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模具热性能通过注塑成型对微型零件复制的影响,模具,性能,机能,通过,注塑,成型,对于,微型,零件,复制,影响
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第一届 模具热性能通过注塑成型对微型零件复制的影响 G *， E. G. D. 多瓦大学力学与管理创新系， ， 35131 大利 械部， 00b， 3001 利时 摘要 当复制微特征时产生的表面质量是微注射成型中最重要的工艺特性之一，并且它在将该技术应用于更广泛的微工程应用中时构成制造约束。具有高纵横比的成型微特征是关键任务，特别是当特征宽度小时，由于比宏观 /中观标度腔更快的温度下降。为了研究模具材料在微结构化表面复制中的热扩散性的影响，在本文中，使用分别由工具钢和氧化锆陶瓷复合材料制成的两个模具来复制微结构化表面。使用微放电加工（ 制造钢和陶瓷模具。测量模具材料的热扩散率，以使其与复制程度相关。然后，在相同的受控工艺条件下通过微注射成型复制微特征，并且通过光学坐 标测量机测量复制度。实验测试的结果显示了用陶瓷模具复制的微结构的质量的急剧改进，即当使用具有低热扩散率的模具材料时。当填充空腔时，与材料延迟聚合物表层固化的能力相关的这种效应可以有效地利用以增强当前微注射成型技术在制造具有以下特征的部件中的能力：更高的复杂性和纵横比。 根据 关键词：微注塑 ;表面复制 ;微放电加工 当复制微特征时产生的表面质量是微注射成型中最重要的工艺特性之一，并且它在将该技术应用于更广泛的微工程应用中时构成制造约束。为了达到所需的精度和防止过早的 材料冻结，当生产高纵横比微特征时，通常需要高注射压力和模具温度 1。具有高纵横比（深度与特征的宽度）的模制微特征是关键任务，特别是当特征宽度由于比常规尺寸的腔更快的温度降低而较小时。当聚合物的温度下降到低于无流动时，聚合物被冷冻凝固温度。当聚合物填充微通道时，由于非常快的热损失，薄的冻结层从通道壁快速生长。当冻结层覆盖微通道的整个横截面时，聚合物停止流动。为了克服这个困难，高注射速度和模具温度将减少来自聚合物熔体的热损失。然而，实际的加工条件受到成型工具的物理能力的限制 2。 为了研究加工条件对微观特征 填充的重要性，几个研究小组已经对具有明确定义的简单几何形状的微特征零件进行注射成型实验。特别地， 和横向尺寸的模制微结构为 90 m3。对于模制材料（高密度聚乙烯），他们发现 135的模具温度允许微空隙的完全填充。 40的模具温度下实现了 40 横比为 10。相反，复制度接近零，温度低于 90。 究了模具温度对光栅光学元件上聚碳酸酯微结构（ 填充深度的影响。在 7的温度范围内， 填充深度从 30变化到 100。只有在高于聚碳酸酯玻璃化转变温度的 152的模具温度下，结构被完全填充 5。 Yu et 行注塑实验，同时用单向流填充呈现比主腔室薄 20 倍的微观特征的矩形腔 6。他们观察到填充过程基本上由两个阶段组成。第一个特征是基板中的主要流动与微特征中的分支流动之间的竞争。驱动前者所需的压力比微型特征中的压力低得多。在基板填充期间，腔体压力可能不会积累到高到足以填充微特征的水平，并且因此流动犹豫并冷却下来。一旦基板被填充，第二阶段开始，其特征在于快速升高腔体压力。如果只有流动 在微特征入口处没有犹豫冻结，则该压力将足够高以完全填充微特征。特征尺寸越小，发生这种情况的可能性越大。这种趋势进一步由 中微观特征尺寸在亚微米范围内。 这种情况下，模具温度高于聚合物不流动温度是必要的。 从广泛的科学文献综述可以清楚地看出，到目前为止改进微结构化表面复制的几乎所有尝试主要集中在工艺参数（例如模具温度，注射速度和熔体温度的最佳组合）上。另一方面，很少注意模具材料性能。另一方面，为了实现成品部件的高度复制， 应当期望具有低热扩散性的模具材料。这里考虑这一方面，并 且为了研究模具扩散性对微结构化表面复制的影响，在本文中，使用分别由工具钢和氧化锆陶瓷复合材料制成的两个模具来复制具有可变尺寸的模制微特征。氧化锆陶瓷确实是优秀的热绝缘体 ;除了他们是最坚韧的陶瓷。 料 对于实验工作，使用市售的聚苯乙烯（ 脂（由 C 600）。它是一种特殊的中等抗冲聚苯乙烯级，表现出非常高的光泽 ;它被设计用于需要优异表面光洁度的注塑成型。聚苯乙烯与微注塑成型相 关，因为其与硅或玻璃相比具有非常高的流动能力，良好的生物相容性，高光学透明度，高透明度和高冲击强度。聚合物的固体密度为 。熔体指数（ 10200， 玻璃化转变温度为 95。 在该研究中，使用分别由优质级不锈钢工具钢（ ，可由 成的两个模具插件。具体选择氧化锆陶瓷是因为提供了优良的绝热和机械性能。该材料提供 非常低的热扩散率，改进的断裂韧性和特别高的弯曲强度，高达 1700而，根据内部实验活动，取决于用于样品制备（在特定情况下，热处理加研磨）的特定程序和表面加工的程度，该值可降低至约1200t m） ;因此，证实了缺陷的制造和存在对陶瓷的最终性能具有强烈的影响。 表 材料制造商提供的数据）。 密度（ g / 氏硬度 1350 断裂韧性（ 2） 曲强度（ 1700 3 1168 81 3） 杨氏模量（ 280 热膨胀系数（ 1 / K） 10 * 10热率（ W / 8 电阻率（ 10内部价值 此外，在 基体中添加导电第二相（ 许通过放电加工（ 工该材料 ;因此，克服了将陶瓷加工成最终的整体困难 G. et / （ 2012） 113 - 117 115 状态，特别是需要 37。表 1列出了 而是两种插入材料的热物理性质，包括导热性，比热和热扩散性，报告在表 2和 3中。性能通过激光闪光系统在 57 根据 表 热物理性质（括号中的标准偏差） 温度比热热 J / g * K电导率扩散率 W / m * K s 25 200 表 热物理性质（括号中的标准偏差） 温度比热热 J / g * K电导率扩散率 W / m * K s 25 400 800 由机器制造商提供，就工具钢而言。基于对在相似条件下加工的 使用期间由于微电火花加工而进一步减小（ 15）陶瓷材料的弯曲强度（参考表 1报告的内部价值）。 另外，执行牺牲工件上的由模具插入件的相同材料制成的特定自学习微铣削程序，以便改进用于补偿沿着刀具轴线的刀具磨损的特定调整因子的值。最后，使用专用 件对用于铣削操作的刀具路径进行编程。 选择圆形微过滤器作为实验活动的参考模型。图 1显示了腔的模型。外径为 肋具有 们之间的间距为 50 m。 图。 塑实验 注塑成型实验在 5全电微型注塑机上进行。在本研究中考虑的模腔被放置在通过长 矩形门连接的长 3 2 / 最大注射压力（转换）限制在 220充压力保持在 150恒定值 5 秒。特别选择这些工艺设置以产生不完全填充并且保证最高程度的精度以便隔离模具热扩散率，模具温度及其在复制度上的相互作用的影响。模塑部件在模具中进一步冷却 15 秒，然后喷射。进料区中的熔融温度保持在 220。对于两种模具材料中的每一种，根据通常的全因子计划，模具温度在三个水平上变化，即 40,60和 80。 在注射期间，过程的自动执行（包括零件排出和处理）对每次处理进行。首先，进行 50 个循环以稳定过程。随后，随机收 集和分析从以下 30个循环获得的 10 份。 制部件的特性 使用光学显微镜来显示所获得的复制程度。通过多传感器坐标测量机（ P 400，行微观结构的精确表征。用相同的仪器设置测量每个结构，以便允许直接比较结果。在对应于肋的中心的 7 个不同位置处测量收集的样品。所获得的微观特征是相当规则的，显示均匀的填充图案，除了末端，其显然受到侧壁的填充电阻的影响。最终通过将所有肋的填充长度集中在一起来计算复制度。 6 种处理中的 每一种的代表性样品部分显示在图 2中。 40 60 80 钢 2为 6种处理中的每一种收集样品部分。 填充长度结果根据模具材料的热扩散率报告在表 4中。进行填充结果的统计分析，并计算模具热扩散系数和模具温度的影响。从图 3中可以看出，这两个因素对填充百分比具有很大的影响。特别地，可以清楚地观察到，通过使用具有较低热扩散率的模具材料，复制度显着增加，并且当使用氧化锆作为模具材料时，特别是在低注射温度下，填充分数值显着较高。 表 4平均填充长度结果。数值以 号中的标准偏差）和填充百分比表示。 模具温度 C 扩散率 / s 40 60 80 11 47 97 75 100 100 图。复制度作为模具热扩散率和模具温度的函数的主效应图。 另一方面，陶瓷插件在使用后显示严重损坏，并且显着磨损，特别是在过滤肋的顶部边缘（图4）。结果保持为陶瓷与工具钢相比较低的机械强度并且在喷射阶段期间产生的结果。 钢 闭合视图 图。 G. et /程序 （ 2012） 113 - 117 117 陶瓷插件的机械性能的显着降低也可能由具体采用的制造过程引起。如第 2节所述，首先切割陶瓷刀片，并且通过线切割通过使用细切割但没有专用技术来完成表面。实际结果是粗糙的表面，显示出几个大的凹坑和缺陷，这可能是在使用期间特别是在模具肋特征的边缘处的严重断裂的开始，由此经历应力集中。结果是进一步证明了制造过程对服务期间陶瓷的性能的重要性。 4。结论 为了研究模具材料在微结构化表面复制中的热扩散性的影响，在本文中，使用分别由工具 钢和氧化锆陶瓷复合材料制成的两个模具来复制微结构化表面。使用微放电加工（ 制造钢和陶瓷模具。测量模具材料的热扩散率，以使其与复制程度相关。然后，在相同的受控工艺条件下通过微注射成型复制微特征，并且通过光学坐标测量机测量复制度。实验测试的结果显示了用陶瓷模具复制的微结构的质量的急剧改进，即当使用具有低热扩散率的模具材料时。当填充空腔时，与延迟聚合物表皮固化的陶瓷能力相关的这种效应可以有效地利用以增强实际微技术在制造具有以更高复杂性和纵横比为特征的部件的能力。另一方面，陶瓷模具的制造和处理需要特别注意 ，以避免过早的工具磨损和损坏。这方面目前正在深入调查，将在未来的工作中受到特别的关注。 参考文献 1 A， N。注塑成型中的表面微结
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