处为流动应力与热应力相互耦合而形成的低应力过渡区;模具温度低于120?C时,PC的残余应力随模具温度的变化并不明显;模具温度高于120?C时,PC的残余应力随模具温度的升高显著降低;不对称模具温度会导致在低模温侧高热残余应力区分布宽,在高模温侧高热残余应力区分布窄.此外,试样的翘曲随模具温度的升高而逐渐增加,不对称模具温度会导致较大的翘曲.

关键词：注射成型聚碳酸酯厚度截面残余应力模具温度

基于数值模拟的注射成型聚碳酸酯热/流动残余应力的壁厚特性

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高分子材料科学与工程 2022年第1期38卷 105-114页

作者：陈宇宏董书源郎建林余文劼张云周华民赵朋中国航发北京航空材料研究院透明件研究所北京100095 吉林大学数学学院吉林长春130012 华中科技大学材料成型及模具技术国家重点实验室湖北武汉430074 浙江大学机械工程学院浙江杭州310027

分别基于线性黏弹性模型和可压缩黏弹本构模型,采用相应的有限差分法和有限体积法作为控制方程的离散方法,以计算注射成型制品的流动残余应力和热残余应力。实现了对3 mm,7 mm和11 mm厚度注射成型聚碳酸酯平板的流动残余应力和热残余应... 详细信息

分别基于线性黏弹性模型和可压缩黏弹本构模型,采用相应的有限差分法和有限体积法作为控制方程的离散方法,以计算注射成型制品的流动残余应力和热残余应力。实现了对3 mm,7 mm和11 mm厚度注射成型聚碳酸酯平板的流动残余应力和热残余应力的数值模拟,并结合注射成型实验,分析了薄壁/厚壁制件流动残余应力、热残余应力和总残余应力的分布规律差异。计算结果表明,热残余应力区主要围绕平板边缘分布,中心区域的热残余应力明显低于边缘部分。随壁厚的增加,热残余应力逐渐上升,高残余应力分布面积明显增加,当壁厚从3 mm增加到11 mm,分布面积至少增加2倍以上;流动残余应力均表现为沿熔体流动方向递减的规律。随壁厚的增加,流动残余应力显著降低。当壁厚从3 mm增加到11 mm,最大流动残余应力从15 MPa降低到1.5 MPa,下降幅度达到90%;随着壁厚的增加,流动残余应力对平板总残余应力的贡献逐渐降低,热残余应力的贡献则逐渐增大。对于3 mm薄壁制件,流动残余应力占绝对主导地位;当平板厚度增加至7 mm时,近浇口区流动残余应力主导,远浇口区热残余应力主导;对于11 mm厚壁制件,热残余应力占绝对主导地位。不同壁厚平板的残余应力分布的数值模拟与实验结果吻合度较好,表明文中的数值模拟方法可以有效计算残余应力。

关键词：注射成型计算模拟热残余应力流动残余应力壁厚

熔体温度对注射成型热塑性聚氨酯制件残余应力及外形精度的影响

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材料工程 2022年第3期50卷 148-156页

作者：相宁葛勇张晓雯王博伦郑梦瑶颜悦中国航发北京航空材料研究院北京市先进运载系统结构透明件工程技术研究中心北京100095

采用光学双折射法研究注射成型过程中熔体温度对透明热塑性聚氨酯(TPU)弹性体平板制件残余应力的影响规律和作用机理。结果表明,TPU制件在近浇口区域的残余应力大于远浇口区域,整体残余应力随熔体温度上升而下降。通过对平行于熔体流动... 详细信息

采用光学双折射法研究注射成型过程中熔体温度对透明热塑性聚氨酯(TPU)弹性体平板制件残余应力的影响规律和作用机理。结果表明,TPU制件在近浇口区域的残余应力大于远浇口区域,整体残余应力随熔体温度上升而下降。通过对平行于熔体流动方向和垂直于熔体流动方向上的制件截面进行双折射测量发现,注射成型TPU制件具有明显的皮-芯结构和零应力层,且随熔体温度升高芯层厚度显著增加。残余应力分析结果表明在制件的芯层以流动残余应力为主,而皮层区域是流动残余应力和热残余应力叠加的结果。此外,制件的翘曲变形与残余应力的分布直接相关,TPU制件尺寸的改变主要是由于流动残余应力释放引起的。

关键词：热塑性聚氨酯注射成型熔体温度残余应力尺寸精度

注射成型中聚合物剪切诱导结晶行为的三维模拟

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化工学报 2017年第11期68卷 4359-4366页

作者：赵朋赵耀严波汪晓蔓卢圣坤傅建中浙江大学机械工程学院浙江省三维打印工艺与装备重点实验室浙江杭州310027 上海交通大学材料科学与工程学院上海200030

在考虑剪切导致分子链取向并升高其平衡熔点的基础上,建立了基于Nakamura方程的剪切诱导结晶动力学模型。在WLF-Cross黏度模型中引入结晶对黏度系数的影响,构建了考虑结晶的注射成型过程模型。采用改进的有限体积法对聚合物剪切诱导结... 详细信息

在考虑剪切导致分子链取向并升高其平衡熔点的基础上,建立了基于Nakamura方程的剪切诱导结晶动力学模型。在WLF-Cross黏度模型中引入结晶对黏度系数的影响,构建了考虑结晶的注射成型过程模型。采用改进的有限体积法对聚合物剪切诱导结晶行为进行了三维数值模拟,模拟中耦合了流动场、熔体压力、温度、诱导时间与结晶度。结果表明,本方法可清晰模拟出注射成型过程中聚合物的三维"喷泉"流动行为以及3层"皮-芯"结晶结构,同时,诱导结晶时间指数与相对结晶度的模拟结果与理论及实验结果吻合。

关键词：注射成型流动结晶计算机模拟有限体积法

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注射成型熔体波动及重复精度控制的研究

注射成型熔体波动及重复精度控制的研究

作者：杜威北京化工大学

学位级别：硕士

注射成型是最重要的塑料加工方式之一，近年来，随着对注塑制品质量要求不断提高，注塑制品质量控制成为研究热点。熔体波动是影响注塑制品质量的重要因素，温度温差和压力波动是评价熔体波动的重要指标,进而熔体温差和压力波动对制品... 详细信息

注射成型是最重要的塑料加工方式之一，近年来，随着对注塑制品质量要求不断提高，注塑制品质量控制成为研究热点。熔体波动是影响注塑制品质量的重要因素，温度温差和压力波动是评价熔体波动的重要指标,进而熔体温差和压力波动对制品质量影响较大;成型重复精度直接影响制品稳定性，提高成型重复精度是实现质量控制的前提和基础。本课题主要工作如下:　　(1)利用温度压力传感器、位移传感器、注塑机采集模块和数据采集卡搭建注塑机参数数据采集平台,实现对熔体温度、熔体压力、锁模力、注射压力、背压、螺杆转速、螺杆扭矩等注塑参数在线采集;设计标准拉伸样条模具，基于样条模具研究熔体压力波动与制品力学性能间关系;提出熔体温差、熔体压力波动、成型重量重复精度表征方法。　　(2)基于单因素实验研究熔体温度、背压、螺杆转速和塑化行程对塑化熔体温差的影响规律;采用正交试验，通过方差和极差分析，确定各因素对塑化熔体温差的影响程度。使用BP神经网络建立注塑工艺和塑化阶段熔体温差的预测模型，在预测模型基础上，利用遗传算法优化工艺参数，降低塑化阶段熔体温差。基于FLUENT对注射阶段熔体温度进行了模拟，探究不同注射速度对注射阶段熔体温差的影响规律。　　(3)实验探究熔体压力波动和制品拉伸强度关系;基于单因素实验研究熔体温度、背压、螺杆转速和塑化温度对熔体压力波动的影响规律;采用正交试验，经方差和极差分析，确定各因素对熔体压力波动的影响程度;使用BP神经网络建立注塑工艺和压力波动的预测模型，在预测模型基础上，利用遗传算法优化工艺参数，降低压力波动。　　(4)研究在全充满实验下注射速度、螺杆转速、背压、熔体温度对制品重量重复精度的影响;在未充满实验下探究注射速度、背压、螺杆转速、熔体温度、射退对重量重复精度的影响。

关键词：注射成型精度控制熔体温差熔体压力波动重复精度