聚合物成型的案例
基于DEFORM的聚合物熱壓印成型工藝 ￥10
1 引言
1.1問題描述：聚合物熱壓印工藝中聚合物向模具型腔填充的過程相對來說比較復雜，填充率與模具占空比、模具型腔深寬比、型腔尺寸、型腔結構類型等因素有關。DEFORM軟件作為一款優秀的金屬成型和熱處理軟件，也被廣泛應用于非金屬材料成型，如聚合物材料成型。這是由于不論在金屬成型還是聚合物成型中，DEFORM軟件在材料成型計算過程中，能夠對局部變形劇烈部位進行自動網格重新細化剖分，這一點對于許多大變形案例數值模擬特別重要。
1.2分析類型：聚合物熱壓印成型工藝中的填充過程
分析軟件：DEFORM 2D，SFTC
1.3技術難點：聚合物材料模型的建立和接觸對的設置
1.4聚合物材料：聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）
1.5熱壓印模型：
1.6結果展示：
2建模
2.1 在AutoCAD里面建模，如圖2-1所示
展開 Moldex3D模流分析金屬脫蠟精密鑄造之反應射出成型分析
預測流動波前和RIM產出的實驗結果之間的比較
顯示充填結束反應射出成型保險桿的固化程度
挑戰
• 塑件及模具設計驗證和優化，達到降低生產成本和設計周期縮減
• 制程優化，增加塑件質量和產品競爭力
Moldex3D 解決方案
• 完整的仿真模塊包含模穴充填、固化、翹曲變形、纖維排向、多材質成型和其他高階結構分析接口
• 提供流動波前、縫合線、包封位置、轉化率、速度向量和轉移壓力結果重要信息
• 預測翹曲行為，并將熱固性塑料受壓力、溫度、交聯反應所造成的體積變化(Pressure-Volume-Temperature-Curing, PVTC)和不同材質之熱膨脹系數差異(CTE-mismatch)列入考慮
• 將模具溫度分布可視化，進而優化模具加熱系統
• 針對橡膠聚合物成型或是RIM成型PU材料，計算Scorch指數以偵測潛在的早期固化問題
展開 Moldex3D模流分析之反應射出成型解決方案
預測流動波前和RIM產出的實驗結果之間的比較
顯示充填結束反應射出成型保險桿的固化程度
挑戰
塑件及模具設計驗證和優化，達到降低生產成本和設計周期縮減
制程優化，增加塑件質量和產品競爭力
Moldex3D 解決方案
完整的仿真模塊包含模穴充填、固化、翹曲變形、纖維排向、多材質成型和其他高階結構分析接口
提供流動波前、縫合線、包封位置、轉化率、速度向量和轉移壓力結果重要信息
預測翹曲行為，并將熱固性塑料受壓力、溫度、交聯反應所造成的體積變化(Pressure-Volume-Temperature-Curing, PVTC)和不同材質之熱膨脹系數差異(CTE-mismatch)列入考慮
將模具溫度分布可視化，進而優化模具加熱系統
針對橡膠聚合物成型或是RIM成型PU材料，計算Scorch指數以偵測潛在的早期固化問題
展開 Moldex3D模流分析之為什么使用反應射出成型分析
反應射出成型分析(RIM)和傳統的射出成型的制程相似，但所使用的熱固性塑料特性回然不同。成型過程中，熱固性塑料的低黏度讓它很容易充填大型產品，再經過化學交聯后得到優異的機械性質。充填過程的化學硬化交聯反應造成塑料黏度劇烈變化、流體流動和模具熱傳之間的交互作用等因素，為制程控制和優化帶來更多不確定性。然而，熱固性塑料很難回收，潛在問題諸如毛邊、燒焦和冗長成型周期都構成RIM產品與制程開發的主要挑戰。
Moldex3D RIM模塊提供真實三維解決方案，其應用涵蓋分析各類熱固性材料，例如不飽和多元酯(unsaturated polyester)、聚氨酯(PU)、液態硅橡膠(liquid silicon rubber)及利用環氧樹脂(epoxy)的精密芯片封裝之射出成型。Moldex3D軟件可以仿真模穴充填、交聯固化、翹曲變形、纖維排向、多材質成型和其他客制化制程。
預測流動波前和RIM產出的實驗結果之間的比較
顯示充填結束反應射出成型保險桿的固化程度
挑戰
? 塑件及模具設計驗證和優化，達到降低生產成本和設計周期縮減
? 制程優化，增加塑件質量和產品競爭力
Moldex3D 解決方案
? 完整的仿真模塊包含模穴充填、固化、翹曲變形、纖維排向、多材質成型和其他高階結構分析接口
? 提供流動波前、縫合線、包封位置、轉化率、速度向量和轉移壓力結果重要信息
? 預測翹曲行為，并將熱固性塑料受壓力、溫度、交聯反應所造成的體積變化(Pressure-Volume-Temperature-Curing, PVTC)和不同材質之熱膨脹系數差異(CTE-mismatch)列入考慮
? 將模具溫度分布可視化，進而優化模具加熱系統
? 針對橡膠聚合物成型或是RIM成型PU材料，計算Scorch指數以偵測潛在的早期固化問題
展開 
COMSOL電場力誘導聚合物成型 ￥500
2013-田洪淼-Numerical Characterization of Electrohyd.pdf
聚合物微納米結構由于獨特的物理和化學功能而受到越來越多的關注，可以廣泛應用于微流控、有機光電子、生物檢測等方面。在聚合物微納米結構制造方法中，空間調制電場誘導聚合物流變成形技術由于在材料普適性、結構均勻性等方面的獨特優勢，獲得了學術界的關注。“空間調制電場誘導聚合物流變成形”工藝采用結構化導電模板與涂覆有聚合物薄膜的導電襯底作為對電極，形成誘導模板/空氣/聚合物/導電襯底的多層結構。電極對之間施加電壓后，因模板結構的調制，在空氣-聚合物界面處形成隨空間位置變化的電場。這種“空間調制電場”產生的 Maxwell 應力張量驅動聚合物朝向誘導模板運動，形成具有一定形貌或尺寸的聚合物微納米結構。
數值模擬：針對目前線性穩定分析方法在空間調制電場誘導聚合物流變成形方面的不適用性，本章兼顧微納米尺度效應，建立了基于電流體動力學的兩相流動力學模型，并從力學分析角度出發研究了聚合物在空間調制電場作用下的流動成形機理，探討了成形過程中電場與聚合物流場間的耦合關系，深入理解空間調制電場誘導聚合物流變成形的本質原因。
兩相流動力學模型 ：由于聚合物復形過程中誘導模板與導電襯底的固定性，聚合物誘導流變過程的動態演變可歸結于外加電場作用下聚合物氣液界面的動態追蹤，在此，采用兩相流模型描述氣液界面形貌的演變狀態。在描述空間調制電場誘導聚合物流變行為中，需要解決的關鍵問題為：（1）電場與流場的耦合，即電場如何對流場產生作用力，流場如何影響電場分布；（2）準確的追蹤氣液界面，即如何展現電場誘導聚合物流變成形的動態過程。
展開 基于COMSOL的空間調制電場誘導聚合物微納米結構成型
聚合物微納米結構由于獨特的物理和化學功能而受到越來越多的關注，可以廣泛應用于微流控、有機光電子、生物檢測等方面。在聚合物微納米結構制造方法中，空間調制電場誘導聚合物流變成形技術由于在材料普適性、結構均勻性等方面的獨特優勢，獲得了學術界的關注。“空間調制電場誘導聚合物流變成形”工藝采用結構化導電模板與涂覆有聚合物薄膜的導電襯底作為對電極，形成誘導模板/空氣/聚合物/導電襯底的多層結構。電極對之間施加電壓后，因模板結構的調制，在空氣-聚合物界面處形成隨空間位置變化的電場。這種“空間調制電場”產生的 Maxwell 應力張量驅動聚合物朝向誘導模板運動，形成具有一定形貌或尺寸的聚合物微納米結構。
數值模擬：針對目前線性穩定分析方法在空間調制電場誘導聚合物流變成形方面的不適用性，本章兼顧微納米尺度效應，建立了基于電流體動力學的兩相流動力學模型，并從力學分析角度出發研究了聚合物在空間調制電場作用下的流動成形機理，探討了成形過程中電場與聚合物流場間的耦合關系，深入理解空間調制電場誘導聚合物流變成形的本質原因。
兩相流動力學模型 ：由于聚合物復形過程中誘導模板與導電襯底的固定性，聚合物誘導流變過程的動態演變可歸結于外加電場作用下聚合物氣液界面的動態追蹤，在此，采用兩相流模型描述氣液界面形貌的演變狀態。在描述空間調制電場誘導聚合物流變行為中，需要解決的關鍵問題為：（1）電場與流場的耦合，即電場如何對流場產生作用力，流場如何影響電場分布；（2）準確的追蹤氣液界面，即如何展現電場誘導聚合物流變成形的動態過程。
展開 半結晶聚合物——聚甲醛POM的注射成型工藝
半結晶聚合物——聚甲醛POM的注射成型工藝
Moldex3D模流分析之RIM模塊提供真實三維解決方案
反應射出成型分析(RIM)和傳統的射出成型的制程相似，但所使用的熱固性塑料特性回然不同。成型過程中，熱固性塑料的低黏度讓它很容易充填大型產品，再經過化學交聯后得到優異的機械性質。充填過程的化學硬化交聯反應造成塑料黏度劇烈變化、流體流動和模具熱傳之間的交互作用等因素，為制程控制和優化帶來更多不確定性。然而，熱固性塑料很難回收，潛在問題諸如毛邊、燒焦和冗長成型周期都構成RIM產品與制程開發的主要挑戰。
Moldex3D RIM模塊提供真實三維解決方案，其應用涵蓋分析各類熱固性材料，例如不飽和多元酯(unsaturated polyester)、聚氨酯(PU)、液態硅橡膠(liquid silicon rubber)及利用環氧樹脂(epoxy)的精密芯片封裝之射出成型。Moldex3D軟件可以仿真模穴充填、交聯固化、翹曲變形、纖維排向、多材質成型和其他客制化制程。
預測流動波前和RIM產出的實驗結果之間的比較
顯示充填結束反應射出成型保險桿的固化程度
挑戰
? 塑件及模具設計驗證和優化，達到降低生產成本和設計周期縮減
? 制程優化，增加塑件質量和產品競爭力
Moldex3D 解決方案
? 完整的仿真模塊包含模穴充填、固化、翹曲變形、纖維排向、多材質成型和其他高階結構分析接口
? 提供流動波前、縫合線、包封位置、轉化率、速度向量和轉移壓力結果重要信息
? 預測翹曲行為，并將熱固性塑料受壓力、溫度、交聯反應所造成的體積變化(Pressure-Volume-Temperature-Curing, PVTC)和不同材質之熱膨脹系數差異(CTE-mismatch)列入考慮
? 將模具溫度分布可視化，進而優化模具加熱系統
? 針對橡膠聚合物成型或是RIM成型PU材料，計算Scorch指數以偵測潛在的早期固化問題
展開 共享幾個關于POLYFLOW的論文
《Polyflow軟件包在聚合物擠出成型中的應用》
《基于Polyflow的塑料異型材擠出模頭功能塊流道的設計》
《POLYFLOW軟件在擠出成型中的應用》
華南理工－POLYFLOW軟件在擠出成型中的應用.pdf
合肥工大－基于Polyflow的塑料異型材擠出模頭功能塊流道的設計.pdf
Polyflow軟件包在聚合物擠出成型中的應用.pdf
塑料的幾個特征溫度解釋
1）玻璃化溫度Tg：
指無定型聚合物（包括結晶型聚合物中的非結晶部分）由玻璃態向高彈態或者由后者向前者的轉變溫度。是無定型聚合物大分子鏈段自由運動的最低溫度，也是制品工作溫度的上限。
2）熔化溫度Tm：
對于結晶型聚合物，指大分子鏈結構的三維遠程有序態轉變為無序粘流態的溫度，也稱熔點。是結晶型聚合物成型加工溫度的下限。
3）流動溫度Tf：
指無定型聚合物由高彈態轉變為粘流態的溫度。是無定型塑料加工溫度的下限。
4）不流動溫度：
在一定的壓力下不發生流動的最高溫度。是將一定量的塑料加入毛細管流變儀口模上端的料筒中，加熱至某一溫度，恒溫10min后，施加50MPA恒壓，若該料不從口模中流出，卸壓后將料溫升高10度，保溫10min后再施加同樣大小的恒壓，如此繼續直至熔體從口模中流出為止，將此溫度減出10度即是該料的不流動溫度。
5）分解溫度Td：
指處于粘流態的聚合物當溫度進一步升高時，便會使分子鏈的降解加劇，升至使聚合物分子鏈明顯降解時的溫度為分解溫度。
展開 塑膠材料篇：聚合物的聚集態結構，對聚合物性能的影響
上篇介紹了高分子鏈結構對材料基本性能的影響，但由于聚合物是由許多高分子鏈聚集而成，有時即使相同鏈結構的同一種聚合物，在不同的加工成型條件下，也會產生不同的聚集態，所得制品的性能也會截然不同，因此聚合物的聚集態結構對聚合物材料使用性能的影響比高分子鏈結構更直接、更重要。
聚合物的聚集態指的是高分子鏈之間的排列和堆砌狀態，不同大分子鏈通過分子間的作用力聚集成為聚合物。
一、分子間的作用力類型：
其中，高分子鏈的形成主要靠主價力（化學鍵）；而高分子鏈聚集成聚合物主要靠次價力（分子間的力）。
1、范德華力：沒有方向性和飽和性。
其中，色散力存在于一切分子中，是范德華力最普遍的一種，在非極性分子中，分子間的作用力主要是色散力，如PE、PP、PS。
2、氫鍵：具有方向性和飽和性。
氫鍵的形成條件是一個電負性強、半徑小的原子X與氫原子H形成的共價鍵(X－H)，而這個氫原子又與另外一個電負性強、半徑小的原子Y以一種特殊的偶極作用結合成氫鍵(X－H···Y)。
氫鍵的形成可以是分子內，也可以是分子間。
分子間形成氫的高聚物有聚丙烯酸、聚酰胺等。
二、聚合物的聚集態結構
以上各種分子間的作用力共同其作用才使得相同或不同分子聚集成不同狀態的聚合物，此時的聚合物聚集態結構主要包括分為晶態結構、非晶態結構、液晶態結構和取向態結構。
1. 晶態結構（含晶區和非晶區）
2. 非晶態結構（長程無序，近程有序，均相，各向同性）
3. 液晶態（介于晶態和非晶態之間，物理狀態為液體，又具有晶體的有序性）
4.
展開 
圖解各項異性聚合物基復合材料標準化和非標準化力學試驗
聚合物基復合材料是由各種纖維和聚合物通過不同成型工藝組合而成的新型復合材料，其既保留了原組成材料的主要特點，又通過復合效應獲得原組成材料不具備的性能。其中纖維主要起增強作用，聚合物樹脂主要起連接纖維和傳遞載荷的作用，而纖維和聚合物樹脂的界面是連接的紐帶，也是載荷傳遞的橋梁，起著非常重要的作用。聚合物基復合材料的比剛度以及比強度較高，抗疲勞性能和耐腐蝕性能優異,且具有可設計性強、成型工藝簡單、過載時安全性能好等優點。目前聚合物基復合材料已廣泛應用于軍事、航空航天、汽車、船舶、電子、無人機、機械、醫療、建筑以及運動器材等領域。
復合材料力學性能測試是聚合物基復合材料產品研制與生產的重要組成部分，對其質量保證和產品驗證起著重要作用。隨著聚合物基復合材料的廣泛使用，其力學性能測試變得越來越重要。測試這些各向異性材料的主要挑戰之一是需要開發各種各樣的夾具，以提供在不同條件下測試材料的各種方法。國高材分析測試中心的工程師熟悉國際標準和一系列法規要求，并根據ISO和ASTM規范對復合材料進行表征。
單向拉伸試驗（定向）
（ASTM D638，ISO 527）
單軸張力中的應力（ζ）根據以下公式計算：
ζ=材料樣品的荷載/面積…………..（1）
應變（ε）根據以下公式計算：
ε=δl（長度變化）/l（初始長度）…………..（2）
曲線（E）的初始線性部分的斜率是楊氏模量，由下式給出：
E=（ζ2-ζ1）/（ε2-ε1）…………..（3）
復合材料的單軸拉伸試驗
三點彎曲試驗
（ASTM D790）
通過三點彎曲試驗可以了解復合材料和熱塑性3d打印材料的彎曲強度、彎曲應力和應變。
展開 共軛聚合物的多級組裝促發大面積加工聚合物單分子層晶體管
薄膜吸收光譜、AFM高度以及掠入射X射線散射證明了聚合物單分子層的厚度，且表明單分子層的形成具有寬的加工窗口。更為重要的是，該聚合物單分子層的形成與基底的性質關系較小，在具有不同接觸角的基底均可以沉積得到聚合物單分子層網絡。寬的加工窗口和弱的基底相關性非常有利于加工大面積和高均勻性的聚合物薄膜。
圖2 共軛聚合物聚集行為的調控與大面積加工聚合物單分子層：a，共軛聚合物的化學結構；b，混合溶劑調控下的聚合物溶液的吸收光譜；c，可晶圓級加工聚合物薄膜的提拉裝置；d，混合溶劑與提拉速度調控的聚合物薄膜形貌；e，不同提拉速度下聚合物薄膜的吸收光譜； f，不同提拉速度下聚合物薄膜的吸光度與厚度；g，4英寸晶圓級的聚合物單分子層薄膜。
圖3 薄膜晶體管器件：a，4英寸晶圓級薄膜晶體管實物圖與器件結構示意圖；b，晶體管轉移特性曲線；c，晶體管輸出特性曲線；d，晶體管開關穩定性測試；e，晶體管轉移特性曲線；f，單分子層與多分子層的電子遷移率比較；g，n型聚合物單分子層晶體管性能比較。
研究人員利用該聚合物組裝策略，在4英寸晶圓上加工了聚合物單分子層網絡，形貌、高度與器件性能均表現出了很好的均勻性（圖3）。基于聚合物單分子薄膜的場效應晶體管在空氣下表現出穩定的電子傳輸性能，在持續開關1500 s后仍保持基本不變。相比于傳統的旋涂薄膜（18 nm），聚合物單分子層（4 nm）保持了相似的電子傳輸性能，最高電子遷移率可達1.88 cm?2V?1s?1，是目前報道中聚合物單分子層最高的電子遷移率。隨后，他們結合了多種實驗手段觀測到了聚合物在稀溶液中的組裝結構，為一維蠕蟲狀結構。隨著濃度的提高，聚合物的組裝體逐漸生長為網絡狀結構。
展開 高分子“變形金剛”——拓撲結構可變的聚合物重新定義刺激響應型聚合物的未來
通過精細的設計，這類聚合物可以響應很多種外界信號諸如酸堿度，溫度，光，力，氧化還原試劑，電磁場等。近年來，高分子科學家對這類聚合物材料進行了廣泛深入的研究并證明了其在生命科學，納米科學，材料科學，環境保護等領域具有廣泛的應用前景。
傳統的刺激響應型高分子在外界刺激的作用下往往只會發生一些非常基礎的的改變，比如聚合物鏈構象，聚合物之間相互作用，或者聚合物與溶劑之間的相互作用（即溶解性）等。然而上述這些簡單的結構變化在很多情況下無法引起聚合物材料發生顯著的性質改變，因此可能無法滿足很多實際應用中的要求。為了進一步讓刺激響應型聚合物變得更加“聰明”，一批高分子化學家近幾年另辟蹊徑，開始嘗試研發一類新型的刺激響應型高分子，賦予它們在環境刺激下改變自身拓撲結構（Architecture）的能力。眾所周知，聚合物的拓撲結構包含線性，超支化，梳型，星型，環形等等。這些拓撲結構作為高分子的一個基礎卻重要的特征，無論對高分子的本體性質（例如熱性質）還是溶液性能（例如自組裝，粘度等）都有著非常重要的影響。因此，當大分子能夠像“變形金剛”一樣去改變自身拓撲結構時，它們的性質也會隨之發生顯著性的改變。
為了促進高分子學界對“拓撲結構可變高分子”（Architecture-Transformable Polymers）這類新型刺激響應型聚合物的思考，美國佛羅里達大學的Sumerlin教授團隊近期通過綜述的形式首次詳細地總結了該新興方向的研究進展。首先，他們根據合成方法學，系統地歸納了拓撲結構可變高分子的兩大分支：可逆共價鍵化學以及超分子化學（圖一）。前者將刺激響應型可逆共價鍵引入到高分子的支化點(即主鏈與支鏈的連接點)，并通過施加響應來打斷并重組支化點，從而實現聚合物拓撲結構的轉變。迄今為止，一系類刺激響應型共價鍵已經被成功應用于拓撲結構可變高分子的合成過程中（圖二）。
展開 ANSYS POLYFLOW在擠出工藝中的應用
擠出成型是聚合物、玻璃及食品加工連續性生產工藝的重要方法。由于聚合物在拉伸和擠壓過程中表現出復雜的粘彈性行為，因此熔體在模具中和自由端的流動行為非常復雜。
