一种用于微注塑过程的聚合物熔体压力监测系统技术方案

本发明专利技术涉及一种用于微注塑过程的聚合物熔体压力监测系统，由流动模块、摄像模块和数据处理模块组成；所述流动模块包括材质为透明钢化玻璃的底板和盖板，所述底板上开设有一个储料腔、一个扇形浇口、一个主微流道和一个辅微流道，所述储料腔、扇形浇口和主微流道依次连通，所述辅微流道与主微流道相互垂直并连通，两者的交汇点为压力监测点；本发明专利技术系统工作时，由摄像模块中的高速摄像机记录主、辅微流道内聚合物熔体前沿的运动状态，经过计算机分析处理后获得随时间变化的流动长度函数，接着根据熔体的流动长度与流道几何参数由流体力学知识推导微流道内聚合物熔体的压力曲线，从而实现监测微注塑过程中注射阶段和保压阶段聚合物熔体压力的目的。

【技术实现步骤摘要】
一种用于微注塑过程的聚合物熔体压力监测系统
本专利技术涉及一种压力监测系统，具体涉及一种用于微注塑过程的聚合物熔体压力监测系统。
技术介绍
随着微机电系统(MEMS)的迅速发展，作为微纳制造领域重要组成部分的聚合物微纳成型技术的作用变得日益重要。凭借成本低、生产率高以及生物兼容性好等诸多优势，近年来聚合物微纳成型技术，尤其是微注塑成型技术，已被广泛用于生产制造众多种类的聚合物微纳器件。产品微型化趋势的日益增强，不仅对聚合物微纳制品的尺寸精度提出了更为严格的要求，而且对其各项性能指标也提出了更高的要求。众所周知，模腔压力曲线已成为识别注塑成型制品质量的“指纹”，即对注塑过程中模腔内熔体的压力进行监测能起到了解整个注塑过程，并对该过程作出适当调控的作用。因此，为保证微注塑制品的质量要求，必须对微注塑过程中聚合物熔体的压力状况进行实时在线监控。用于注塑成型的传统压力传感器一般采用嵌入形式，即在模腔一侧的内壁上开设安装孔，然后将传感器嵌入安装于所开安装孔内。当熔体接触到传感器前端面时，传感器产生一个与压力相对应的电信号，然后再经数据处理后还原成模腔内的压力信息。上述方法对于普通注塑过程而言已具备准确的测量精度及广泛的应用。然而，模腔内开孔破坏了模腔的完整性和密封性，在高压环境中很容易损坏并产生泄漏现象。此外，嵌入式压力传感器还存在如下缺陷：(1)当被测量流体为化学溶剂时，会腐蚀破坏嵌于流道壁面的传感器材料，甚至会与其发生化学反应；(2)压力传感器安装时可能在流体流动路径上产生凹坑或者突起，会对流体的流道产生影响，并且不便于流道的清洗等操作；(3)更为关键的是，受目前技术条件限制，传统嵌入式传感器前端直径不能设计的太小(比如著名传感器制造商Kistler公司目前所能提供的熔体压力传感器最小直径为1mm)，因此无法应用于流道尺寸通常仅为几十到几百微米范围内的微注塑成型过程中。综上所述，为满足目前微注塑成型技术发展中对微流道内熔体压力的精确测量要求，该领域急需一种新型压力监测系统及方法。
技术实现思路
本专利技术的目的是提供一种用于微注塑过程的聚合物熔体压力监测系统，以满足当前微注塑成型技术发展中对微流道内熔体压力的精确测量要求。为实现上述目的，本专利技术采取以下技术解决方案：本专利技术提供的一种用于微注塑过程的聚合物熔体压力监测系统包含流动模块，所述流动模块包括材质为透明钢化玻璃的底板和盖板；所述底板的其中一面开设有一个储料腔、一个扇形浇口、一个主微流道和一个辅微流道；所述储料腔、扇形浇口和主微流道依次连通，所述辅微流道与主微流道相互垂直并连通，两者的交汇点为压力监测点；所述盖板上开设有一个贯穿的锥形浇注通道，所述浇注通道的大端直径等于底板上储料腔的直径；所述底板和盖板装配后，浇注通道的大端与储料腔同轴连通。所述主微流道和辅微流道的截面均为矩形；所述主微流道的截面宽度为W1，深度为H1，且满足以下取值范围：200μm≤W1≤1000μm，200μm≤H1≤1000μm；所述辅微流道的宽度为W2，深度为H2，且分别满足以下条件：0.1W1≤W2≤0.25W1，0.1H1≤H2≤0.25H1；所述主微流道的长度为L，所述辅微流道与主微流道根部的距离为X，且满足：0≤X≤L。所述一种用于微注塑过程的聚合物熔体压力监测系统包括摄像模块，所述摄像模块包含高速摄像机和光源，所述高速摄像机通过适当结构(图中未标示)固定于盖板外侧，所述光源通过适当结构(图中未标示)固定于底板外侧。所述一种用于微注塑过程的聚合物熔体压力监测系统还包括数据处理模块，所述数据处理模块包含数据线缆和计算机。所述一种用于微注塑过程的聚合物熔体压力监测系统工作前，开启光源与高速摄像机，并将高速摄像机与计算机连接好，做好拍摄准备；同时，将流动模块加热到与聚合物熔体相同的温度；注射阶段，聚合物熔体流经所述盖板上的浇注通道进入储料腔，接着流经所述扇形浇口进入主微流道，由于所述主微流道的横截面远大于辅微流道的横截面，聚合物熔体在主微流道内的流动阻力远小于在辅微流道内的流动阻力，因此当聚合物熔体到达辅微流道入口时并不会流入辅微流道，此时经所述光源照亮的主微流道内聚合物熔体的前沿运动状态由高速摄像机拍摄并记录下来；当聚合物熔体填满主微流道后，主微流道内的聚合物熔体进入保压阶段，压力急剧升高，足以推动聚合物熔体在辅微流道内流动，此时经所述光源照亮的辅微流道内聚合物熔体的前沿运动状态由高速摄像机拍摄并记录下来。所述高速摄像机记录下的主微流道内的聚合物熔体前沿和辅微流道内的聚合物熔体前沿的运动状态经过计算机分析处理后，分别获得随时间t变化的流动长度S1和S2；根据流体力学知识，微流道中压力流的驱动压力P为：式中Q为流体流量，μ为流体黏度，S为流动长度，dH为微流道的水力直径。设矩形截面微流道的截面宽度为W，深度为H，则Q＝WH(dS/dt)，dH＝2WH/(W+H)，因此，(1)式可变为：其中黏度μ可表示为：式中μ0为材料的零剪切黏度，温度一定时为常数；n为非牛顿指数，τ*为临界剪切应力，材料一定时均为常数；为剪切速率，对于深度为H的矩形截面流道，的平均值为2(dS/dt)/H，因此(3)式可变为：将(4)式代入(2)式可得：将S＝S1-X(S1≥X)、W＝W1和H＝H1代入(5)式，可获得注射阶段监测点处聚合物熔体的压力曲线P(t)，将S＝S2、W＝W2和H＝H2代入(5)式，可获得保压阶段监测点处聚合物熔体的压力曲线P(t)，从而达到整个微注塑过程中监控监测点压力的目的；只需改变所述辅微流道与主微流道根部的距离X，便可监测主微流道任意长度位置的压力。本专利技术具有实质新颖性，主要特色在于：突破了传统嵌入式传感器的思路束缚，利用微注塑过程中熔体本身的流动特性，实现尺寸仅为几十到几百微米范围内的微流道内聚合物熔体压力的在线监测。附图说明图1是本专利技术的功能结构图。图2是本专利技术中盖板的三维视图。图3是本专利技术中底板的三维视图。图4是图3中I区域的局部放大视图。图5是主微流道截面的放大视图。图6是辅微流道截面的放大视图。图7是主微流道注射阶段的聚合物熔体填充情况图。图8是主微流道保压阶段的聚合物熔体填充情况图。图中：10-高速摄像机；20-盖板；30-底板；40-光源；50-数据线缆；60-计算机；70-聚合物熔体；201-浇注通道；301-储料腔；302-扇形浇口；303-主微流道；304-辅微流道。具体实施方式下面结合附图和实施例对本专利技术作进一步说明，但本专利技术要求保护的范围本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种用于微注塑过程的聚合物熔体压力监测系统，其特征在于：包含流动模块，所述流动模块包括材质为透明钢化玻璃的底板和盖板；所述底板的其中一面开设有一个储料腔、一个扇形浇口、一个主微流道和一个辅微流道；所述储料腔、扇形浇口和主微流道依次连通，所述辅微流道与主微流道相互垂直并连通，两者的交汇点为压力监测点；所述盖板上开设有一个贯穿的锥形浇注通道，所述浇注通道的大端直径等于底板上储料腔的直径；所述底板和盖板装配后，浇注通道的大端与储料腔同轴连通。

【技术特征摘要】
1.一种用于微注塑过程的聚合物熔体压力监测系统，其特征在于：包含流动模块，所述流动模块包括材质为透明钢化玻璃的底板和盖板；所述底板的其中一面开设有一个储料腔、一个扇形浇口、一个主微流道和一个辅微流道；所述储料腔、扇形浇口和主微流道依次连通，所述辅微流道与主微流道相互垂直并连通，两者的交汇点为压力监测点；所述盖板上开设有一个贯穿的锥形浇注通道，所述浇注通道的大端直径等于底板上储料腔的直径；所述底板和盖板装配后，浇注通道的大端与储料腔同轴连通；包括摄像模块，所述摄像模块包含高速摄像机和光源，所述高速摄像机通过适当结构固定于盖板外侧，所述光源通过适当结构固定于底板外侧；还包括数据处理模块，所述数据处理模块包含数据线缆和计算机。2.根据权利要求1所述的一种用于微注塑过程的聚合物熔体压力监测系统，其特征在于：所述主微流道和辅微流道的截面均为矩形；所述主微流道的截面宽度为W1，深度为H1，且...

【专利技术属性】
技术研发人员：杨灿，尹晓红，李熹平，阚君武，程光明，
申请(专利权)人：浙江师范大学，
类型：发明
国别省市：浙江;33