基于多物理场仿真的盘式螺杆微注塑机动盘结构优化与实验验证

Optimization and Experimental Verification of Rotating Disc Structure of a Disc-Screw Microinjection Molding Machine Based on Multiphysics Simulation

摘要

盘式螺杆微注塑机的动盘决定其塑化性能，而动盘的结构设计往往依赖经验，缺少理论依据。文章建立动盘的多物理场耦合的有限元模型，分别对不同结构参数的动盘在相同工艺参数下进行仿真研究，以塑化性能为目标，获得优化的动盘结构，进而利用金属3D打印快速加工优化的新动盘进行实验验证。分别使用聚丙烯（PP）、聚乳酸（PLA）和高密度聚乙烯（HDPE）进行注塑质量重复精度实验、拉伸实验、热力学性能实验，并对实验结果进行分析，验证了新动盘具有更好的塑化性能。结果表明：多物理场仿真可以为盘式螺杆微注塑机的动盘结构优化设计提供定量分析依据，金属3D打印为动盘的快速开发提供了技术手段。

关键词

微注塑成型 / 塑化单元 / 优化设计 / 有限元仿真 / 实验验证

Key words

Microinjection molding / Plasticizing unit / Optimal design / Multiphysics simulation / Experimental validation

目前，注塑机在国内的应用范围较为广泛^[1]。随着注塑应用领域的扩展，注塑机逐渐向小型化、智能化^[2]发展。微注塑机的塑化单元主要包括螺杆柱塞式、螺杆式和柱塞式^[3]，但存在注塑效果差、加工效率低等缺点。盘式螺杆微注塑机是近年来产生的具有新型塑化单元结构的微型注塑机，体积小，节约材料，目前已在市场上销售^[4-5]。部分研究工作探讨了聚合物在扁平螺杆结构动盘内的熔体的运动状况以及其结构参数对材料塑化性能的影响，进行了聚合物材料在动盘中流动的仿真分析^[6-8]，构建了塑化单元流动模型^[9-12]。一些研究探讨了注塑工艺及结构对注塑产品性能的影响^[13-14]，通过优化模具的结构参数提升了产品塑化性能^[15-16]。近年来，郑州大学微纳成型国际联合研究中心与苏州康尼格电子科技股份有限公司围绕盘式螺杆微注塑机的塑化单元结构优化设计开展合作研究。本课题组在之前的工作中，对盘式螺杆微注塑机塑化性能的影响因素进行探讨，重新设计动盘结构，对新结构的仿真分析与计算，结果表明，相比于原动盘结构，新动盘结构的塑化性能得到了一定的提高^[17-18]，但尚未进行具体实验验证该仿真结果。

本研究以康尼格公司研发的KM1600微注塑机^[19]作为原型机，利用金属3D打印设备打印出新动盘，使用聚丙烯(PP)、聚乳酸(PLA)、高密度聚乙烯(HDPE)依次进行注塑制备样条，对这些样品分别进行质量重复精度实验、拉伸实验和热力学性能实验，并对实验结果进行统计分析，验证新动盘的塑化性能。

1 实验部分

1.1 动盘结构优化

在本课题组研究发现，优化动盘结构能够显著提升微注塑机的塑化性能^[17-18]。根据动盘关键结构参数对塑化性能的影响，综合考虑动盘的实际服役情况，设计动盘的优化结构。3D打印成品具有质量稳定、高强度、高精度和超长寿命的优点。本研究使用华曙高科FS271M作为3D打印设备，以FS316L不锈钢粉末作为3D打印材料，加工新动盘。图1为未抛光的3D打印动盘实物。

优化后的新动盘保持其结构中流道矩形截面形状和匝数不变，将流道宽度减小到原来的2/3，为增加1个流道留下了空间，将其改进为三流道结构的动盘。图2为抛光后原动盘和新动盘实物。

1.2 多物理场仿真

1.2.1 有限元模型

在COMSOL中对塑化单元进行建模，图3为塑化单元结构有限元模型。

1.2.2 边界条件设置

在COMSOL中，导入塑化单元的有限元模型，定义相关材料的物理参数。为了分析注塑机的盘式螺杆在旋转过程中高分子材料的相变，在软件中设置聚丙烯(PP)的固体态和熔融态两种聚合物的物理状态。盘式螺杆在实际进行塑化时，聚合物的黏度主要受到剪切速率和温度的影响。根据文献[20-21]，可利用COMSOL材料属性中的自定义函数功能来定义与温度有关联的物理量，例如密度、恒压下的热容量和导热系数。在注塑机进行塑化过程中，由于盘式螺杆内流道运动及其几何形状、高分子材料的相变和热传导等因素引起的阻力和摩擦，流动过程变得比较烦琐^[22]。为了方便数值计算，做出以下3个假设：高分子材料是流体；当设备温度达到高分子材料的熔融温度时，高分子材料已经完全转变为黏性流动状态；和熔体的压力比较，重力等体积力忽略不计。熔体在塑化单元内的流动可认为是可压缩流动，熔体的密度受温度的影响；聚合物流体的黏度受到剪切速率与温度的影响。

（1）速度场边界条件设置。

塑化装置在室温和标准大气压下工作。物料从进料口进入，被动盘旋转加热，从出料口挤出。流道的入口是直径为10 mm的圆孔，在有限元建模中简化为近似横截面尺寸的方孔。在实际的注塑加工过程中，注塑机的进料口处还起到储存材料的功能。考虑高分子材料重力与材料颗粒之间的相互挤压作用，把入口处的边界条件设定为压力边界条件，入口压力设定为100 kPa，并设置抑制回流。出口处的边界条件设定为零压力，同样设置抑制回流。根据微注塑机动盘式螺杆的实际工作状态，将转速设置为2 000 r/min，考虑到实际注塑过程中熔体的流动情况，把固定域与旋转域相交的界面边界条件设定为无滑移壁面，其余的壁面边界条件均设定为滑移边界，移动速度随机器的转速而变化。

（2）传热场边界条件设置。

将物理场的环境温度设定为20 ℃，动盘加热点温度设置为180 ℃。在塑化过程中，当聚合物从固体到熔融流动态变化时，聚合物的物理性质发生变化，相变被添加到传热物理场中。第一相为固体PP，第二相为熔融流动态PP，设置PP的相变温度为170 ℃，材料从固体状态到熔融状态的潜热设置为93 kJ/kg。在第一阶段和第二阶段的中间状态，根据第一阶段和第二阶段的比例，以密度、动黏度、恒压热容量和换热系数等物理性质作为中间值。整个单元的热流密度值设置为40 W/(m²·K)，模拟环境和单元中的金属零件的对流换热，其他与空气相接触的表面为隔热表面。

1.2.3 有限元网格划分

将有限元模型采用物理场控制的方法进行网格划分。为了提高细小结构处的网格划分质量，网格的精度选择为细化。图4为塑化单元有限元网格划分。从图4可以看出，对原模型划分得到的网格的单元数量为498 004，节点的数量为92 798。新模型划分得到的网格的单元数量为490 339，节点的数量为91 892。

1.2.4 耦合研究

在仿真研究中，由于温度场加热流动动力学时聚合物流体的黏度仍然很高，根据经验公式估计雷诺数为0.001。因此，选择层流研究，计算接口选为非等温流动、旋转机械和层流物理场，该接口中包含层流的接口和流体传热的接口。由于材料的密度、定压比热容、导热系数、动力黏度等物理量受温度的影响，因此把流动物理模型设定为弱可压缩型流动，即材料密度只受到温度的影响。多物理场耦合中的流体流动方程与传热方程为：

{\rho }_T ( u · \nabla u ) = - \nabla p + {\mu }_T \nabla u + F (1)

{\rho }_T C_{\mathrm{p}} u · \nabla T + \nabla · ( - k \nabla T ) = Q (2)

式(1)和式(2)中：ρ_T 为温度T时材料的密度，kg/m³；T为温度，K；u为速度，mm/s；p为压力，Pa；μ_T 为温度T时的膨胀黏度系数，取值为1；F为力，N；C _p为材料的定压比热容，J/(kg·K)；k为材料的导热系数，W/(m²·K)；Q为其他的外部热源，J。

耦合接口中流体的流动速度u是从层流物理场中产生，输入传热方程。物理场中的温度T从流体换热的物理场中产生，将其输入流体流动方程，实现流动物理场与传热物理场的双向耦合。微注塑机处于连续工作状态时，其加热温度和动盘转速等工艺参数已经到达稳定状态，因此选择稳态计算进行仿真模拟。

1.3 实验验证

1.3.1 主要原料

聚丙烯(PP)，T30S，中国石油天然气股份有限公司；聚乳酸(PLA)，2002D，美国Nature Works公司；高密度聚乙烯(LDPE)，1600J，中国石油化工股份有限公司。

1.3.2 仪器与设备

盘式螺杆微型注塑机，KM1600，苏州康尼格电子科技股份有限公司；电子天平，AUY120，日本岛津制作所；电子万能材料试验机，UTM2203，上海三实电器有限公司；差示扫描量热仪(DSC)，Q2000，美国TA公司。

1.3.3 加工模具建模

图5为样条模具结构。根据现有的注塑样条模图纸，如图5a所示，注塑样条厚度为1 mm，长度为16 mm。结合注塑机模具自身的结构，使用NX软件对结构进行三维建模，模型的形状如图5b所示。注塑样条实物照片如图5c所示。模具的两个顶针起到对注塑样条进行脱模的作用，将样条模具装载到微注塑机上之后，开展样条注塑实验。

1.3.4 实验设计

微注塑机分别装载两个动盘，依次对PP、PLA和HDPE进行注塑加工，并对注塑样条进行称重。每种聚合物取40个注塑样条，测量质量并记录，计算不同动盘结构注塑样条质量的可重复性。然后，选取每种聚合物的5个样品进行拉伸实验，测试注塑样条的力学性能并记录数据，对每种聚合物制备的样品条的热力学性能进行实验研究。

2 结果及讨论

2.1 有限元仿真结果

采用COMSOL Multiphysics有限元仿真软件，分别对相同工艺参数的两个动盘进行仿真计算。图6~图10分别为原动盘和新动盘的流动速度分布、流体压力分布、流体相变分布、流体剪切速率分布、流体动力黏度分布对比。

从图6可以看出，在相同工艺参数的模拟下，新动盘的最大总流速为5.5 mm/s，略低于原动盘的5.74 mm/s。新动盘的进料出口速度为3.595 mm/s，远高于原动盘的1.5 mm/s，注射出口速度远高于原动盘的出料速度。

从图7可以看出，新动盘中流体的压力分布更加均匀，这样动盘能够有效地对各阶段的物料施加压力。

从图8可以看出，新动盘中材料的相变比原动盘中的材料更流畅。

从图9可以看出，新动盘中流体的最大剪切速率为7.92 s^-1。新动盘中较高的流体剪切速率大多分布在入口和出口处，出口部分的高剪切速率呈现出片状的分布状态，这样能够显著降低物料在出口地方的动态黏度值。

结合图9中的剪切速率，从图10可以看出，新动盘中高剪切速率的分布导致螺杆入口和流道中物料的动态黏度下降。从模拟结果可以看出，流道宽度的减小使压力分布更加均匀，出口转速也明显提高，从而降低物料在出口的动态黏度。优化后的结构在出口流量、压力分布、剪切速率和动态黏度等方面均表现良好，具有良好的塑化性能。

2.2 实验结果

2.2.1 注塑质量重复精度

使用注塑机生产PP、PLA和HDPE 3种材料各40个注塑样条，测量其质量并记录，利用统计方法对结果进行整理和注塑质量可重复性评价。方法主要为极差算法和标准差算法，计算公式为：

p_{{}_{\mathrm{R}}} = \frac{G_{\mathrm{m}\mathrm{a}\mathrm{x}}-G_{\mathrm{m}\mathrm{i}\mathrm{n}}}{\overline{G}} \times \mathrm{100} \mathrm{\%} (3)

p_{\mathrm{\sigma }} = \frac{\sqrt[]{\frac{\mathrm{1}}{n-\mathrm{1}}{\sum }_{i=\mathrm{1}}^n(G_i{-\overline{G})}^{\mathrm{2}}}}{\overline{G}} \times \mathrm{100} \mathrm{\%} (4)

式(3)和式(4)中：p _R与p _σ用来评价注塑样条质量重复精度，其中 p_{{}_{\mathrm{R}}}为极差，%，p _σ为标准差，%；n为注塑样条的总数量；G _max为样条质量的最大值，g；G _min为样条质量的最小值，g； \overline{G}为样条质量平均值，g；G_i 为第i次注塑样条的质量，g。

根据注塑样品质量重复精度计算式(3)和式(4)对两个动盘分别注塑的样条进行计算，表1为注塑质量重复精度对比。

从表1可以看出，相比原动盘，优化后的新动盘注塑成型的3种样条制品，样条质量的极差算法结果和标准差算法结果均在不同程度上降低，新动盘对注塑质量重复精度的控制要优于原动盘。

2.2.2 拉伸性能实验

选取两次注塑的PP、PLA和HDPE试样各5个，进行拉伸实验测试，并对应力-应变数据进行分析，图11为注塑样品应力-应变对比。从图11可以看出，在加载速率不超过0.5 mm/s的注塑样品样拉伸实验中，PP材料的平均抗拉强度从29.75 MPa增加至32.49 MPa，PLA材料的平均抗拉强度从43.63 MPa增加至47.30 MPa，HDPE材料的平均抗拉强度从23.00 MPa增加至29.16 MPa。优化后新动盘注塑样品的抗拉强度与原动盘相比均有不同程度的提高。这是由于新动盘塑化能力增强，使聚合物熔体充分混合剪切，从而提高注塑样品的质量重复性精度和力学性能。

2.2.3 热力学性能实验

抽取两次生产的PP、PLA和HDPE样品进行DSC测试。为准确起见，取第二次升温曲线(如图12所示)，计算样品的熔融焓(如表2所示)。

从表2可以看出，使用原动盘注塑PP、PLA和HDPE的熔融焓分别为87.13、47.53、164.3 J/g。新动盘注塑PP、PLA和HDPE的熔融焓分别为97.23、51.73、170.3 J/g。优化后的样品熔体峰曲线较低，吸收热量多，耐热性好。经过优化后的新动盘注塑的3种样品的热力学性能均较原动盘有所提高。

3 结论

通过利用多物理场建模仿真软件COMSOL对盘式螺杆微注塑机的塑化单元进行优化，得到优化后的动盘结构。在相同的工艺参数下，分别对初始和优化后的两个动盘塑化性能进行模拟计算。仿真结果表明，与原动盘相比，优化后的动盘的塑化能力有所提高。使用金属3D打印制备结构优化后的动盘，对采用PP、PLA和HDPE 3种树脂的两个动盘加工的样品产品进行质量重复精度实验、拉伸实验和热力学性能实验。实验结果表明，与原动盘相比，新动盘注塑的3种材料质量重复性、拉伸强度和热机械性能均有不同程度的提高。以上结果验证了利用多物理场建模仿真优化设计盘式微注塑机动盘结构的可行性，为动盘结构的优化设计提供依据。

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