微型粉末注射成型：加工过程的描述和模拟

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

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