目前，持续增长的医疗健康需求促进了医疗器械市场的发展[1-2]。POCT体外诊断器械发展迅速，具有标本用量少，可使用全血标本，标本检验周转期短，结果报告及时等优点，可以用于临床疾病患者快速诊断和治疗[3]。POCT产品现已广泛用于临床检验、重大疫情检测等公共卫生领域，同时也可用于个体健康检测。与POCT主机配合使用的加压过滤人体血液精密注塑件主要实现血液的自由流动与加压过滤，得到POCT检测的血液样本。目前国内外对此类注塑件的注塑工艺研究较少。与传统大型注塑件不同，加压过滤人体血液精密注塑件产品体积小、结构精密，与主机配合使用，在尺寸和表面质量方面要求较高，变形量和缩痕指数均影响产品表面的血液流动性和产品的密封性能。在此类新兴产品的注塑成型研发中，通过计算机辅助技术进行仿真模拟，可以探究产品设计和工艺参数设定的合理性[4]。但在实际注塑成型过程中，影响注塑件效果的工艺变量较多，传统注塑方法容易浪费大量时间。采用正交试验设计，能够准确求解最优工艺参数组合，并分析各因素对注塑效果的影响[5]，提高产品尺寸稳定性，提升产品表面质量，减少试模成本，提升企业效益和产品的整体品质。本实验选择一种加压过滤人体血液的精密结构件为研究对象，通过计算机辅助技术CAE和正交试验相结合的方法，探究模具温度、熔体温度、注射时间、保压压力、保压时间和冷却时间对总变形量和缩痕指数的影响，从而得出最优工艺参数组合及各工艺参数的影响程度,并通过仿真分析验证结果。1注塑件结构设计精密注塑件基本尺寸为43 mm×29.3 mm×5.1 mm，材料选用医疗级ABS塑料。该注塑件通过四个区域共同作用对血液进行快速加压过滤。图1为精密注塑件的结构设计。图2为精密注塑件表面血液流动分析。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2022.09.021.F001图1精密注塑件的结构设计Fig.1Structure design of precision injection molded parts10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2022.09.021.F002图2注塑件表面血液流动分析Fig.2Flow analysis of surface blood of injection molded parts区域2采集区的斜度需保证血液流入区域1供给口，血液在区域2滑落的最小角度为α*。血液流动满足滚动角与接触角的关系为[6]：sinα*=2rfssinθ*g3π2m2ρ2-3cosθ+cos3θ13 （1）式（1）中：α*为区域2表面的表征滚动角，(°)；θ*为区域2表面的表征接触角，为35°；θ为区域2表面的本征接触角，cosθ*=rcosθ；r为区域2表面的粗糙度因子，为1.1；fs为复合接触面中固体的面积分数，为0.9；m为血液的质量，g；g为重力加速度，为9.8 N/kg；ρ为血液的质量密度，为1.054 g/cm3。血液滴入区域2后产生相对运动，表征滚动角α*应大于7.551°，实际表征滚动角α*取高于20°，便于血液的快速采集。区域3加压密封区的平均间隙决定了密封性的好坏。图3为加压密封接触分析。平均间隙与接触表面的粗糙度关系为[7]：h=Rmax12Ra1 +Rmax22Ra2 /2 （2）10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2022.09.021.F003图3加压密封接触分析Fig.3Contact analysis of pressurized seals式（2）中：h为密封区的平均间隙；Rmax1 ，Rmax2 为两个粗糙度不同的表面的最大深度，Ra1 ，Ra2 为两个粗糙表面起伏高度平均值。较小的表面粗糙度保证了密封性能，利于加压过滤。不同区域的功能性对注塑的表面质量和密实度要求较高，目标设计指标为：总变形≤0.165 mm，缩痕指数≤0.1 mm。2注塑件分析模型建立2.1注塑成型的网格模型对注塑件模型进行Fusion双层面网格划分，网格总数为311 121，优化后网格纵横比最小为1.14，最大为4.93，平均为1.82，网格匹配91.5%，高于90%，模流分析可以正常进行。图4为注塑件的网格模型。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2022.09.021.F004图4注塑件的网格模型Fig.4Mesh model of injection mold2.2材料性能参数表1为医疗级ABS推荐工艺参数。根据表1的特征参数和注塑经验，设定初始工艺参数组合为：模具温度60 ℃、熔体温度235 ℃、注射时间1 s、保压压力50 MPa、保压时间10 s、冷却时间15 s。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2022.09.021.T001表1ABS工艺推荐参数Tab.1Recommended process parameters of ABS参数数值模具温度/℃40~80熔体温度/℃215~255顶出温度/℃89最大剪切应力/MPa0.3最大剪切速率/s-150000热传导率/［W·（m·℃）-1］0.152.3浇注系统和冷却系统设计图5为最佳浇口位置分析。从图5可以看出，经过模流仿真分析，中部浇口匹配性最好，注塑件中心为最佳浇口位置。注塑件采用一模两腔排布，圆形浇口。浇口长为2 mm，截面尺寸为Φ1 mm，垂直流道长为40 mm，截面尺寸为Φ5.2~5.5 mm，水平流道长为76 mm，截面为梯形，顶宽为5 mm，底宽为4 mm，高为4 mm，主流道长度为30 mm，截面尺寸为Φ4~3.75 mm。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2022.09.021.F005图5最佳浇口位置分析Fig.5Optimal gate location analysis图6为浇注系统和冷却系统设计。从图6可以看出，冷却管道共设有16根，对称分布，沿Y方向排列，间距24 mm，冷却管道截面尺寸Φ6 mm，距离型腔15 mm。冷却纯水入口温度为25 ℃，雷诺数为104。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2022.09.021.F006图6浇注系统和冷却系统设计Fig.6Gating system and cooling system design2.4初始结果分析在初始工艺参数组合下，分析注塑件的翘曲变形量和缩痕指数，图7为测试结果。从图7可以看出，注塑件的总变形量为0.179 0 mm，缩痕指数为0.118 5 mm。初始工艺参数组合下，注塑件的仿真结果均不满足设计指标要求（总变形≤0.165 mm，缩痕指数≤0.1 mm），工艺参数需进一步优化。图7初始参数下的注塑件总变形量和缩痕指数Fig.7Total deformation and sink index of plastic parts under initial parameters10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2022.09.021.F7a1(a)总变形量10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2022.09.021.F7a2(b)缩痕指数3正交试验设计及数据分析3.1正交试验设计与分析通过正交试验优化工艺参数，可以快速得到工艺优化结果，减少试模次数，节约产品制造周期和成本。通过模具温度、熔体温度、注射时间、保压压力、保压时间、冷却时间等工艺参数进行模拟试验，分析其对注塑件总变形量和缩痕指数的影响。表2为L25(56)正交试验因素水平设计。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2022.09.021.T002表2L25（56）正交试验因素水平设计Tab.2L25（56） orthogonal test factor level design因素水平12345模具温度（A）/℃4050607080熔体温度（B）/℃215225235245255注射时间（C）/s0.20.61.01.41.8保压压力（D）/MPa4045505560保压时间（E）/s26101418冷却时间（F）/s510152025表3为L25(56)正交试验结果。从表3可以看出，第15组试验的总变形量最大，为0.225 2 mm；第18组试验的总变形量最小，为0.161 9 mm。各因素对总变形量影响的R值排序分别为：RERDRFRCRARB。第15组试验的缩痕指数最大，为0.170 7 mm；第11组试验的缩痕指数最小，为0.098 4 mm。各因素对缩痕指数影响的R值排序分别为：RERBRDRCRFRA。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2022.09.021.T003表3L25（56）正交试验结果Tab.3Results of L25（56） orthogonal test试验编号因素总变形量/mm缩痕指数/mmABCDEF11111110.19310.129421222220.17420.112231333330.17750.117541444440.18400.124951555550.18460.129162123450.17850.115272234510.17910.119982345120.20080.142292451230.18230.1235102512340.17560.1183113135240.16420.0984123241350.18770.1245133352410.18710.1286143413520.18050.1216153524130.22520.1707164142530.18580.1219174253140.19860.1385184314250.16190.0995194425310.16280.1062204531420.18920.1338215154320.17580.1122225215430.17380.1106235321540.18830.1264245432150.22290.1694255543210.16590.1060k10.18270.17950.17700.18810.20810.1776k20.18330.18270.18580.18910.16970.1841k30.18890.18310.18660.18020.17590.1889k40.17970.18650.18480.18520.18250.1821k50.18530.18810.18570.17720.18370.1871k1*0.12260.11540.11590.12750.15000.1180k2*0.12380.12110.12610.13010.10790.1244k3*0.12880.12280.12780.11980.11570.1288k4*0.12000.12910.12390.12540.12260.1213k5*0.12490.13160.12640.11730.12380.1275R0.00920.00860.00960.01190.03840.0113R*0.00880.01620.01190.01280.04210.0108图8为总变形量与因素水平关系曲线。从图8可以看出，总变形量随模具温度(A)的增加呈现先增加后降低再增加的趋势，当模具温度为A4，总变形量最小。总变形量随熔体温度(B)的增加逐渐增加，当熔体温度为B1，总变形量最小。总变形量随注塑时间(C)的增加呈现先增加后降低再增加的趋势，当注塑时间为C1，总变形量最小。总变形量随保压压力(D)的增加呈现先增加后降低再增加又降低的趋势，当保压压力为D5，总变形量最小。总变形量随保压时间(E)的增加呈现先降低后增加的趋势，当保压时间为E2，总变形量最小。总变形量随冷却时间(F)的增加呈现先增加后降低再增加的趋势，当冷却时间为F1，总变形量最小。综合分析，最优工艺参数组合为A4B1C1D5E2F1。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2022.09.021.F008图8总变形量与因素水平关系曲线Fig.8Relationship curves between total deformation and factor level为了更好地排除误差对试验结果的影响，进行相应的方差分析。本试验中误差自由度为0，误差值自由度大于2可确保结果准确，故引入水平1、水平3、水平5所对应指标值作为补充试验。水平1对应指标值为正交表试验1，水平3对应指标值为初始工艺参数指标值，水平5对应总变形量指标值经仿真为0.183 2 mm。对水平1、水平3、水平5对应指标值与正交试验共28组数据进行方差分析，表4为总变形量方差分析。从表4可以看出，对于保压时间(E)，F值F0.01，其对总变形量具有极显著影响。其余工艺参数F值F0.05，对总变形无显著影响。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2022.09.021.T004表4总变形量方差分析Tab.4Variance analysis of total deformation离差来源偏差平方和/×10-4自由度平均偏差平方和/×10-4F值F临界值A1.840.451.37F0.01（4，3）=28.71F0.05（4，3）=9.12B2.540.631.91C3.240.792.39D6.641.74.99E4741235.6F3.640.892.71误差0.9930.33总和6.227图9为缩痕指数与因素水平关系曲线。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2022.09.021.F009图9缩痕指数与因素水平关系曲线Fig.9Relationship curves between sink index and factor level从图9可以看出，缩痕指数随模具温度(A)的增加呈现先增加后降低再增加的趋势，当模具温度为A4，缩痕指数最小。缩痕指数随熔体温度(B)的增加逐渐增加，当熔体温度为B1，缩痕指数最小。缩痕指数随注塑时间(C)的增加呈现先增加后降低再增加的趋势，当注塑时间为C1，缩痕指数最小。缩痕指数随保压压力(D)的增加呈现先增加后降低再增加又降低的趋势，当保压压力为D5，缩痕指数最小。缩痕指数随保压时间(E)的增加呈现先降低后增加的趋势，当保压时间为E2，缩痕指数最小。缩痕指数随冷却时间(F)的增加呈现先增加后降低再增加的趋势，当冷却时间为F1，缩痕指数最小。综合分析对于缩痕指数，最优工艺参数组合为A4B1C1D5E2F1。表5缩痕指数方差分析。从表5可以看出，对于保压时间(E)，F值F0.01，其对缩痕指数具有极显著影响。对于模具温度(A)，F值F0.05，其对缩痕指数无显著影响。对于熔体温度、注塑时间、保压压力和冷却时间，F0.05F值F0.01，这些工艺参数对缩痕指数影响显著。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2022.09.021.T005表5缩痕指数方差分析Tab.5Variance analysis of indentation index离差来源偏差平方和/×10-4自由度平均偏差平方和×10-4F值F临界值A1.940.485.5F0.01（4，3）=28.71F0.05（4，3）=9.12B8.842.225.3C4.841.213.6D6.741.719.4E55414157F3.940.9811.3误差0.2630.087总和76273.2综合分析与试验验证总变形量与缩痕指数的最优组合一致，最优工艺参数组合为A4B1C1D5E2F1。模具温度为70 ℃、熔体温度为215 ℃、注射时间为0.2 s、保压压力为60 MPa、保压时间为6 s、冷却时间为5 s时，注塑件各试验指标均达到最佳。与初始工艺参数相比，总变形量降低了10.22%，缩痕指数降低了18.82%。对最优工艺参数组合进行仿真分析，图10为优化工艺下总变形量。从图10可以看出，注塑件的总变形量为0.160 7 mm，满足塑件设计要求。图11为优化工艺下缩痕指数。从图11可以看出，注塑件缩痕指数为0.096 2 mm，满足设计要求。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2022.09.021.F010图10优化工艺下总变形量Fig.10Total deformation under optimized process10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2022.09.021.F011图11优化工艺下缩痕指数Fig.11Sink index under optimized process图12为工艺参数优化前后塑件形貌对比。从图12可以看出，注塑工艺参数优化前后注塑件及微观组织。优化前注塑件表面有较明显起伏，优化后表面平滑；优化前后密度分别为1.047 g/cm3和1.060 g/cm3。图13为血液快速加压过滤精密件样品。从图13可以看出，塑件外观良好，可正常装配使用，满足产品使用要求。图12工艺参数优化前后塑件形貌对比Fig.12Morphology comparison of plastic parts before and after process parameter optimization10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2022.09.021.F12a1(a)优化前10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2022.09.021.F12a2(b)优化后10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2022.09.021.F013图13血液快速加压过滤精密件样品Fig.13Blood rapid pressure filtration precision parts sample4结论（1）通过计算机辅助技术CAE和正交试验等，得到最佳工艺参数组合，即模具温度为70 ℃、熔体温度为215 ℃、注射时间为0.2 s、保压压力为60 MPa、保压时间为6 s、冷却时间为5 s。相比初始工艺参数，优化后塑件的总变形量降低了10.22%，缩痕指数降低了18.82%，均达到设计指标要求。各工艺参数对总变形的影响程度排序为：EDFCAB，对缩痕指数的影响程度排序为EBDCFA。保压时间注塑件成型过程中起主要作用，保压时间为6 s时，能够有效降低注塑件的总变形量和缩痕指数。（2）通过实际试模、场发射扫描电子显微镜和电子密度仪，优化后注塑件具有较好的表面质量，无明显的变形和缩痕，能够实现快速加压过滤血液，为优化“短、厚、小”医用精密件注塑成型工艺参数提供有利参考。