Modelling of the micro injection molding process

Numerical simulation for injection molding has been developed and accepted by the processing industry to improve productivity, part quality and to shorten start-up times. In the particular case of micro injection molding, numerical simulation is all the more crucial since processors deal with much more basic problems than in the case of classical injection molding. Due to the small part dimensions prevailing in micro molding, it is not uncommon to be faced with the total incapacity to achieve complete filling of the micro cavity or to eject the solid part. This entails solutions such as changing the processing parameters, trying another material, modifying the mold inserts, or even making a new mold insert, when the trial-molding has resulted in irreversible insert damage, needless to say how expensive and time-consuming this trial-and-error process can be. There is, therefore, considerable need for reliable numerical simulation tools dedicated to micro injection molding. Commercial simulation packages are based on a usually legitimate approximation, when dealing with traditional injection molding, which consists in disregarding a dimension in front of the other two. Indeed, they fail to capture important aspects of injection mold filling, such as edge effects through narrow channels, transverse flow in corners, transverse flow at changes in mold thickness unless there are appropriate boundary conditions in these zones. Of course, these effects are more significant for small parts than for conventional ones. This paper aims to investigate the flow behaviour of polymer melt in micro mold cavities and determine the necessary strategies to adapt the traditional injection molding process for the replication of polymeric microstructures. First, the direct application of the injection molding process has been analyzed using the conventional simulation software Moldlfow® Plastic Insight. Different combinations of process parameters have been simulated to investigate the flow behaviour of polymer melt, the relationship between process parameters and the quality of molded microstructures. Using these results, the most significant parameters can be identified and possible processing strategies can be proposed and simulated to test feasibility. Constitutive material models and conservation equations implemented in conventional numerical simulations have been analyzed and different constitutive models or alternative approaches are proposed. For example, the assumption of a generalized Newtonian fluid has been used in traditional injection molding because the importance of elasticity compared to viscous effects seems negligible. Because of high deformation rates during the injection phase of high speed injection molding, it is expected that elastic effects will occur. The challenge is to translate the complex rheological behaviour of polymeric fluids into suitable equations, and to use these models to predict flow in micro cavities. As a second approach, 3D numerical simulation has been performed on a multi purpose simulation code (Ansys Polyflow®) to evaluate whether the implementation of a viscoelastic material model may improve the accuracy of the micro filling simulation.Con tassi di crescita annui del 20 per cento (dati relativi a Dicembre 2007), si viene a delineare un nuovo ed interessante campo di attività per l’industria nazionale e, in particolare, per quella della trasformazione plastica. I microsistemi conquistano sempre più settori come la meccanica di precisione, telecomunicazione, tecnologia applicata alla medicina e biotecnologia, ma in misura crescente anche l’industria automobilistica. A causa del crescente fabbisogno e volume richiesto, il microstampaggio ad iniezione è destinato ad assumere un ruolo d’eccellenza nei processi di produzione. Così come nel processo di stampaggio convenzionale ci si avvale della simulazione numerica per l’ottimizzazione del prodotto, dei parametri di processo e la riduzione del costo totale. Gli attuali codici di calcolo offrono risultati accurati nel caso del processo convenzionale, ma necessitano di ulteriori sviluppi per quanto riguarda applicazioni più tecnologiche quale il microstampaggio ad iniezione. Ciò è dovuto principalmente al fatto che parametri e modelli del materiale assunti su macroscala non risultano essere altrettanto validi in un processo in cui il polimero è sottoposto ad alte velocità di deformazione e a gradienti termici notevoli. L’obiettivo principale di questo lavoro è fornire un metodo utile a valutare la capacità degli attuali codici di calcolo nel descrivere correttamente l’avanzamento del flusso in componenti microstrutturati. L’approccio proposto consiste nel valutare il riempimento di una cavità opportunamente progettata e lavorata utilizzando le linee di giunzione come indicatori di flusso. Questo metodo si pone come valida alternativa all’approccio più comunemente seguito e basato sul confronto di riempimenti incrementali tra processo sperimentale e simulazione numerica, laddove la posizione e forma del fronte di flusso è fortemente influenzata da contrazioni termiche e rilassamento delle tensioni residue post-stampaggio. Con questo obiettivo sono state condotte simulazioni numeriche in ambiente Moldflow® e si sono confrontati i loro risultati con prove sperimentali. In secondo luogo è stata condotta un’analisi di sensitività al fine di valutare l’influenza di dati reologici e di un coefficiente all’interfaccia polimero/stampo validi su microscala, della pressione sulla viscosità e di un modello unificato che consideri entrambe la viscosità elongazionale e a taglio sull’accuratezza dei risultati numerici. Una volta appurato che il modello viscoso del materiale implementato nei convenzionali codici di calcolo non risulta essere altrettanto accurato in processi che coinvolgono alte velocità di deformazione, si è deciso di condurre simulazioni numeriche non convenzionali con l’intenzione di considerare anche la componente elastica del polimero. Le simulazioni sono state condotte in ambiente Ansys Polyflow® implementando un modello viscoelastico e confrontando i risultati numerici in termini di evoluzione del flusso durante il riempimento e di caduta di pressione_acquisita_all’iniezione