（机械制造及其自动化专业论文）微透镜阵列注射成型复制度评价与工艺参数优化.pdf

摘要 微注射成型技术开创了精细微结构零件制造的新途径，对精细微 结构零件成型规律的研究是微注射成型技术研究的重要内容之一。本 文以具有广泛应用前景的微结构零件一一微透镜阵列为案例，以制品 重量为注射成型复制度的量化评价指标，研究工艺参数对其影响规 律，探讨一种提高微结构零件注射成型复制度的工艺优化方法。 将微透镜阵列抽象简化成微圆柱阵列，采用l i g a 技术制作了微 圆柱阵列镍型芯镶件，制作了微圆柱阵列注射成型实验模具，为微注 射成型技术研究和微透镜阵列产品开发提供了一个实验平台。 按照正交试验方案和单因素试验方案，采用模流分析软件 m p u f l o w - f u s i o n 仿真研究了工艺参数对p i c i m a 微圆柱阵列制品重量及 其流道系统重量的影响规律。发现仿真结果反映的是平板化制品和流 道系统重量的变化，m p i f l o w f u s i o n 不能仿真制品微结构的充填情 况。为了体现微结构的充填情况，采用h y p e r m e s h 软件解决了m p i 中微结构制品3 d 网格划分质量不高的问题，运用m p u f i o w3 d 仿真 研究了无流道注射成型p m m a 微圆柱阵列重量的变化规律。结果表 明模具温度和注射时间对微结构的充填具有显著的影响，根据模具温 度，注射时间与制品重量的关系曲线可确定微结构制品高复制度的最 优模具温度和注射时间。 实验研究了不同工艺参数条件下微圆柱阵列注射成型，分别对微 制品和流道系统进行称重分析，结果表明增加熔体温度和模具温度能 够使保压压力更有效地通过流道系统传递到微型腔，制品重量增加， 这与常规注射成型中熔体温度、模具温度增加，制品重量降低的规律 相反。从影像测量仪观测结果发现，成型重量大的制品，微结构充填 效果好，制品重量大小可初步评价微结构制品复制度的高低，该方法 可用于提高微制品复制度。 关键字：微透镜阵列，复制度，制品重量，工艺参数，m p i 仿真 a b s t r a c t m i c r oi n j e c t i o nm o l d i n gp r o v i d e dan e wa p p r o a c h f o rm a s s p r o d u c t i o no fm i c r oc o m p o n e n t s t h es t u d yo fm o l d i n gp r o c e s si s o n eo f t h ei m p o r t a n tc o n t e n t si nm i c r oi n j e c t i o nm o l d i n g 。i no r d e rt op r o v i d ea n e wm e t h o do fi m p r o v i n gt h er e p l i c a t i o nf i d e l i t yf o rm i c r o f e a t u r e s t r u c t u r ep a r t si ni n j e c t i o nm o l d i n g ，r a k i n gm i c r o l e n sa r r a y a sa l l a p p l i c a t i o nc a s e ，t h i sp a p e rs t u d i e dt h ee f f e c t so fp r o c e s s i n gp a r a m e t e r s o nt h er e p l i c a t i o nf i d e l i t yo fm i c r o - f e a t u r es t r u c t u r ep a r t su s i n gp a r t w e i g h ta saq u a n t i t a t i v ee v a l u a t i o nc r i t e r i o n m i c r o l e n sa r r a y sw e r es i m p l i f i e di n t oa ne x p e r i m e n t a lm o d e lo f 5 x 1 6m i c r oc o l u m n sa r r a y ( 2 0 0 l _ t mi nd i a m e t e r , 3 0 0 t mi nh e i g h t ) a n i c k e lm o l di n s e r tw a sm a d eu s i n gl i g ap r o c e s s t h ee x p e r i m e n t a lm o l d w a sd e s i g n e da n dm a n u f a c t u r e d ，w h i c hp r o v i d e da ne x p e r i m e n tp l a t f o r m f o rt h er e s e a r c ho fm i c r oi n j e c t i o nm o l d i n ga n dd e v e l o p m e n to fp l a s t i c m i c r o l e n sa r r a y f i r s t l y , a c c o r d i n gt od o es c h e m eb a s e d o nt a g u c h i sm e t h o da n d s i n g l e f a c t o re x p e r i m e n ts c h e m e ，m p i f l o w f u s i o ns i m u l a t i o i l sw e r e d o n et os t u d yt h ee f f e c t so f p r o c e s s i n gp a r a m e t e r so nt h ep a r tw e i g h ta n d r u n n e rs y s t e mw e i g h ta tt h es a m et i m e t h er e s u l t ss h o w e dt h a tt h e s i m u l a t i o nr e f l e c t e dt h ev a r i a t i o nr e g u l a r i t yo ft h ef l a t t e dp a r tw e i g h ta n d 、t h er u n n e rs y s t e mw e i g h t ；t h em i c r o f e a t u r es t r u c t u r e sw e r ei g n o r e d t o 】i n v e s t i g a t et h ef i l l i n go fm i c r o - f e a t u r es t r u c t u r e s ，h i 【g hq u a l i t yt e t r a h e d r o n f e mm o d e lm e s h e db yh y p e r m e s hs o f t w a r ep a c k a g ew a si n p u ti n t om p i t ob a h 、，o u tf l o w3 ds i m u l a t i o no ft h ep a r tw i t h o u tr u n n e rs y s t e m t h e r e s u 酗s h o w e dt h a tt h em o l dt e m p e r a t u r ea n dt h ei n j e c t i o nt i m eh a v e i m p o r t a n te f f e c t so nt h ef i l l i n go fm i c r o f e a t u r es t r u c t u r e s ；a c c o r d i n g t o t h ec a lv e sb e t w e e nm o l dt e m p e r a t u r ea n dp a r tw e i g h t ，i n j e c t i o nt i m ea n d p a r tv w i 童, h tr e s p e c t i v e l y , w ec a nd e t e r m i n et h eo p t i m a lm o l dt e m p e r a t u r e a n di f i j e c t i o nt i m ef o rb e t t e rr e p l i c a t i o nf i d e l i t y e x p e r i m e n t sw e r ed o n et os t u d yt h ee f f e c t so fp r o c e s s i n gp a r a m e t e r s o nt h ei n j e c t i o nm o l d i n go fm i c r oc o l u m n sa r r a y p a r ta n dt h er u n n e r s y s t e mw e r ew e i g h e da n da n a l y z e dr e s p e c t i v e l y t h er e s u l t ss h o w e dt h a t t h ei n c r e a s eo fm e l tt e m p e r a t u r ea n dm o l dt e m p e r a t u r ec a nm a k et h e p a c k i n gp r e s s u r et r a n s f e rt om i c r oc a v i t ym o r ee f f e c t i v e l yt h r o u g hr u n n e r s y s t e m ，a n di n c r e a s i n gt h ep a r tw e i g h t ，w h i c hi s d i f f e r e n tf r o mt h e p h e n o m e n o n t h a t p a r tw e i g h t d e c r e a s e dw i t ht h e i n c r e a s i n g o f t e m p e r a t u r ei f i e o a 奇e n f i o k a | i n j e c t i o nm o l d n g f r o mt h e o b s e r v a t i o n r e s u l t sa ft h ei m a g em e a s u d n ga p p a r a t u s 。i tw a sd i s c o v e r e dt h a tt h e h i g h e rt h ep a r tw e i g h t 。t h eb e t t e rt h ef i l l i n go ft h em i c r o s t r u e t u r e s t h e m o l d i n gw e i g h to ft h ep a r tc 舭e v a l u a t et h er e p l i c a t i o nf i d e l i t yo f m i c r o f e a t u r es t r u c t u r e dp a r t sp d m a r i l y , a n dt h i sm e t h o dc a nb eu s e dt o i m p r o v et h er e p l i c a t i o nf i d e l i t yo fm i c r o - r e a t u r e s t r u c t u r e sp a r t s k e yw o r d s ：m i c r o l e n sa r r a y ，r e p l i c a t i o nf i d e l i t y p a nw e i g h t 。p r o c e s s i n g p a r a m e t e r s ，m p is i m u l a t i o n i n 原创性声明 本人声明，所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工 作及取得的研究成果。尽我所知，除了论文中特别加以标注和致谢的 地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包 含为获得中南大学或其他单位的学位或证书而使用过的材料。与我共 同工作的同志对本研究所作的贡献均已在在论文中作了明确的说明。 作者签名： 关于学位论文使用授权说明 本人了解中南大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有 权保留学位论文，允许学位论文被查阅和借阅；学校可以公布学位论 文的全部或部分内容，可以采用复印、缩印或其它手段保存学位论文； 学校可根据国家或湖南省有关部门规定送交学位论文。 作者签名：差丛应主三导师签名盘塑美日期：2 竺互年j 月 硕士学位论文第一章绪论 第一章绪论 精细微结构零件已成为国家高科技领域的重大需求产品，主要有光电通信领 域中的微透镜阵列、微光学镜头等；航空航天领域的微机械元件。如登月机器人 中的微零件，生物医疗领域中的植入人耳的助听器元件、微轴承，心脏人造瓣膜、 微刨外科手术装置零件、微流体芯片等；信息存储领域的c d d v d 、硬盘读写头， 微机械领域的马达、制动轮，检测技术领域的微型温度，压力传感器等。始于 2 0 世纪8 0 年代末的微注射成型技术开创了精细微结构零件低成本、大批量生产 的新途径【l , 2 1 ，是目前世界先进制造技术的研究热点之。 1 1 微注射成型工艺参数优化研究现状 微注射成型是一个多变量的复杂非线性过程，它的成型制品质量是各个工艺 参数共同影响的结果，如何获得最优工艺参数是成型高质量制品的关键。在微注 射成型中，制品重量以毫克( n a g ) 为度量单位，几何尺寸以微米( i tm ) 为度量 单位，成型精度要求高，制品的体积仅占注射体积( 制品体积+ 流道系统体积) 的5 1 0 p 4 j ( 这种“小制品一大流道系统”的成型条件与常规注射成型中的“大 制品- - b 流道系统”情况相反) 。制品的微小化和高精度要求以及“小制品一大 流道系统”的成型条件使得工艺参数对制品质量的影响呈现出有别于常规注射成 型的规律。为了提高微注射成型制品质量，特别是成型几何精度，国内外学者们 在微注射成型工艺参数优化方面开展了许多研究工作。 英国加的夫大学( c a r d i f f u n i v e r s i t y ) 的b s h a 等人采用快速影像系统( q u i c k v i s i o ns y s t e m ) 对微结构试件成型几何精度进行定性评价，研究了带有微圆柱、 微齿轮、指状微结构试件注射成型中熔体温度、模具温度、注射速度和微结构之 间距离四个因素的影响，结果表明：提高注射速度有助于微结构的充填，但表面 质量变坏；提高模具温度，p o m 和a b s 材料微结构表面质量提高；提高熔体温 度，p o m 材料微圆柱的复制质量改善，但熔体温度对另两种微结构的影响跟对 微圆柱的影响不一致1 5 1 。美国俄亥俄州立大学( o h i os t a t eu n i v e r s i t y ) 的l i y o n gy u 等人通过实验和仿真研究了模具温度、熔体温度、注射速度、保压压力对p 脚a 和p c 在深6 0 0 a m 、宽度分别为1 0 0 、2 0 0 、3 0 0 、4 0 0微流道中充填的影响， 在实验中通过成型试件的扫描电镜( s e m ) 照片来定性评价其成型几何精度，结 果表明注射速度、微流道特征宽度和模具温度对微注射成型充填过程起十分重要 的作用，而熔体温度的影响相对而言并不明显【6 “新加坡制造技术研究院 硕士学位论文 第一章绪论 ( s i n g a p o r ei n s t i t u t eo f m a n u f a c t u r i n gt e c h n o l o g y ) 的z h a oj 等人采用扫描电镜和 光学显微镜来定性观测微制品的成型几何精度，通过正交实验研究了注射速度、 模具温度、熔体温度、注射量、保压时间对一系列p o m 材料微齿轮( 最小齿轮 直径为l m m ) 成型质量的影响，并进行了工艺参数优化，结果表明保压时间与注 射量影响最显著【趴。上述研究者们在进行工艺参数优化研究时，借助快速影像 系统、扫描电镜、光学显微镜等设备将微结构零件放大，通过微结构零件成型形 貌的对比来定性评价成型几何精度，以探讨各个工艺参数的影响。这种成型形貌 对比的定性评价方法不够准确，研究者们给出的结论相互之间差别很大，甚至相 互矛盾，由于缺乏数据支撑，不好判断谁对谁错。 为了解决微结构零件注射成型几何精度评价的准确性问题，一些研究者通过 微结构某一方向尺寸的显微观测来定量评价微结构零件的成型几何精度。美国路 易斯安那州立大学( l o u i s i a n as t a t eu n i v e r s i t y ) 的d e s p ams 等采用微结构充填深 度作为成型几何精度的评价指标，研究了模具温度和注射速度对h d p e 材料高深 宽比微结构制品( 截面为1 8 0 j m x l 8 0 n n ，高为7 5 0 b o n ，相邻两柱间间隔为9 0 n 的柱形微结构阵列) 的影响，结果表明模具温度对微结构充填具有重要影响，注 射速度次之，提高模具温度和注射速度有利于微结构的充填1 9 1 。英国加的夫大学 的b s l l a 等人也采用微结构充填深度作为成型几何精度的评价指标，研究了熔体 温度、模具温度、注射速度、保压压力等因素对截面尺寸分别为2 5 0 7 0 n n 、5 0 0 7 0 f a n 、5 0 0 x1 0 0 a n 、2 5 0 x7 0 b e n 的一组矩形悬臂( r e e t a n g a rl e g s ) 微结构 试件的影响，结果表明：对p p 和a b s 材料微结构试件，熔体温度和注射速度对充 填深度的影响显著，模具温度影响次之；对p o m 材料微结构试件，熔体温度、 注射速度和模具温度的影响都很大 1 0 l 。瑞士保罗谢尔研究所( p a ds e h e r r e r i n s t i t u t , p s i ) 的h s c h i f l 等人通过构造v 形槽( v - g r o o v e ) 微结构试件，如图l 一1 所示，以v 形槽高度尺寸h 来定量评价成型几何精度，研究工艺参数的影响规律 和材料的成型性能，结果表明在模具温度低于材料玻璃转化温度时。v 形槽的 高度尺寸h 随摸具温度增加而增加i l ”。瑞士k a t z ( p l a s t i e st r a i n i n ga n d t e c h n o l o g yc e n t r e ) 的d i p l i n g 等人通过v 形槽微结构的高宽比( v 形槽截面高度 与宽度之比) 的来评价成型几何精度，研究工艺参数的影响，结果表明模具温度 影响最大，成型v 形槽微结构的高宽比随模具温度增加而线性增加，此外，保压 压力也有一定的影响【1 2 1 。以微结构某一方向尺寸来定量评价微结构零件的成型 几何精度是一个巨大的进步，评价的准确性有了保证，研究者们针对不同微结构 试件进行工艺参数优化研究的结论也趋于一致。但是，该方法仅适用于微结构规 则和单一的零件，且在整个工艺参数优化过程中都需要借助扫描探针显微镜 ( s p m ) 、扫描电镜( s 跏) 等高档仪器来进行微结构尺寸的测量 1 3 , 1 4 j 不利于生 2 硕士学位论文 第一章绪论 产中推广应用。 图1 - i 用v - g r o o v e 的成型高度来评价其复制度 f i 9 1 - 1 $ c h e m a t i cd i a g r a mo fa ni l l c l l m p l e t e i yr e p l i c a t e dv - - g r o l l v e ( h 1 ) a n daf u l l y r e p l i c a t e dv - g r o o v e ( h 2 ) 1 2 微结构零件复制度量化评价 1 2 1 微结构零件注射成型复制度 在微注射成型英文文献中，关键词r e p l i c a t i o nf i d e l i t y 或r e p l i c a t i o n a c c u r a c y 被频繁使用，用来综合描述述微结构零件注射成型几何精度，但尚没 有一个明确的定义。国立云林科技大学的谢友智将其译为“复制度” 1 5 1 , 为了 满足交流和研究的需要，我们也采用这一译法，并根据我们的理解初步给出一个 定义。假设设制品在型腔内冷却至室温( 暂不考虑制品脱模后的变形) ，型腔几 何区域为q ，被制品占据的几何区域为q ，定义q ，与啤重叠区域占q 的百 分比为复制度r f ，即： r f ：坐! 生1 0 0 ( 1 - 1 ) b 若q 与q ，重合，即制品表面与模壁之间没有间隙时，复制度为1 0 0 ，制品表 面与模壁之间的间隙越小，则重叠区域越大，复制度越高。 1 2 2 微结构零件复制度量化评价 高的复制度是注射成型微结构零件需要满足的首要条件，成型工艺参数的优 化是提高微结构零件复制度的主要途径。通过工艺参数优化来提高微结构零件注 射成型的复制度，首先需要确定一个复制度的评价指标，作为工艺参数优化的目 标。 新加坡制造技术研究院的z h a oj 等人的研究表明工艺参数对微齿轮的直径 和成型重量的影响规律相似i 舢，h a r r y 等人的研究表明制品重量与长度之间具有 明显的线性关系 1 6 , 17 】。一些研究者也利用制品成型重量作为评价指标来进行工艺 过程和制品质量的实时控制，如m u s ar 等人研究通过p w t ( p r e s s u r e 、w e i g h ta n d t e m p e r a t u r e ) 与p t ( p r e s s u r ea n dt e m p e r a t u r e ) 控制来减少无定型塑料注射成型零件 重量的波动i 堋，p p o s t a w a 等人通过回归分析来研究制品重量与成型工艺参数之 硕士学位论文 第一章绪论 间的函数关系【1 9 1 ，y iy a n g ，王利霞研究了制品重量的预测来实现制品成型质量的 闭环控制脚，2 ”上述研究者们的研究表明成型重量是制品的一个重要质量特性， 它与制品其它质量特性，特别是几何特性之间关系密切，这使我们联想到能否用 成型重量这一经济实用的指标来定量评价微结构零件注射成型的复制度。 根据我们定义的复制度可知，影响微结构零件注射成型复制度的主要因素 有制品体收缩率过大和微结构充填不足。制品内某点体收缩率的定义如下 2 3 】： k = 等群 m z ， p ( z 一，) ” 上式中p ( 瓦。，匕。) 为聚合物在大气压下松驰达到室温的松驰密度。由( i - 2 ) 式 可知制品内某点体收缩率与密度呈反比，密度越大，体收缩率越小。设型腔体积 为v r c ，若微型腔能够顺利充填，则在充填结束的瞬间，型腔中聚合物的体积 v f v c ，如果微结构出现短射，则v p l o ) ， 从而能够有选择地透过和阻挡x 光，通常是由低原子序的轻元素材料形成的薄 膜衬基及在其上面用高原子序的重元素材料制成的吸收体图形构成的。在材料的 选用上应保证有尽量大的反差。掩膜反差可表示为掩膜透明区和不透明区的透射 系数比。即掩膜反差： c = z ，( l z ) = i 瓦= c ： ( 2 1 ) 式中，t 一薄膜衬基的透射率，吸收体的透射率。 目前国内研究出l i g a 工艺厚吸收体掩膜的制作技术主要有两种 7 3 , 7 4 ，即二 步图形转移法及一次掩膜成型法，我们采用后一种方法，其工艺过程如图争8 所 示： a 、在厚0 1 8 m m 的抛光玻璃片上制作一层厚度为2l lm 的聚酰亚胺( pi ) 薄膜作 为深层x 射线光刻掩膜的衬基； b 、在聚酰亚胺表面磁控溅射l 2 i l m 厚的c u 膜做为电铸时的导电层： c 、在室温下，经过多次自旋涂覆光刻胶，使膜厚达1 0 i im 以上，经选择性曝 硕士学位论文第二章微透镜阵列注射成型实验模具研制 光及显影形成光刻胶图形： d 、将托载光刻胶膜结构的金属c u 底层作为阴极进行电铸，制成厚度大于1 0 u m 的金( au ) 结构为掩膜吸收体： e 、去除光刻胶及下面的c u 膜： f 、背面开出窗口，从而得到一块完整的深层x 射线光刻掩膜。 微透镜阵列掩膜图案如图2 - 9 所示，图中阴影部分为金( a u ) 吸收体。 e 裟 a ) 。 一 凹气跹 目铂l 嚏已竺当厚竺1 咖 抗蚀荆 t d e )眩竺铂皓勰 图2 - 8x 射线掩膜制作工艺过程 f i 9 2 8p r o c e s so fm k i n gx - r a ym a s k t 。o i， e 1 寸l 上_ 图2 - 9 微透镜阵列掩膜图案 f i 9 2 9m a s kp 8 t t e r no fm i c r o l e n sa r r a y ( 2 )涂光刻胶，制作曝光模板 首先，在硅片上溅射一层2i j1 1 1 厚的金属钛，用双氧水将其表面氧化。在p 蛳a 预聚体中加入1 的过氧化二苯甲酰和二基苯胺，将配制好的预聚体浇铸到基片 上，使其固化。获得的p l m a 光刻胶用精密铣床铣至所需要厚度3 0 0pm ，然后放入 烘箱中进行热处理后就可获得所需的曝光模板1 7 6 - 7 7 。 ( 3 ) 曝光 将x 射线掩膜置于光刻胶上，利用同步x 射线进行曝光。通过同步x 射线将 掩膜板上阵列图案转移到光刻胶上，由于p m m a 为正性光刻胶，所以得到的光 刻胶上的图案与掩膜板相同。同步辐射x 光深层曝光时间r 取决于很多因素，可 用如下函数表示： f = ( e , 8 ，t ，h ，d ，t ) ( 2 - 2 ) 式中，e 一电子能量，曰一为磁场强度，d 一光刻胶与光源的距离，l 一电子束流 2 l 硕士学位论文第二章微透镜阵列注射成型实验模具研制 强度，h 一样品垂直扫描距离，d 一光刻胶厚度，r 一过滤片、曝光腔气体和掩模 板透光薄膜透光率 ( 4 ) 显影 显影的目的是要通过显影液刻蚀出我们所要的微圆柱阵列。正性光刻胶 p m i a 被x 射线照到的部分，分子链断裂，可被显影液洗去，而未被x 射线照到 的部分则保留在基板上，形成直径为2 0 0l im 高3 0 0 l l1 1 1 的微圆柱阵列。显影完成 后用离子水冲洗干净。再用氮气吹干。显影液的配制为：2 0 份( 体积) 四氢一l ，4 一 恶嗪，5 份2 一胺基乙醇一l ，6 0 份二乙二醇独丁醚及1 5 份水。 ( 5 ) 微电铸 将微圆柱阵列光刻胶板图案面朝下，固定在真空镀膜机真空室的项部，从 底部蒸发纯净的银，使光刻胶表面沉积上极微细的金属银颗粒，形成一个只有 零点几微米厚的银层这样，光刻胶板上的微圆柱阵列图案真实的转移到金属 银表面上，形成了金属模板的最初雏型，同时在以后的加厚电铸中，也作为阴 极芯将不断吸引镍离子在其上沉积这一导电层要求均匀、致密，不能有针孔或 疵点 由于基底是光刻胶板，与金属层的结合较差，所以内应力的不均匀分布很 容易引起电铸镍层的曲卷，以致脱落选择了氨基磺酸镍作为电解液的主盐，这 是因为该电解液所得电铸层的内应力最低氨基磺酸镍产生的内应力为拉应力， 表现为电铸层边缘曲卷为了进一步减少应力，应在电解液中加入适量添加剂， 改变应力的添加剂有两类：一类产生拉应力，一类产生压应力，只要适当调节 其添加量，可使得压应力与拉应力相抵消加入一定量上述两种应力消除剂， 得到内应力极低的电铸镍层应力的消除在电铸2 0 i im 以上的厚镍层时，显得 更加重要一般电铸一个模具需要2 3 周时间，电铸结束后，将光刻胶板从镍板 上分离，经线切割、攻螺纹孔等后续加ta p 得镍型芯镶件。 通过该工艺制作的微圆柱阵列型芯镶件如图2 - 1 0 所示。 硕士学位论文第二章微透镜阵列注射成型实验模具研制 图2 - 1 0 l i g a 技术制作的微圆柱阵列型芯镶件( a 镍型芯镶件b 2 0 0 u m 微圆柱阵列显微 照片) f i 9 2 一1 0 f 且b r i c a t e dm i c r o c o l u m n sa r r a ym o t d i n s e r tb yl i g at e c h n o l o g y ( a r e a lv i e w o ft h en i c k e lm o l di n s e r tb m i c r o s c o p ei m a g eo f2 0 0umd i a m e t e rm i c r o - c o l u e m s a r r a y ) 2 4 3 型芯镶件的清洗 制作的镍型芯镶件微圆柱孔阵列中会残留有p m m a 光刻胶，图2 1 l 为型芯 镶件的s e m 照片，显示各微孔中残留有p m m a 光刻胶。加工中还不可避免地 会沾上灰尘，须经过清洗才能使用。在注射成型中，光学塑料也可能会粘在微孔 中脱不出来。对于残留在微孔中的p m m a ，可用5 0 的甲基丙烯酸甲脂( m m a ) 溶解掉，使用超声波清洗机进行清洗。 图2 - 1 1 残留在微圆柱孔中的嗍 光刻胶 f i 9 2 1 1 r e s i d u a lp m i nm i c r o - c o l u s n sh o l e 2 5 微透镜阵列注射成型实验模具 设计制造的微透镜阵列注射成型实验模具如图2 1 2 所示。 硕士学位论文 第二章微透镜阵列注射成型实验模具研制 图2 - 1 2 微透镜阵列模具 f i g 2 - 1 2 a s s e m b l yv i e wo fa c t u a lm i c r o - l e n sa r r a ym o l d 2 6 本章小结 本章根据国内配套条件和实验研究的需要将微透镜阵列简化成微圆柱阵列， 建立了微圆柱阵列的实验模型，采用l i g a 技术制作了镍型芯镶件，研制了微透 镜阵列注射成型实验模具。为微纳结构零件注射成型技术研究和微透镜阵列产品 开发提供了一个实验平台。 硕士学位论文 第三章有流道注射成型微透镜阵列重量仿真研究 第三章有流道注射成型微透镜阵列重量仿真研究 3 1 概述 由于微透镜阵列制品很小，制品体积占注射体积( 制品体积+ 流道系统凝料 体积) 的百分比很小( 一般为5 l o ) ，流道系统的存在影响了微透镜阵列成型 重量对工艺参数调交的响应。由于制品成型重量在保压结束后不再变化，因此只 要对微透镜阵列注射成型的充填和保压过程进行仿真即可计算出流道系统和制 品的成型重量。 m o l d f l o wp l a s t i c si n s i g h t ( m p i ) 软件的m p i f 1 呷一f u s i o n 和m p i f l o w3 d 模块 均可对制品的充填( f i l lp h r a s e ) 和保压( p a c k i n gp h r a s e ) 进行仿真计算。本章 采用m p f f l o w - f u s i o n 模块进行有流道注射成型微透镜阵列制品和流道系统成型 重量仿真，研究工艺参数对制品和流道系统成型重量影响规律，探讨提高微透镜 阵列注射成型复制度的工艺优化方法。 3 2 成型重量f l o w - f u s i o n 仿真基本理论分析 3 2 1 黏性非牛顿流体力掌基本方程 ( 1 ) 连续性方程 争v 。( 肚) = o ( 3 - o 式中，p 一密度，一速度矢量。 ： ( 2 ) 运动方程 p 罢= 司峭p p g ( 3 - 2 ) 式中，p 为压力，g 为质量力矢量，三为c a u c h y 应力张量( 二阶偏应力张量) 。 ( 3 ) 能量方程 以百d t = - v g _ 吐觌( v 小吵_ ( 3 - 3 ) 式中，g 一定容比热，对于液体，g = q ，c ，一定压比热，t 一温度，g 一导 热通量向量，留；一k v t ( j 为热传导率) ，墨一内部生成热。 ( 4 ) 广义牛顿内摩擦定律 缨刁( 一 硕士学位论文 第三章有流道注射成型微透镜阵列重量仿真研究 i = ( v 盯+ ( v ) r ) ( 3 5 ) 式中，7 一流体的黏度，一应变速率张量，一单位张量。 ( 5 ) 状态方程 p = p ( p ，r ( 3 6 ) 注射成型仿真的实质是在一定的边界条件下，求满足( 3 - 1 ) 式( 3 - 6 ) 式的 解，包括熔体的压力、温度、密度、对流速度、剪切应变速率和剪切应力。但上 述方程组的求解是很困难的，必须针对具体问题进行适当的简化，才能求解【7 8 一。 3 2 2 充模流动的控制方程 对聚合物熔体充模流动行为进行如下假设和简化 s o l ： ( 1 ) 假设模腔x 、y 方向上的厚度尺寸远大于z 方向上的厚度尺寸，认为熔体是 在扁平型腔内流动的，如图3 1 所示，且熔体黏度大，熔体的充模流动可视 为扩展层流。因此可以忽略z 方向的速度分量，且认为压力不沿z 向变化， 即 印t - ：o ： 出 ( 2 在充模流动过程中，型腔内压力不是很高，且合适的浇口数量布置可避免 局部过压现象，引入熔体的不可压缩假设，即v 印= 0 ； ( 3 ) 由于熔体黏度大，相对于黏性剪切力而言。惯性力和质量力都很小( 雷诺 数( r 。 1 0 - 2 ) ，可忽略不计，即忽略( 3 8 ) 式中的惯性项p i d u 和重力项昭， 1 1 1 此外还可忽略熔体的弹性效应。 ( 4 ) 在熔体流动方向( x ，y 方向) 上，相对于热对流项而言，热传导项很小( 佩 克莱特数见 o ； ( 4 ) 9 2 愧( 一) 坛r 删，t 0 ，窜为模壁处热流，吃为熔体和模 壁之间的热传导系数。 4 2 3 保压过程的控制方程 充填结束后，进入保压阶段，由于塑料熔体在型腔中流动的雷诺数很小 ( r 。 1 0 _ 2 ) ，熔体在型腔中流动为蠕动，惯性力和质量力可以忽略不计，根据 黏性非牛顿流体力学基本方程( 见3 2 1 节) 可导出型腔内保压过程的3 d 仿真 硕士学位论文第四章无流道注射成型徽透镜阵列重量仿真研究 控制方程“”i ： - v 口= 口( 鲁+ v p ) 一( 詈+ v r ) h 哪 。= 唧+ v - ( 2 刁i 一詈刁丹刁 ， 孵( 詈+ u v t ) = v 心v r ) + ( 鲁+ “即) + 2 叩! ：! h 回 拥口= 古，为等温压缩系数，= 吉( 等) ，为等压热膨胀系数。控制方 程中四种重要的材料性质黏度、密度、比热容和热传导率见3 2 3 节。 建立了保压过程的控制方程后，将充填仿真结束时的温度场、压力场作为保 压模拟的初始条件，入口处压力只( f ) 作为边界条件，采用有限元有限差分混合 法即可对保压过程型腔中的压力场、温度场进行数值求解。 4 2 4 微透镜阵列成型重量的计算 将保压结束时的温度场压力场数值代入式( 3 - 2 1 ) 的双域t r a i t 状态方程， 求得傈乐结粜时制品髯i 董的密摩分布结合式( 1 3 ) 即可求得制品的萤量。 4 3m p l f l o w3 d 仿真 4 3 13 d 有限元网格的划分 无论使用何种有限元软件进行仿真分析，划分网格建立有限元模型进行分析 得到一个结果并不困难，但要得到一个可信的结果却不简单。有限元网格划分是 进行有限元数值模拟分析至关重要的一步。网格质量直接影响着后续数值计算分 析结果的精确性，质量太差的网格甚至会中止计算。直观上看，网格各边或各个 内角相差不大、网格面不过分扭曲、边节点位于边界等分点附近的网格质量较好， 网格质量可用细长比、锥度比、内角、翘曲量、拉伸值、边节点位置偏差等指标 度量。m o l d f l o w 中3 d 网格的划分，首先要生成表面三角形网格( f u s i o n 网格) ， 在表面三角形网格的基础上再生成四面体网格( 3 d 网格) ，3 d 网格的质量主要 由f u s i o n 网格的质量决定，3 d 网格生成后再修改就极其费时费力。本研究中， 首先对f u s i o n 网格划分进行了大量的优化修改工作，力求生成高质量的3 d 网格， 多次优化自动生成的f u s i o n 网格、手动修改后的f u s i o n 网格如图4 - 2 、图4 3 所示。外观和网格状态统计表明由自动生成及经修改后的f u s i o n 网格生成的3 d 网格质量较差。 4 7 硕士学位论文 第四章无流道注射成型微透镜阵列重量仿真研究 图4 - 2 m o l d f l o wp l a s t i c si n s i g h t0 腰i ) 中自动生成的f u s i o n 网格 f i 9 4 2 a u t o m a t i c a l l yg e n e r a t e df u s i o nm e s hi nm o l d f l o wp l a s t i c si n s i g h t0 口i ) 图4 - 3 k o l d f l o wp l a s t i c si n s i g h t ( m p i ) 中人工修改后的f u s i o n 网格 f i 9 4 3 1 t i a n u a !