（材料加工工程专业论文）微注塑成型充填过程的三维模拟.pdf

原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立进行研 究所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人 或集体已经发表或撰写过的科研成果。对本文的研究作出重要贡献的个人和集 体，均已在文中以明确方式标明。本声明的法律责任由本人承担。 学位论文作者：售 日期2 。p 年了月芍日 学位论文使用授权声明 本人在导师指导下完成的论文及相关的职务作品，知识产权归属郑州大学。 根据郑州大学有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保留或向国家有关部 门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅；本人授权郑州 大学可以将本学位论文的全部或部分编入有关数据库进行检索，可以采用影印、 缩印或者其他复制手段保存论文和汇编本学位论文。本人离校后发表、使用学 位论文或与该学位论文直接相关的学术论文或成果时，第一署名单位仍然为郑 州大学。保密论文在解密后应遵守此规定。 学位论文作者：售令茏 日期：2 。0 年f 月哆日 摘要 摘要 微注塑成型技术是在传统注塑成型技术基础上发展起来的新型注塑成型技 术，是微系统技术的重要分支。随着微机电技术的发展，该技术已在光电通信、 影像传输、生化医疗、信息存储、精密机械等领域得到了广泛应用。 由于微注塑成型制品的结构尺寸与体积都比较微小，使得传统的注塑成型 充模流动理论及研究方法在某种程度上对微注塑成型已经失去了指导的意义。 目前微注塑成型的理论和方法都还不太成熟，一些研究结论是通过传统的方法 和软件得到的，不能真实反应微注塑成型的问题。因此，研究微注塑成型机理， 建立微注塑成型充填模拟理论和方法，实现微注塑成型充填过程数值模拟可以 使微注塑成型模具设计和成型过程建立在科学和定量分析基础之上，以帮助设 计人员尽早发现设计中存在的问题，对微注塑成型技术具有重要推动作用。 本文从微注塑成型技术的特点出发，全面地分析了微注塑成型充模过程中 的影响因素，重点考虑了微观黏度和表面张力的影响。基于传统注塑成型充模 流动理论和数学模型，结合微注塑成型的特性，建立了微注塑成型充填过程的 三维数学模型。微观黏度是在传统的c r o s s w l f 模型的基础上，引入微通道尺 寸修正系数来描述黏度的微观效应。表面张力的影响通过采用b r a c k b i l l 连续表 面张力模型( c s f ) ，将表面张力作为一种体积力进行考虑。 基于上述理论，采用有限元分析软件a n s y sc f x 进行二次开发，实现了传 统注塑成型充填过程的三维数值模拟，并在此基础上，进一步结合微注塑成型 的影响因素，实现了微注塑成型充填过程的三维数值模拟。 采用四个特征尺寸数量级( 1 0 0g m 级，1 0g m 级，lg m 级，0 1g m 级) 的 微制品模型，分析微观黏度和表面张力对微注塑成型充填过程的影响。对微观 黏度模型下的模拟结果分析表明，在微尺度黏度效应影响下，模拟结果显示微 制品的充填变得容易。对熔体表面张力影响下的模拟结果分析表明，当特征尺 寸小于1 0 9 m 时，随着特征尺寸的减小，熔体前沿截面形状由尖锐变钝，并逐渐 呈现出半圆形的状态，同时熔体前沿位置越来越滞后，表明熔体表面张力对微 制品的充填具有阻碍作用，且随着特征尺寸的减小，阻碍作用逐渐增大。 关键词：微注塑成型充填过程三维模拟微观黏度表面张力a n s y sc f x a b s t r a c t a b s t r a c t t h em i c r o i n j e c t i o ni san e wt e c h n o l o g yo fp o l y m e rp r o c e s s i n gd e v e l o p e df r o m t h et r a d i t i o n a li n j e c t i o nm o l d i n g i ti so n eo ft h eb r a n c h e sf o rt h em i c r oe l e c t r o m e c h a n i c a ls y s t e m ( m e m s ) w i t ht h ed e v e l o p m e n to ft h em e m s ，t h e m i c r o i n j e c t i o n m o l d i n gt e c h n o l o g yi sd e v e l o p e da n dn o ww i d e l yu s e di nt h eo p t i c a lc o m m u n i c a t i o n s ， i m a g et r a n s f e r , c h e m i c a la n db i o l o g i c a lm e d i c i n e ，i n f o r m a t i o ns t o r a g e ，p r e c i s i o n m a c h i n e r ya n dm a n y o t h e rf i e l d s h o w e v e r , b e c a u s eo ft h ev e r ys m a l ls i z ea n dv o l u m eo fm i c r o - p l a s t i cp a r t s ，t h e f l o wb e h a v i o ro fp o l y m e ri nt h ef i l l i n gs t a g ei nm i c r o i n j e c t i o nm o l d i n gh a sm a n y d i f f e r e n c e sc o m p a r e dw i t ht h a ti nt h et r a d i t i o n a li n j e c t i o nm o l d i n g t h e r e f o r e ，t h e t h e o r i e sa n dm a t h e m a t i c a lm o d e lo fp o l y m e r i cf l o wu s e di nt r a d i t i o n a l i n j e c t i o n m o l d i n gc o u l dn o tb ea p p l i e d i n m i c r o i n j e c t i o nm o l d i n gd i r e c t l y n o w a d a y s i n c o n t r o v e r t i b l et h e o r i e so fp o l y m e r i cf l o wi nm i c r o i n j e c t i o nm o l d i n gh a v e n tb e e n e s t a b l i s h e da n ds o m es t u d yc o n c l u s i o n sw e r em a d eb yt r a d i t i o n a lm e t h o d so r t r a d i t i o n a ls i m u l a t i o ns o f t w a r e ，s or e s e a r c hr e s u l t sc o u l d i l td e s c r i b et h er e a l m e c h a n i s mi nm i c r o - i n j e c t i o nm o l d i n g t h e o r i e sa n dm o d e lo f m i c r o i n j e c t i o n m o l d i n gn e e db ei n v e s t i g a t e d ，a n dt h ei n v e s t i g a t i o no fm i c r o - i n j e c t i o nm o l d i n g s i m u l a t i o ni sv e r ys i g n i f i c a n t t h es c i e n t i f i cm e t h o da n dq u a n t i t a t i v ea n a l y s i sf o r m o l dd e s i g na n dp o l y m e rp r o c e s s i n gf o rm i c r o - i n j e c t i o nm o l d i n gc a nb ee s t a b l i s h e d b a s e do ns i m u l a t i o n t h ed e s i g nf l a w sc a nb ef o u n d e da n dt h e d e v e l o p m e n to f m i c r o - i n j e c t i o nm o l d i n gc a r lb ep r o m o t e d i nt h i sp a p e r , t h ec h a r a c t e r i s t i c so ft h ei n f l u e n c i n gf a c t o r so nf i l l i n g s t a g ei n m i c r o - i n j e c t i o nm o l d i n gw e r ea n a l y z e da n dt w of a c t o r s ( m i c r o s c a l ev i s c o s i t ya n d s u r f a c et e n s i o n ) w e r ei n v e s t i g a t e d t h e3 dm a t h e m a t i c a lm o d e lo ff i l l i n ga n a l y s i si n m i c r o - i n j e c t i o nm o l d i n gw a se s t a b l i s h e d b a s e do l lt h ef u n d a m e n t a lt h e o r i e so f v i s c o u sf l u i dd y n a m i c sa n dp o l y m e rr h e o l o g y t h em i c r o s c a l em o d i f i c a t i o nf a c t o r w a si n t r o d u c e di nc r o s s - w l f v i s c o s i t ym o d e l t od e s c r i b et h ei n f l u e n c eo fm i c r o s c a l e e f f e c t s t h eb r a c k b i uc o n t i n n u mm e t h o dw a su s e dt om o d e ls u r f a c et e n s i o n i i b a s e do nt h ea b o v ea n a l y s i s ，a n s y sc f x w a sa d o p t e dt os i m u l a t et h ef i l l i n g s t a g e i nm i c r o i n j e c t i o nm o l d i n g s i m u l a t i o n o fm i c r o i n j e c t i o nm o l d i n g a n d 乜a d i t i o h a li n j e c t i o nm o l d i n g w a s i m p l e m e n t e d u s i n gc e l ( c f xe x p r e s s i o n l a n g u a g e ) f 0 u rn l i c r o s c a l ep a r t s ( 1 0 0 1 t m ，1 0 l t m ，1 “n 1 ，0 1p m ) w e r ea d o p t e d t or e s e a r c ht t l e i i l n u e i l c eo fm i c r o s c a l ev i s c o s i t ya n ds u r f a c e t e n s i o nd u r i n gt h ef i l l i n gs t a g eo f m i c r 0 i n i e c t i o nm o l d i n g 。t h e r e s u l t si n d i c a t e ，t h es i m u l a t i o n r e s u l tu s l n gt h e i i l i c r o s c a l ev i s c o s i t ym o d e ls h o w st h ef i l l i n gm o l ee a s i l yf o rm i c r op a r t s ；t h e r e s u i t s i n d i c a t e w h e nt h ep a r ts i z ei s l e s st h a n10 1 工m ，t h ec r o s s _ s e c t i o no ft h em e l tf r o n t b e c o n l e ss e i l l i c i r c l ew i mt h ed e c r e a s eo ft h ep a r ts i z e t h ep o s i t i o n o fm e l tf r o n t i n d i c a t e s t h es u 】旺- a c et e n s i o nh a sn e g a t i v ee f f e c t so nt h ef l o wb e h a v i o r t h es u r f a c e t e n s i o nh a sm o r ea l l dm o r es e v e r e l yh a m p e ro nm e l tf l o ww i t ht h ed e c r e a s eo ft h e p a r ts i z e k e yw o r d s ：m i c r o i n j e c t i o nm o l d i n g ；f i l l i n gs t a g e ；3 d s i m u l a t i o n ；m i c r o s c a l e v i s c o s i t y ；s u r f a c et e n s i o n ；a n s y sc f x i i i 目录 目录 摘要i a b s t r a c t i i 图和附表清单v i i 1 绪论i 1 1微注塑成型技术的含义及其应用。1 1 1 1 微注塑成型技术的含义。l 1 1 2 微注塑产品的应用。2 1 2 微注塑成型技术国内外研究现状3 1 2 1 微注塑成型机一3 1 2 2 微注塑成型模具的制造技术。5 1 2 3 微注塑成型辅助设备6 1 2 4 微注塑成型材料。6 1 2 5 微注塑成型工艺7 1 2 6 微注塑成型数值模拟技术9 1 3 本论文主要工作一1 1 2 微注塑成型充模流动理论分析1 2 2 1 传统注塑成型充模流动理论1 2 2 i i 传统注塑成型充模理论概述1 2 2 1 2 传统注塑成型充填过程的三维数学模型1 3 2 2 传统注塑成型充模流动理论在微注塑成型中应用的限制1 5 2 3 微注塑成型充模流动影响因素分析1 6 2 3 1微观黏度17 2 3 2 表面张力l8 t v 目录 2 3 3 壁面滑移2l 2 3 4 模具表面粗糙度2 4 2 3 5 重力和惯性力2 4 2 3 6 型腔排气2 5 2 4 微注塑成型充填过程的三维数学模型2 5 2 4 1 微注塑成型充填过程的控制方程2 6 2 4 2 微观黏度模型2 7 2 4 3 表面张力模型2 7 2 5 本章小结2 7 3基于a n s y sc f x 的传统注塑成型充填过程三维模拟。2 8 3 1 3 2 3 3 3 4 3 5 3 6 a n s y sc f x 软件介绍2 8 a n s y sc f x 分析问题的一般流程2 9 a n s y sc f x 二次开发技术及模拟实现。3 0 3 3 1a n s y sc f x 二次开发技术3 0 3 3 2a n s y sc f x 模拟的实现3 0 注塑成型充填模拟的算例验证：31 3 4 1 几何模型31 3 4 2 模拟材料3 2 3 4 3 工艺条件3 3 3 4 4 验证分析3 3 数值算例分析4 0 3 5 1 几何模型4 0 3 5 2 工艺条件4 0 3 5 3 模拟结果的选取4 1 3 5 4 模拟结果及分析4 2 本章小结4 9 4 基于a n s y sc f x 的微注塑成型充填过程三维模拟5 0 v 目录 4 1 微制品几何模型5 0 4 2a n s y sc f x 平台上材料微观黏度模型的二次开发。5 2 4 3 表面张力影响的实现5 2 4 4 模拟方案及工艺条件。5 3 4 4 1模拟方案5 3 4 4 2 工艺条件5 3 4 5 模拟结果及分析5 4 4 5 1 模拟结果的选取5 4 4 5 2 微尺度黏度效应对微注塑成型充填过程的影响分析5 5 4 5 3 熔体表面张力效应对微注塑成型充填过程的影响分析5 9 4 6 本章小结6 3 5 总结与展望6 4 5 1 主要工作及结论6 4 5 2 展望6 5 参考文献6 6 致 谢一6 9 v i 图和附表清单 图和附表清单 图1 1微制品示意图2 图1 2b a t t e n f e l dm i c r o s y s t e m 5 0 注塑机4 图1 3 微注塑成型的工艺过程8 图2 1 流体与壁面接触角对流动影响的示意图。2 0 图2 2自由表面示意图。2 0 图2 3 熔体的壁面滑移机理示意图2 2 图2 4 模具表面粗糙度对熔体流动影响的示意图。2 4 图3 1a n s y sc f x 分析流程图2 9 图3 2m o l d f l o w 划分的薄壁制品网格模型示意图。3 l 图3 3a n s y sc f x 划分的薄壁制品网格模型示意图3 2 图3 4m o l d f l o w 中提供的p p 材料黏度曲线示意图3 4 图3 5a n s y sc f x 二次开发后得到的p p 材料黏度曲线示意图3 4 图3 6m o l d f l o w 和a n s y sc f x 的熔体前沿模拟结果示意图。3 6 图3 7m o l d f l o w 表面模型模拟的入口压力示意图。3 7 图3 8m o l d f l o w3 d 模拟的入口压力示意图3 7 图3 9a n s y sc f x 模拟的入口压力示意图3 8 图3 1 0a n s y sc f x 模拟的薄壁件横截面压力示意图3 9 图3 1 l非薄壁制品的几何模型和网格模型示意图4 0 图3 1 2 中面位置示意图4 l 图3 1 3 横截面位置示意图4 1 图3 1 4 熔体前沿随充填时间变化示意图4 2 图3 1 5 充填体积分数随充填时间变化示意图4 3 图3 1 6 熔体压力随充填时间变化示意图4 4 图3 1 7 熔体温度随充填时间变化示意图。4 5 图3 1 8 熔体速度随充填时间变化示意图4 6 图3 1 9 熔体剪切速率随充填时间变化示意图4 7 图3 2 0 熔体黏度随充填时间变化示意图4 8 图4 1 熔体前沿位置测量示意图一5 4 图4 2 宏观黏度模型与微观黏度模型下的熔体前沿示意图5 6 图4 3 宏观黏度模型与微观黏度模型下的熔体前沿位置变化示意图。5 7 图4 4 宏观黏度模型与微观黏度模型下的入口压力变化示意图5 8 图4 5 不考虑表面张力影响和考虑表面张力影响的熔体前沿示意图6 0 图4 6 不考虑表面张力影响和考虑表面张力影响的熔体前沿位置变化示意图6 1 图4 7 不考虑表面张力影响和考虑表面张力影响的入口压力变化示意图。6 2 v i i 图和附表清单 表1 1 微注塑成型常用材料及典型应用7 表2 1 常见聚合物熔体的表面张力系数1 9 表3 1 聚丙烯材料参数3 2 表3 2 聚丙烯的c r o s s w l f 模型参数。3 3 表3 3 薄壁制品模拟的工艺条件。3 3 表3 4 非薄壁制品模拟的工艺条件4 0 表4 1微制品网格模型。5 0 表4 2 微观黏度模型系数。5 2 表4 3 微注塑成型充填模拟的工艺条件5 3 v i i i 1 绪论 1绪论 随着微纳米科学技术的发展，对塑件微小化及其设备的微型化要求越来越 迫切。同时，对微小制件的复杂程度与加工精度、材料的多样性、生产效率等 方面的要求也越来越高。由于聚合物材料具有的诸多优点使得与其相应的各种 微成型技术发展迅速，如微注塑成型技术( m i c r o i n j e c t i o nm o l d i n g ) 、微热压成 型技术( m i c r oh o te m b o s s i n g ) 、微注塑压缩成型技术( m i c r o i n j e c t i o nc o m p r e s s i o n m o l d i n g ) 等，其中，微注塑成型技术在聚合物微成型领域发展迅速，在微机电 系统中已成为精密微小零件成型加工技术的研究热点之一。 1 1 微注塑成型技术的含义及其应用 1 1 1 微注塑成型技术的含义 微注塑成型技术2 0 世纪7 0 年代被首次提出，由于当时还没有专门的加工 技术，只能将传统锁紧力为2 5 - 5 0 吨的注塑机配以特殊的装置来生产具有高深 宽比的微型注塑件。到了2 0 世纪8 0 年代，微细加工技术得到飞速发展，为微 注塑成型机的成功研制和微型模具的制造和加工，提供了有力的技术保障和工 程实践支持。1 9 8 5 年，德国b a t t e n f e l d 公司率先开发出世界上第一台专门用于加 工微型塑件的微型注塑机m i c r o m e l t ，其注射模块驱动机构仍然采用液压式，塑 化螺杆直径为1 4m m ，装备了专门的回流控制阀以控制由于微小型腔内压力过 大而造成的熔体回流，该注塑机的理论注射量为9 2c m 3 ，可以加工的零件重量 范围为0 5 - - 4g 。随后美、日等国也先后开发出了各种不同类型的微型注塑机【l 】。 这些研究成果为微型注塑机投入实际生产提供了强有力的技术支持和理论支 持，激发了世界各国学者对微成型技术的研究热潮。 尽管微注塑成型技术已经发展了二十余年，但到目前为止，对于微注塑成 型技术还没有准确统一的定义。一般认为微注塑成型制品的尺寸为m m 级，体 积小于1 0 0m m 3 ，具体来说分为三种类型： a 类为重量在几毫克到几分之一克之间，尺寸可能在p m 级的微注塑成型制 品。如微齿轮、微操纵杆等。图1 1 ( a ) 是德国h e n g s t l e r 公司用聚醚酰亚胺 ( p e i u l t e m l o l o ，g e ) 制得的微齿轮，齿轮轴孔直径和齿廓宽度均小于1m i l l 。 1 1 绪论 b 类为外形尺寸较大，但构成其整体的微型部分尺寸则小于2 0 m ，即传统 尺寸的注塑成型制品上具有微结构区域或特征功能区，如带有数据点隙的光盘、 具有微表面特征的透镜等。图1 1 ( b ) 是用聚碳酸酯( p c ) 制作的透明小齿轮， 在齿轮表面布有宽度小于1i l l t n 的同心圆。 c 类为具有任意尺度，但尺寸公差在m m 级的高精度制品，如光纤技术接插 件等。图1 1 ( c ) 是一种汽车用微卡子，卡体采用聚甲醛( p o m ) 。 ( a ) m i c r o - g e a r( b ) t h eg e a rw i t hs m a l lc o n c e n t r i cc i r c l e s ( c ) m i c r o c l i pu s e di na u t o m o b i l e 图1 1 微制品示意图 f i g 1 1 m i c r op a r t s 1 1 2 微注塑产品的应用 采用微注塑技术可以将各种微小尺寸的元器件通过聚合物注射封装成一 体，这极大的降低了微机电系统的结构装配难题，促使微注塑产品在光电通信、 生命科学、应用化学、医学工程、人体工程学、航空航天、生物与基因工程、 环境工程、微光学器件、生物分析芯片等领域得到广阔的应用。 在光电通信领域，用微注塑制成的连接光纤拔插式的连接器，可连接光导 2 氅、_ 霉 瓣 1 绪论 纤维或信号发送和接收部件。在生命科学及应用化学领域，用微注塑制成的的 微流芯片可应用在基因、蛋白质和氨基酸、细胞等分析方面和农药残留分析、 危害性细菌和病毒的发现及检测等方面。在医学工程领域，用微注塑制成的精 密泵送系统微泵，其总体积仅有拇指般大小，可以应用于微4 , n 量药液的注射 及药剂配制。由于微塑件可以在人体内被选择性的吸收，在人体工程学领域也 得到了广泛应用，比如用于基因治疗的微针、内窥镜零件、体内植入假体、植 入人耳的助听装置、药物吸入器等1 2 】。 此外，在检测技术和传动机械中也可利用各种微型传感器及传动装置，如 可以用于测量吸光度和折射率的传感器、测定透射和折射率等光学性能的传感 器、旋转传感的衍射光栅、液体流动速率的传感器、压力和温度传感器、在微 型电机中用的微齿轮等。 1 2 微注塑成型技术国内外研究现状 目前对微注塑成型技术的研究主要集中在对微注塑成型机、微注塑成型模 具设计与制造、微注塑成型材料、微注塑成型工艺和微注塑成型数值模拟技术 等方面。 1 2 1 微注塑成型机 微注塑成型技术的关键在于微注塑成型机，由于微型塑件尺寸与体积微小， 其重量可小至m g 级或更小，如此微小的塑件如果用普通小型注塑机成型，一方 面是其工艺条件很难达到，另一方面对材料和能源也会造成极大的浪费，无形 中增加了塑件的生产成本，且很难保证塑件的质量与精度要求。因此，研制具 有微小注塑量的精密注塑机成为实现微注塑成型的重要目标之一。 与传统注塑技术相比，微注塑技术对生产设备有着特殊的要求，这些要求 主要表现在以下几个方面 3 1 ： ( 1 ) 塑化装置。螺杆需要充分混合塑料熔体，使熔体在模腔内达到均匀， 且保证停留在模腔中的熔体尽可能少，以防止停留时间过长，导致材料降解。 ( 2 ) 精密计量。微型塑件的重量仅数克或数百毫克，容许的误差比较小， 计量时必须精确，这要求微注塑成型设备要具有精密计量注塑过程中一次注塑 量的控制单元，且其质量控制精度要求达到m g 级，螺杆行程精度要达到p m 级。 3 1 绪论 ( 3 ) 高注塑速度。微型塑件重量轻、体积小，且表面积与体积的比值较大， 导致冷却速度较快，因此注射过程要求在短时间内完成，以防止熔料凝固而导 致零件欠注，同时高剪切速率可以降低熔体的黏度，有利于熔体的充填，基于 这些考虑成型时要求高注塑速度。 ( 4 ) 快速反应能力。微注塑成型过程中的注塑量相当微小，注塑设备的螺 杆柱塞的移动行程也相当微小，因此要求微注塑成型机的驱动单元需要具备相 当快的反应能力，从而保证设备能在瞬间达到所需注塑压力。 ( 5 ) 顶出装置。若成型的微制品达到了p m 级，传统的机械定出装置已经 不再适用，必须重新设计定出装置，如精密垫片脱模、吸附脱模等。 ( 6 ) 模温控制系统。微注塑成型制品精度高，收缩变形小，加热冷却需要 均匀、迅速，成型周期要求短，因此需要有快速模温控制系统。 微型注塑机经过多年的发展，已经商品化的机器类型有多种，如图1 2 是 b a t t e n f e l d 公司专门为成型精密微型塑件设计制造的一种全电子驱动的微型注塑 机b a t t e n f e l dm i c r o s y s t e m 5 0 ，可用于成型单件质量在0 1 9 以下的微型塑件。 图1 2b a t t e n f e l dm i c r o s y s t e m 5 0 注塑机 f i g 1 2 b a t t e n f e l dm i c r o s y s t e m 5 0i n j e c t i o nm a c h i n e 4 l 绪论 微注塑成型机通常包括塑化、计量和注塑等三个部分，可以通过各个部分 的驱动方式分类，也可以通过各个部分的机构设计分类。其中按驱动方式分类， 可分为液压气压式驱动、全电式驱动、电液复合式驱动。按注塑装置结构分类， 则又可分为螺杆式、柱塞式和螺杆柱塞混合式。 目前从事微型注塑机研究的制造商有德国的b a t t e n f e l d 公司、d r b o y 公司、 e t t l i n g e r 公司、h e n g s t l e r 公司、f e r r o m a t i cm i l a c r o n 公司，日本的日精树脂工业 株式会社、树研工业、东芝、s o d i c k 公司，美国的l a w t o n 公司，西班牙的c r o n o p l a s t 公司，英国的m c p 公司等多家公司，各公司及其研究机构都在不断地提高其微 注塑机的设计与控制技术，目前的开发研究仍在向着获得更小的注塑量和更高 的计量与控制精度的目标而努力。 1 2 2 微注塑成型模具的制造技术 由于微注塑成型的产品具有的微质量和微尺寸，且精度要求很高，这就使 得微型模具的制造技术与普通模具相比具有很大的不同。 微型模具制造的难度在于对微小的型腔的加工，完成这样高难度的模具加 工需要微型机械加工技术。微型机械加工技术是一种微细加工技术，它对微电 子工业而言就是一种加工尺度从微米级到纳米级的制造微小尺寸器件的先进制 造技术，目前用于微型模具型腔制造的相关技术，按加工的方式可以分为两种 类型： ( 1 ) 光制作技术。如l i g a 技术、u v l i g a 技术、x 射线光刻、电子束光 刻、激光加工技术和蚀刻技术等。当型腔的尺寸要求在微米级时，往往采用这 类微加工技术，其加工精度一般在1 0n n l 内【4 】。 l i g a 技术作为一种精细加工技术具有很好的应用前景，该技术工艺包括同 步辐射x 射线深度刻蚀、电铸成型和注塑三种过程。虽然l i g a 技术具有突出 的成型优点，但它的工艺过程比较复杂，为获得x 光源，需要昂贵的同步加速 器。为此，人们开始寻找廉价光源替代昂贵的x 光源，u v l i g a ( 具有紫外光 的l i g a ) 便是不使用x 光源的新型技术，除此以外包括等离子体刻蚀、激光 l i g a 等，这一些技术被称为准l i g a 技术。大连理工大学应用准l i g a 技术已 研制出了可压制沟道截面尺寸为5 0 娜n x 5 0i x r n ，长度达2 0 0r a i n 以上的微流控芯 片热压模具，模具的成型部位尺寸规整，均匀一致，获得了较好的应用效果。 ( 2 ) 微机械加工技术。主要包括微细电火花加工、微车削、微磨削和微铣 5 1 绪论 削加工等。当模具零件的尺寸在m i l l 级以上时，常采用这类加工方法，其加工 精度一般在1 0 0 a m 内h 。 微细电火花加工技术在微型模具制造中的应用较为广泛，实现微细电火花 加工的关键在于微小电极的制作、微小能量放电电源、微量伺服进给系统、加 工状态检测及系统控制等环节。和电火花加工一样，传统的车削、磨削和铣削 等微型机械加工方法也已经应用于微型模具型腔的加工中，但总体来说微机械 加工技术仅用于加工回旋体或平面等结构比较简单的零件，且加工后表面粗糙 度难以达到要求，需要进行后续加工，从而降低了生产效率，因此在微型模具 的制造过程中微机械加工技术一般作为一种辅助加工手段。 1 2 3 微注塑成型辅助设备 与传统的注塑成型相比，由于微制品的微尺度特征，在一些制品的成型中 需要加入辅助设备，目前研究较多的主要有以下两种设备【5 1 。 ( 1 ) 变模温控制系统 微注塑成型中制品尺寸微小，如采用传统注塑成型中的模温就会冷却过快， 凝料堵塞型腔使得充填无法正常进行，因此微注塑成型通常采取高模温，但是 高模温又使得成型中的冷却周期变长。为了保证充填时模具温度较高，而充填 完成之后模温迅速下降，一般微型模具在设计的时候都要采用变模温控制系统， 利用这一系统在注塑之前先将模温升高到熔体玻璃化转变温度以上，而整个充 填完成之后又能将模温迅速降到凝固温度以下。 ( 2 ) 抽真空装置 在常规的模具设计中，模腔内的气体可以通过分型面或排气槽排出，但对 于微注塑制品来说，制件的尺寸很可能会4 , n 与排气槽处于相同的数量级，为 避免成型中气体无法及时有效排出而造成的困气、欠注、零件烧焦等问题，可 以增加型腔抽真空装置。在注塑成型前，首先对型腔进行抽真空，当达到一定 的真空度时，再开始注塑，抽真空一直持续到注塑完成，在达到排气目的的同 时，熔体的充填也变容易，提高了生产的效率和产品的质量。 1 2 4 微注塑成型材料 微注塑成型中流道及型腔尺寸非常微小，因此用于微注塑成型加工的材料 要求具有黏度低、流动性好、耐高温、快速固化、固化温度差值小、机械性能 6 1 绪论 高、尺寸稳定性好、脱模性比较好等特点，而且材料的颗粒一般比较小。 表1 1 给出了微注塑成型技术目前常采用的材料，以及对应的模具成型零件 能达到的最大深宽比和最小结构厚度等数据【6 】。 表1 1 微注塑成型常用材料及典型应用 t a b 1 1 p o l y m e rm a t e r i a l sa n dt y p i c a la p p l i c a t i o n si nm i c r o - i n j e c t i o nm o l d i n g s h e ny k 等【7 j 分别采用p p 、p a 和p o m 对微齿轮成型过程进行了数值模拟， 结果表明p p 是最适合成型微齿轮的材料，同时采用p s 、p c 和p m m a 对带有 微穴结构的零件进行数值模拟，发现对于这类零件最适合的材料是p m m a l 引。 现阶段常用的微注塑成型聚合物原料主要有p m m a 、p c 、p a 、p o m 、p s u 、 p e e k 、p e 及p a l 2 c 等，但现有的聚合物材料很少能同时兼顾所有的成型与使 用性能的要求，通过加入特殊助剂的方法可以使物料更适合微注塑成型。针对 微注塑成型需要发展高流动性、低收缩率和低熔融温度的新型材料，据报道已 经有专用于微注塑成型的新型热塑性材料p o l y l a c t i d e p o l y g l y c o l i d e ( p l g a ) t 9 。 1 2 5 微注塑成型工艺 微注塑成型机、微注塑成型模具及成型材料确定后，微注塑成型工艺就成 为保证微型塑件成型质量的重要因素。微注塑过程是聚合物熔体在较高的压力 下，注射到微结构的型腔内，经注射保压冷却型腔后，顶出产品。 图1 3 是典型微注塑的工艺过程，图中的数字符号对应的意义为：1 合模； 2 装置前进；3 注射；4 保压；5 装置后退；6 计量；7 开模和脱模。 7 1 绪论 图1 3 微注塑成型的工艺过程 f i g 1 3 t h e p r o c e s so fm i c r o - i n j e c t i o nm o l d i n g 与传统的注塑成型相比，由于微注塑成型具有成型体积小，成型周期短， 成型精度高等特点，使得传统的注塑成型工艺不能直接应用于微注塑成型中， 目前对微注塑成型工艺的研究，主要集中在对模具温度、熔体温度、注射速度、 注塑物料的计量控制等方面。 在众多的工艺参数中，模具温度对微注塑成型的影响最大，这是因为微注 塑对熔体的流动性要求很高，只有较高的模具温度才能保证熔体的顺利充填。 研究表明，微注塑中模具温度一般要高于成型材料的玻璃化转变温度，这样才 能获得充填情况完好的制品。s uyc 等【l o 】通过对凹形微结构充填过程中的工艺 参数影响进行分析，发现当模具温度低于成型材料的玻璃化转变温度或者仅仅 比成型材料的玻璃化转变温度高出很小的情况时，模具温度对于改善制品的质 量几乎没有很大的影响，只有在模具温度比成型材料的玻璃化转变温度高出 3 0 - - 4 0 0 c 的情况下，模具温度对于改善制品的重要性才能很好的得到体现。除实 验研究以外，一些研究者通过数值模拟的方法，也得到了同样的结论【7 , 8 , 1 1 】，即 模具温度是影响微注塑充填情况的最重要的工艺参数。 l i l lzg 等【1 2 1 对微注塑成型的光纤套环的质量和直径均匀程度进行了研究表 明，熔体温度和保压压力、保压时间一起构成了影响微制品质量的三个最为重 要的参数，熔体的温度提高，可以降低熔体的黏度，有利于充填的顺利进行， 8 l 绪论 而且熔体温度保持在较高的水平时