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常州大学本科生毕业设计（论文）外文翻译第1页共24页学号：09436230常州大学毕业设计（论文）外文翻译（2009届）外文题目译文题目外文出处学生学院机械工程学院专业班级材料成型与控制工程092校内指导教师李晓艳专业技术职务讲师校外指导老师（宋体四号粗体）专业技术职务（宋体四号粗体）常州大学本科生毕业设计（论文）外文翻译第2页共24页二○一三年二月关于在动力学热处理系统下注射成型过程中的显微结构制模质量的研究SaschaKuhn•AugustBurr•MichaelKu¨bler•MatthiasDeckert•ChristophBleesenReceived:15January2010/Accepted:17May2010/Publishedonline:30May2010Springer-Verlag2010摘要：注射模具的显微结构是一种具有发展前景的生产方法，这种方法适用于广泛材料的大规模生产。然而值得注意的是，这些结构重复生产的质量依赖于灌浆阶段的热流动。这篇论文中，5微米以下的骨架型和其他结构的注射以及加热的转移是在AFM（原子显微力）和热理论的基础上研究所得。一种数字模型得以研发，这种模型用来预测在注射填料阶段表面结构的填充。这种模型的使用，暗示着完全发展的流动理论模型已经将幂律材料模型纳入考虑之中。这就允许研究深入到另一个层面，这个层面是关于加工过程中的参数是通过那些途径来影响聚合物在表面结构上的流动。模具壁的温度，显著的影响了聚合物的流动。通过使用一种电子热模型温度控制系统来改变模具壁的温度，使得这种关于这种模型的建议有效。1介绍热塑性材料的注射成型，在很多不同领域，低成本部件的生产中是很普遍的。近年来，含有显微结构的聚合物部件的生产呈现出增长的态势。具有高复杂度的微型流动设备，能够大规模的生产，并且具有高精度和再生性，这种设备广泛运用于，例如医疗，化学，生物等。未来官能度在表面和范围的包含物不仅仅是流体系统的一项关键性技术，也是许多微型系统的技术和其他消费产品的普遍应用。此领域的进一步增长是关于微型结构的使用对表面性能的影响。一些来自于自然的例子，例如莲花的自净表面（NosonovskyandBhushan2008;Kimetal.2008;Leeetal.2007;Leeetal.2006），蛾无反射的眼角膜，以及蛙鱼外表的鱼鳞和鲨鱼的表层皮肤相关的摩擦学和水利学。除此之外，通过修正他们表面的形态来改变其表面性能，在这个案例中是极为有意义的，这也正是皮毛所不具备的特性。举个例子，这些常发生于医疗科技领域，在这些领域其有效程度能够通过改变其表面湿度的性能而得到显著提高。对于机械和物理的一个更为基础的理解正潜在的填补着注射成型过程结构中的不足，尽管其使用数量正在增加，但是它才刚刚开始起步。因此，一些作者已经陈述了他们在使用不同表面结构后的实验结果（Huang2007;Gibozetal.2007;YaoandKim2002;MosaddeghandAngstadt2008;Pranovetal.2006;Xuetal.2005;Mo¨nkko¨nenetal.2002）。他们中的一些也通过改变微小范围内的因素，像模具壁的造型涂料和模具表面的粗糙度，从而得出结论，并将结论和实验结果进行比对。在此论文中，数据模型是用来研究模具壁的显微结构，在注射成型循环过程中的常州大学本科生毕业设计（论文）外文翻译第3页共24页注射情况。在此模型中，聚合物在表面结构和主形腔内的流动，被视为分离的单独部分。如果在表面结构的流动容积和在主型腔内流动的容积相比较，显得微不足道的情况下，那么次假设是正确的。它使得研究深入到，加工参数，型腔几何形状以及材料性能参数，是如何影响聚合物在表面结构上的流动这一问题上。这种模型意味着具有简单几何图形的型腔使用。在注射模成型的一般过程中，从聚合物融溶体传递到到模具壁的热，由于较短的注射时间可能会被忽略。然而，在注射阶段局部的热流动，对于在表面结构上流动的聚合物具有很高的影响，并且为尺寸精度热传导模型所考虑。聚合物融溶体在表面结构上的凝固，明显的取决于模具壁上所选择的温度，以及所使用的非结晶态材料的玻璃态临界温度。因此，为了成型具有较高质量的表面结构，相对较高的模具壁温是必不可少的，它会导致冷却时间的延长。相比较而言，具有较低表面质量的部件，就容许模具壁温的降低。由于较高的温度梯度出现在注射和冷却阶段，所以冷却时间也是得以明显地减少。在变温注射模型中，模具壁的温度根据制造生产的循环而自动改变。并不像在标准的加工过程中，它在注射阶段的认识以到提高。在注射阶段完成之后，模具壁的温度被降至足以维持一个短暂循环时间的程度。为了能够得到最好的注射表面面结构，在注射阶段的模具温度，应该高于聚合物软化的温度，用来避免任何在注射阶段的凝固塑化。然而，如果模具壁的温度达到或者甚至是超过非结晶体的玻璃态温度，以及微晶的融溶温度，那么部件就会粘附在表面上。除此之外，表面结构的成形性，会随着结构高度的增长，以及结构壁的陡峭程度而降低。更进一步来讲，这些部件的经济生产取决于模具壁所选择的温度，以及温度系统所使用的动力和温度容量。因此，针对关于复制品表面结构的质量，以及可能的最短循环时间的折中方案，显得尤为重要和必须。由于这些限制性因素，所以提前预测塑料制品，表面结构的理想重复生产质量显得尤为重要。因此，本篇论文研究的是，特定的材料在传统的和变温的注射循环过程中，不同表面结构的注射特性。此模型的最终结果，将和已被AFM所记载的，成型表面结构的局部数据做对比。塑化冷却时间，模腔内的型腔几何形状以及表面结构的位置，也被考虑在内。AFM关于在主型腔的不同注射程度的理论，会和特定计算量，在表面结构上流动的聚合物的实验结果相比较，这一过程发生在使关于模具的一些提议更为有效的注射阶段。2实验此篇论文是关于在使用不同热塑性材料时，注射模常用部件中的大型或微型结构常州大学本科生毕业设计（论文）外文翻译第4页共24页的研究。首先，结构的背面必须紧贴在模具壁表面上。微型系统技术的使用，使得将要成型的结构适用于模具壁，而且它既不会增加也不会减少加工的过程。对于模具壁的结构造型，多运用几道工序也是极为寻常的事。举个例子，在LGA（用于制造CD和DVD）的加工过程中，结构的背面，在它通过电解沉淀在乙酸镍金属条上被复制生产之前，会额外使用一种平板印刷术的加工过程。更多的细节可查看despaetal.1999。本文中，不同模具壁的结构适用于现存确定的模具上。因此，硅的衬底被用于，具有骨架显微结构的模具壁上。它们在干胶片上通过各向异性的腐蚀加工制造而得。在定向的干胶片上，光刻掩模用来腐蚀具有骨架型和锥形坑特征的结构。锥形坑的顶层边缘，有序的垂直或平行于主平面的方向。另外一种模型结构，经过分析它的组成为，添加了含有钛乙酸氮TiAlN或者是钛的氧化物TiO2的铁，这种技术是基于一种电抗性的磁控管溅镀技术。通过添加一种电抗性气体在沉淀物底层，例如氮气，圆柱管的直径从100nm长到300nm。在图片14a中AFM的局部记载数据表明了，翻光面表面结构的出现，是由于给定的镶面是TiAlN的正六面体晶体结构。另外一种，具有较高的纵横比可以通过四边形的晶体组织来获得，正如在TiO2中存在的结构一样。通过表面结构成型和主要结构的比较，用来判断其重复生产的质量。因此，表面结构的特性被AFM中的BrukerNano做了特性描写。为了测量此结构，运用了一种较先进的悬臂梁，由于压电陶瓷执行机构的劳损轨迹是非线性的，检测器被用来测量其表面数据。表面数据通过AFM在模具部件的不同局部测量，以此检测其制模质量。所要求的制模质量取决于使用情况，举个例子，有些情况需要其在整个较大的表面上都有较均匀的质量，有的是需要精确的模具结构，内置结构的描述和加热冷却系统结合在一起。温控系统的最小温度调节范围，需要考略在变温注射过程中，局部产品的经济效益。实验在一50t的水压注射机上进行。在变温注射加工过程中，通过对机器程序的编入导出，运用加热冷却系统来控制模具壁的温度。此次研究的材料为来自Bayer的聚碳酸脂（PCDP1265-1），来自evonik的聚甲基丙烯酸甲酯（PMMADP1265-1），以及来自Hoechst的聚丙烯（PPHostalenPPN-1060）。前面提到的两种材料为非定形的热塑性材料，后面的一个为半晶状的热塑性材料。聚碳酸脂和聚甲基丙烯酸甲酯有不同的玻璃态临界温度，但是聚甲基丙烯酸甲酯7N和8N的不同之处在于他们的分子量。这表明具有较长分子链的分子，在相互滑移的过程中更为困难，因此需要较高的模具壁温，以便填充结构表面。通过对在显微测量范围之内的，分支管道结构的测量，材料的性能影响制摸质量的提高。从这一方面来看，我们的目的是为所需材料提高加工的工艺过程，而不是选择最适合制模质量的模具材料。3表面结构注射的建议模具在注射阶段，在高温下融溶的热塑性模具材料，被注射进入模具壁温度相对持续稳定的需型腔之内，其温度明显的低于玻璃态临界温度或是模具材料的晶体熔融温度。在模具注射循环过程中，一个不同于注射熔融温度和模具壁温的适当温度，可以常州大学本科生毕业设计（论文）外文翻译第5页共24页通过观察模具壁上的热起伏得出。在保压阶段，热量的转移对于显微结构的精度制造来说，是一个最为重要的且易发生变化的过程。近年来，很多研究是针对在注射成型的过程中，注射结构的效果，这些研究多建立在较大表面上，测微计的测量范围之内这一前提之上。一些作者表明，在传统模具注射的过程中，显微结构的制模质量，取决于几个加工参数，而为考虑在这种结构中的加工习惯。其他人提议，这些结构的注射发生在注射阶段，相反的是其他论文表明这些结构的注射，是发生在保压阶段。在本论文中，研究了不同结构的注射以及材料，以便描述在保压阶段的注射特性习惯。第一个实验表明，制模表面结构的质量，强烈的取决于所使用的材料，所要成型的分支管道的大小w*struct以及，型腔的几何参数，和加工参数例如:模具壁温θW，熔融温度θm或者是注射速度。关于模具壁上较小的表面结构，或者是注射材料较高的粘度，注射结构的主要部分发生在保压阶段。由于显微结构的尺寸较小，流体的研究以两个不同的等级展开，这意味着较大尺寸的模腔（图片1位置S）注射以及表面结构的模腔注射，是相互独立的进行研究的。不同的注射成型过程以及快速的注射，已经表明微型和纳米级的尺寸，在表面结构的方向和流动方向比较起来，是可以忽略不计的。因从，温度的分布θs（t，z）和在位置S(xS,yS,tS)处的压力PS(t)被传递到模具壁的结构上，以此作为对局部边缘情况的描绘（图片2）。3.1模腔和边界情况表面结构的注射，是通过压力轮廓线Ps（t）和温度轮廓线θs（t，z），在注射循环过程中，模腔内的位置Xs和Ys来计算得出的。将压力和温度曲线纳入考虑之中，就可以显而易见的得出，表面结构的注射特性不仅仅只受加工参数的影响，模腔的几何形状和尺寸也决定这表面结构的制模质量。常州大学本科生毕业设计（论文）外文翻译第6页共24页图1关于在特定位置S处型腔内流体前端注射模腔的快照图2模腔内局部位置S（Xy，Ys）处的温度和压力较大模腔（图片1）内的压力Ps（t）和温度θs（t，z）可以通过三围量纲有限性元素模型（FEM）来计算。如果这个模型工具已然存在，那么温度和压力的曲线也可以通过压力或者是温度传感器来测量。然而在本文中，为了分析最为主要的影响参数，对于简单几何形状的模腔来说，简单的分析模型已然足够。更进一步来说，分析模型使结果更快的得知，对于物理参数之间相互影响以及导致制模质量的因素有更好的理解。注射过程在点S处时间ts时流体前端刚接触时开始，在冷却塑化时结束tfreeze。冷却的时间取决于浇道的厚度hgate（见图片1）。如果制件的浇道还未设计，可以假常州大学本科生毕业设计（论文）外文翻译第7页共24页设浇道的厚度大约为制件厚度的2/3，这个尺寸足以使用。如果流体的中心在浇道内部完全塑化冷却，就不会有更多的熔融体流入