外文翻译-复杂微几何注塑模具的开发

毕业设计文献翻译院（系）名称工学院机械系专业名称材料成型及控制工程2012年03月10日复杂微几何注塑模具的开发摘要本文将跟踪开发制造微流控芯片注塑模具的设计和结果，集成毛细管流体互连的存在，使模具设计和注塑成型工艺复杂化。我们确定，负责把熔融塑料送到型腔流道和浇口系统的设计对生产的零件的型腔和工艺窗口的尺寸产生很大的影响。数值结果证实了我们的调查结果，减少栅极长度和增加部分的厚度，大大提高了填充截面，并降低了37的注射压力。最后，对浇口位置部分收缩的影响进行了分析和讨论。1简介注塑成型是微流体器件的大规模生产最便宜的制造技术，微流体器件的大规模生产BECKER和GARTNER2008FIORINI和CHIU2005HECKELE和SCHOMBURG2004。这一直都是许多出版物报道使用注塑成型技术制造多种微型器件背后最主要的原因，包括微流体装置ATTIAETAL2009CHENETAL2010KIMETAL2006LEEETAL2005SUETAL2004TOSELLOETAL2010。然而，这些文件一般侧重于设备的设计与有限或没有讨论模具的设计。这种情况的一个原因是，模具疏忽是一个重大的成本，因此进行实验相关模具设计是昂贵的。此外，大多数商业注塑机的模具设计的丰富经验的或昂贵的模拟软件，这两者都是超出了大多数学术研究。虽然有传统的注塑设计的可用资源ROSATOETAL2000，大多数研究人员在设计注射模时往往是第一时间追求昂贵耗时的试验和错误的方法。本文将探讨我们修订的两套注塑工具。结果部分已是过去几年里发表的几个出版物的主要部分CHENETAL2008GEIGERETAL2010MAIRETAL2007MAIRETAL2006MAIRETAL2009STACHOWIAKETAL2007。模具的设计很复杂，包含集成毛细管流体互连。而彻底的注塑模具设计指南是超出了本文的范围，我们的目的是提供一些有识之士的微社会为他们设计他们自己的模具。2注塑模具第一种模式的目的是要解决传统的模具局限性，如图1所示，图1关键的注塑模具术语强调传统与模型。注意在中心部分的浇口，导致部分的长度沿厚度的急剧性变化存在于工作被提出之前。由于完全填补模具浇口位置需要的高压力，零部件生产，中间比两端厚。任何压力的减少，相对于平坦部分将导致模具的不完全填充。因此，对初步设计的主要目标是使长度和宽度方向厚度均匀。为此，设计流道和浇口在多个地点提供聚合物熔。栅极长度受到限制的几何形状的微型模具插入，这简直是夹在双方注塑模具之间。随着这一设计，其他功能被添加到模具。最值得注意的是，毛细管流体互连被集成到部分设计之中。这使我们能够减少设备工作所需的后处理MAIRETAL2006。此外，模具设计成一个“样版”的模具，使芯片的两半在同一时间成型，即使他们有很大不同的形状和体积。模具的主要特征详见图2。图2原来的模具设计，沿横截面，显示模具的两半。内浇道被延长沿腔两侧，每侧有五个浇口，努力提高厚度均匀。该微型模具插入是夹紧在两半模具之间，规定长度的浇道。两腔同时成型，尽管在体积，由于集成端口的存在差异。注意，在实际的模具，门腔相同的深度虽然有可能成功地塑造这个最初的设计中使用的微流体装置，模具遭受来自特定的弱点。首先，部分所载靠近浇口的内部残余应力水平高。这些压力是导致热粘合过程中的重要组成部分，在加热后的浇口收缩。基本上，键合过程允许高度强调聚合物放松、变形的零件。其次，虽然部分平坦，更一致，但部分出奇的从浇道位置进一步厚。第三，我们观察到在集成端口，其中比截面芯片厚收缩。这收缩本身，有时作为一个空白，在其他时间作为一个接收器的标记。最后，有没有保留的微模仁机制。因此，微型模具插入往往会被删除，从模具的一部分，必须手动删除。在大约一千个周期的过程中，模具开始穿使得它难以正确填写不闪动的模具。我们决定在这个时候修改的模具，以提高其性能。然而，为了获得额外的洞察力，模具设计过程中，用模流软件（最近，由AUTODESK,WALTHAM,MASSACHUSETTS收购）来模拟注塑成型过程。为此，事后分析，进行初步设计，并与实验结果非常密切的结果一致。最值得注意的是，最值得注意的是，它被发现，稀松浇口设计所观察到的问题的根源。具体来说，浇道太长，决定了由几何形状设计的夹紧技术插入的用来支承的微型模具。因此，跨浇口压降过高，导致一个“犹豫”的效果在第一浇口。换句话说，塑料流经浇道，来到第一浇口就继续往下的一部分，而不是填补浇道。这导致了一个明显的皮肤形成了浇道，由于“喷泉流”流动的熔融塑料（TADMOR1974），实际上这部分从后回了到前。这些结果表明的数值和实验研究如图3。图3比较实验结果与数值分析（上）（下）。先后通过增加球的大小，它是明确的部分趋向于填补从“回”到“前”。这一结果证实了数值较高的压力需要填补了前面的部分。这个协议给了我们一个高的信心值对于提供的软件模流分析也证实了在集成端口的观察收缩。在一个典型的注塑设置，收缩的部分缓解，继续通过内部的一部分，以填补从外面的塑料冷却的一部分。这个过程为“包装”部分。然而，在这种情况下，为塑料填写的端口，它必须首先流经芯片的厚度。由于该芯片具有更薄的截面比的端口，它是难以妥善包装，继续冷却和收缩后的芯片本身冻。灌装/包装过程通过不同的腔进一步复杂，腔作为填充远低于无特色腔。3修订的注塑模具原设计的结果和事后分析的基础上，很明显，该浇注系统限制了原始模具设计的性能。因为微型模具插入夹紧技术是第一浇口设计的驱动因素，我们专注于努力重新设计的模具插入夹紧机制和浇注系统。由此产生的设计如图4所示。本设计采用机械夹具插入到位，这也有助于形成模具型腔和浇口支承。浇口自己被缩短25至05毫米，以尽量减少任何的回流，作为塑料流下了流道。最后，端口一侧的腔厚度增加了一倍，从05到1毫米，大大提高了流动和平衡两腔之间的流动。如图4所示，新浇口计和厚腔必要的成型压力减少37，大大开拓我们的加工窗口。虽然，它是不可能在厚截面注入，我们希望，要求较低的压力和较厚腔将使我们能够减轻较厚端口部分观察到的任何收缩。图4修订后的流道和浇口（顶部）和夹紧机构（底部）的数值模型。缩短浇口减少所需的注射压力从135到85兆帕。此外，夹（深灰色）允许插入被牢固地与其他插入具有不同的微通道设计的交换经修订的设计，注塑成型过程有显着较大的工艺窗口，取得了更高质量的零件，并改善重复性重复性最终提高产量和减少浪费。不幸的是，半自动操作的模具，收缩缺陷在端口的形式的空隙和交错偶尔会因不同的周期时间继续发生，新的夹持系统优于以往的设计，大大降低了我们的周期时间，并延长微加工模具的寿命。4结论详见本文，模具开发是一项昂贵和费时费力的工作，特别是对于那些经验不多的复杂模具设计和聚合物加工。这项工作的主要结论是1必须有一个适当的流道和浇口设计设计不当的流道和浇口可以导致失败和意想不到的结果。我们的浇注系统的修订，是我们在模具性能方面所作的最显着的变化。作为一般规则，浇口应该尽可能短，以防止聚合物过早冻结在浇口。2收缩可能时，应填写腔的厚截面第一。这确保了最厚的截面仍然可以进行包装，即使薄截面已经完全冻结。3系列模具引进困难当多腔成型，具有不同的几何形状和体积，同时填补腔和平衡流道和浇口控系统是难以适当的。通过模具与浇道切断阀的设计这些困难是可以解决的。参考文献ATTIAUM,MARSONS,ALCOCKJR2009MICROINJECTIONMOULDINGOFPOLYMERMICROFLUIDICDEVICESMICROFLUIDNANOFLUIDS7128BECKERH,GARTNERC2008POLYMERMICROFABRICATIONTECHNOLOGIESFORMICROFLUIDICSYSTEMSANALBIOANALCHEM39089111CHENG,SVECF,KNAPPDR2008LIGHTACTUATEDHIGHPRESSURERESISTINGMICROVALVEFORONCHIPFLOWCONTROLBASEDONTHERMORESPONSIVENANOSTRUCTUREDPOLYMERLABCHIP811981204CHENCS,CHENSC,LIAOWHETAL2010MICROINJECTIONMOLDINGOFAMICROFLUIDICPLATFORMINTCOMMUNHEATMASSTRANSF3712901294FIORINIGS,CHIUDT2005DISPOSABLEMICROFLUIDICDEVICESFABRICATION,FUNCTION,ANDAPPLICATIONBIOTECHNIQUES38429446GEIGEREJ,PISANOAP,SVECF2010APOLYMERBASEDMICROFLUIDICPLATFORMFEATURINGONCHIPACTUATEDHYDROGELVALVESFORDISPOSABLEAPPLICATIONSJMICROELECTROMECHSYST19944950HECKELEM,SCHOMBURGWK2004REVIEWONMICROMOLDINGOFTHERMOPLASTICPOLYMERSJMICROMECHMICROENG14R1R14KIMDS,LEESH,AHNCHETAL2006DISPOSABLEINTEGRATEDMICROFLUIDICBIOCHIPFORBLOODTYPINGBYPLASTICMICROINJECTIONMOULDINGLABCHIP6794802LEEDS,YANGH,CHUNGKH,PYOHB2005WAFERSCALEFABRICATIONOFPOLYMERBASEDMICRODEVICESVIAINJECTIONMOLDINGANDPHOTOLITHOGRAPHICMICROPATTERNINGPROTOCOLSANALCHEM7754145420MAIRDA,GEIGERE,PISANOAPETAL2006INJECTIONMOLDEDMICROFLUIDICCHIPSFEATURINGINTEGRATEDINTERCONNECTSLABCHIP613461354MAIRDA,ROLANDIM,SNAUKOMETAL2007ROOMTEMPERATUREBONDINGFORPLASTICHIGHPRESSUREMICROFLUIDICCHIPSANALCHEM7950975102MAIRDA,SCHWEITR,DINIOTSETAL2009USEOFPHOTOPATTERNEDPOROUSPOLYMERMONOLITHSASPASSIVEMICROMIXERSTOENHANCEMIXINGEFFICIENCYOFONCHIPLABELINGREACTIONSLABCHIP9877883ROSATODV,ROSATODV,ROSATOMG2000INJECTIONMOLDINGHANDBOOKSPRINGERVERLAG,USASTACHOWIAKTB,MAIRDA,HOLDENTGETAL2007HYDROPHILICSURFACEMODIFICATIONOFCYCLICOLEFINCOPOLYMERMICROFLUIDICCHIPSUSINGSEQUENTIALPHOTOGRAFTINGJSEPSCI3010881093SUYC,SHAHJ,LINL2004IMPLEMENTATIONANDANALYSISOFPOLYMERICMICROSTRUCTUREREPLICATIONBYMICROINJECTIONMOLDINGJMIC