微型注塑模具设计理论与技术基础研究课件

微注塑成型塑料齿轮的研究北京化工大学庄俭博士后2008-06-19微注塑成型塑料齿轮的研究北京化工大学庄俭博士后报告内容微齿轮塑件的结构设计微齿轮塑件成型数值模拟微齿轮模具的设计及加工

微齿轮塑件成型工艺哑铃型微塑件的成型研究报告内容微齿轮塑件的结构设计微注塑成型技术的核心内容成型设备产品的处理和检测系统成型模具成型过程CAE技术成型基础理论成型工艺成型材料微注塑成型技术微塑件的结构设计微注塑成型技术的核心内容成型设备产品的处理和检测系统成型模具微齿轮塑件的结果设计圆柱直齿齿轮：齿轮模数m＝0.1

压力角α＝20°齿数Z＝10

分度圆直径d＝1mm型腔中心的小型芯直径dc＝0.3mm

齿宽b=100μm

微齿轮塑件的结果设计圆柱直齿齿轮：

微塑件产品举例Ribcon®

connectorAninfraredmicrospectrometersystemUV-LIGAmoldinsertofanickelalloy(20×20×5mm3).Microgear微塑件产品举例Ribcon®connectorAninBloodtypingmicrofluidicbiochipBloodtypingmicrofluidicbioc微齿轮塑件成型的数值模拟

利用Moldflow软件模拟POM、PP、ABS三种材料微型齿轮的注塑成型填充过程，分析熔体温度、模具温度、注射压力和注射速率四个工艺参数对微型齿轮填充效果的影响。LG化学

POM

LucelN-127MitsuiAdvancedComposites

PP

F227台湾奇美

ABS

757微齿轮塑件成型的数值模拟利用Moldflo数值模拟结果数值模拟结果在170~200℃时，PP材料熔体温度的增加对填充率提高有明显作用；在200~230℃时，POM材料熔体温度的增加对齿轮填充率影响较大。模具温度和注射压力对不同材料齿轮填充率的影响基本呈线性递增的趋势。注射速率在较低的水平下对填充率的影响较为显著，当注射速率水平超过144mm/s后，其影响程度明显下降。模拟结果在170~200℃时，PP材料熔体温度的增加对填充率提高有明微齿轮塑件的模具设计与加工

微注塑成型模具的关键技术包括模温控制系统、排气系统、合模机构、顶出机构、型腔镶块设计及其加工方法。目前，用于微注塑模具型腔制造的主要加工方法如下：加工方法典型机构尺寸典型深宽比模具镶块材料超精度铣削100~1000μm10~50镍，铝电火花加工10~1000μm10~100钢激光烧灼及电镀5~500μm1~10镍合金硅微细加工及电镀2~500μm1~10镍合金UV-LIGA2~500μm1~10镍合金LIGA0.5~1000μm10~100镍合金电子束光刻及电镀0.1~0.5μm1~2镍合金微齿轮塑件的模具设计与加工微注塑成型模具的关键技术包UV-LIGA技术成形微齿轮型腔的工艺过程UV-LIGA技术成形微齿轮型腔的工艺过程UV-LIGA技术制造型腔镶块掩膜板实物照片微齿轮型腔局部放大显微镜照片

残留SU－8胶的微齿轮型腔

去胶干净的微齿轮型腔UV-LIGA技术制造型腔镶块掩膜板实物照片微齿轮型腔局部放微齿轮塑件的成型工艺风冷式冷水机

工作温度：>5oC

MT-6L/6H型模温机

适应温度：50-160oC

媒体：热美亚油加热能量：6kw

油箱容量：11LBOY12A型微注塑机最大注塑行程：50mm最大注塑速率：240mm/sec最大螺杆直径：18mm合模力：129kN最大注塑压力：179.5MPa

实验设备微齿轮塑件的成型工艺风冷式冷水机MT-6L

水平因素水平水平1水平2水平3A注射压力（MPa）A1＝110A2＝130A3＝150B注射速率（％）B1＝45B2＝65B3＝85C保压压力（MPa）C1＝90C2＝110C3＝130D模具温度（℃）D1＝70D2＝100D3＝130E熔体温度（℃）E1＝180E2＝200E3＝220F注射量（cm3）F1＝0.76F2＝0.89F3＝1.02工艺实验因素水平表水平水POM材料微型齿轮成型工艺实验因素内容注射压力注射速率保压压力模具温度熔体温度注射量实验误差极差分析结果13.0017.3322.1741.8356.8320.335.67方差分析贡献率2.13%4.77%6.75%25.80%49.43%6.73%4.39%极差分析最佳水平150MPa85%130MPa130℃220℃0.76cm3—最佳工艺条件组合110MPa85%90MPa130℃220℃0.76cm3—实验结果POM材料微型齿轮成型工艺实验因素注射压力注最佳工艺条件

注射压力110MPa；注射速率85%；保压压力90MPa；模具温度100℃；熔体温度220℃；注射量0.76cm3。POM材料微型齿轮最佳工艺条件注射压力110MPa；注射速率85%；保压压实验总结因素内容注射压力注射速率保压压力模具温度熔体温度注射量实验误差POM方差分析结果2.13%4.77%6.75%25.8%49.43%6.73%4.39%PP方差分析结果8.74%5.69%—40.86%32.95%7.3%4.47%POM最佳工艺条件110MPa85%90MPa130℃220℃0.76cm3—PP最佳工艺条件110MPa65%90MPa100℃200℃1.02cm3—模具温度和熔体温度是至关重要的因素，但两者的重要程度与材料不同而有所区别。但模温和熔体温度过高会引起微型塑件的质量缺陷，如塑件收缩率较大、产生飞边和翘曲等现象。相同成型工艺条件下，PP材料微型齿轮平均填充率达到了77.9%，POM材料的微型齿轮平均填充率为37.4%，而ABS材料则很难填充进微型齿轮型腔。齿顶部分最难填充，可以采取预先将模腔抽成真空的方法，这样可以明显改善塑件的成型质量。实验总结因素注射压力注射速率保压压力模具温度哑铃型微塑件的设计符号尺寸（mm）主流道Dsp11Dsp22.98Lsp34分流道Lpr3Wpr2Hpr1.5Rpr1浇口Wg1ag90oLg1.5微型腔L34W9Ld11Lch7Wch0.5/0.1H0.5/0.1哑铃型微塑件的设计符号尺寸（mm）主流道Dsp11Dsp22(a)Pin=80MPa(b)Pin=100MPa(c)Pin=120MPa(d)Pin=150MPa(a)vin=35%(b)vin=38%(c)vin=55%(d)vin=58%

不同注塑压力下熔体的温度分布不同注塑速度下熔体的温度分布哑铃型微塑件成型数值模拟(a)Pin=80MPa微尺度效应对熔体充模流动过程的影响分析

宽度500μm微通道入口和出口处的速度分布

（c）考虑瞬态对流换热系数模型（d）考虑微尺度粘度模型和瞬态对流换热系数模型（a）不考虑微尺度效应（b）考虑微尺度粘度模型微尺度效应对熔体充模流动过程的影响分析宽度500μm微通道

当不考虑微尺度效应时，入口处和出口处熔体速度均相对较低，其中入口处的速度最大值为775mm/s。微尺度粘度和瞬态对流换热系数模型的单独作用和耦合作用时，微通道入口处和出口处熔体速度均有所增加，其中入口处的最大值分别为997mm/s、989mm/s和1134mm/s，但耦合作用时的速度增加值并不是单独作用时速度增加值的简单叠加。结果分析当不考虑微尺度效应时，入口处和出口处熔体速度通道宽度100μm的微结构塑件成型工艺数值分析

工艺参数对100μm微结构塑件填充率的影响

与通道宽度500μm微结构塑件成型情况相比，各工艺参数对填充率的影响程度发生变化，即随微结构塑件特征尺寸的减小，模具温度对填充率的影响明显增强，注射压力和注射行程对填充率的影响较为明显，而熔体温度和注射速度的影响则相对较小。通道宽度100μm的微结构塑件成型工艺数值分析工艺参数对1w=50μm微流道的SEM电镜照片w=100μm微流道SEM电镜照片哑铃型微塑件模具的设计与加工采用UV-LIGA技术和微细电火花技术加工的微型腔安装在微注塑成型机上的模具w=50μm微流道的SEM电镜照片w=100μm微流道SEM电加热水冷却式模具变温系统

电加热水冷却式模具变温系统哑铃型微塑件的成型工艺实验（a）第1组试验（b）第4组试验通道宽度500μm微结构塑件代表样件的体视显微照片（c）第8组试验哑铃型微塑件的成型工艺实验（a）第1组试验（b）第4组试验通（a）第6组试验（b）第8组试验（c）第10组试验通道宽度100μm微结构塑件代表样件的体视显微照片（a）第6组试验（b）第8组试验（c）第10组试验通道宽度1各工艺参数贡献率的饼状图(500μm)

从图中可见，注射行程和注射行程与注射压力交互作用的贡献率较大，其它依次为注射压力、注射速度、注射行程与注射速度的交互作用、注射压力与注射速度的交互作用、模具温度。各工艺参数贡献率的饼状图(500μm)从图中各工艺参数贡献率的饼状图(100μm)

从图中可见，模具温度对填充率的贡献率最大，注射行程，注射压力，注射行程与注射压力的交互作用次之，而注射压力与注射速度的贡献率较小。与通道宽度为500μm微结构塑件的交互作用试验结果比较可知，随微结构塑件特征尺寸的减小，模具温度的贡献率明显增加，注射行程与注射压力交互作用的贡献率减小。各工艺参数贡献率的饼状图(100μm)从图中敬请各位嘉宾批评指正!敬请各位嘉宾批评指正!微注塑成型塑料齿轮的研究北京化工大学庄俭博士后2008-06-19微注塑成型塑料齿轮的研究北京化工大学庄俭博士后报告内容微齿轮塑件的结构设计微齿轮塑件成型数值模拟微齿轮模具的设计及加工

微齿轮塑件成型工艺哑铃型微塑件的成型研究报告内容微齿轮塑件的结构设计微注塑成型技术的核心内容成型设备产品的处理和检测系统成型模具成型过程CAE技术成型基础理论成型工艺成型材料微注塑成型技术微塑件的结构设计微注塑成型技术的核心内容成型设备产品的处理和检测系统成型模具微齿轮塑件的结果设计圆柱直齿齿轮：齿轮模数m＝0.1

压力角α＝20°齿数Z＝10

分度圆直径d＝1mm型腔中心的小型芯直径dc＝0.3mm

齿宽b=100μm

微齿轮塑件的结果设计圆柱直齿齿轮：

微塑件产品举例Ribcon®

connectorAninfraredmicrospectrometersystemUV-LIGAmoldinsertofanickelalloy(20×20×5mm3).Microgear微塑件产品举例Ribcon®connectorAninBloodtypingmicrofluidicbiochipBloodtypingmicrofluidicbioc微齿轮塑件成型的数值模拟

利用Moldflow软件模拟POM、PP、ABS三种材料微型齿轮的注塑成型填充过程，分析熔体温度、模具温度、注射压力和注射速率四个工艺参数对微型齿轮填充效果的影响。LG化学

POM

LucelN-127MitsuiAdvancedComposites

PP

F227台湾奇美

ABS

757微齿轮塑件成型的数值模拟利用Moldflo数值模拟结果数值模拟结果在170~200℃时，PP材料熔体温度的增加对填充率提高有明显作用；在200~230℃时，POM材料熔体温度的增加对齿轮填充率影响较大。模具温度和注射压力对不同材料齿轮填充率的影响基本呈线性递增的趋势。注射速率在较低的水平下对填充率的影响较为显著，当注射速率水平超过144mm/s后，其影响程度明显下降。模拟结果在170~200℃时，PP材料熔体温度的增加对填充率提高有明微齿轮塑件的模具设计与加工

微注塑成型模具的关键技术包括模温控制系统、排气系统、合模机构、顶出机构、型腔镶块设计及其加工方法。目前，用于微注塑模具型腔制造的主要加工方法如下：加工方法典型机构尺寸典型深宽比模具镶块材料超精度铣削100~1000μm10~50镍，铝电火花加工10~1000μm10~100钢激光烧灼及电镀5~500μm1~10镍合金硅微细加工及电镀2~500μm1~10镍合金UV-LIGA2~500μm1~10镍合金LIGA0.5~1000μm10~100镍合金电子束光刻及电镀0.1~0.5μm1~2镍合金微齿轮塑件的模具设计与加工微注塑成型模具的关键技术包UV-LIGA技术成形微齿轮型腔的工艺过程UV-LIGA技术成形微齿轮型腔的工艺过程UV-LIGA技术制造型腔镶块掩膜板实物照片微齿轮型腔局部放大显微镜照片

残留SU－8胶的微齿轮型腔

去胶干净的微齿轮型腔UV-LIGA技术制造型腔镶块掩膜板实物照片微齿轮型腔局部放微齿轮塑件的成型工艺风冷式冷水机

工作温度：>5oC

MT-6L/6H型模温机

适应温度：50-160oC

媒体：热美亚油加热能量：6kw

油箱容量：11LBOY12A型微注塑机最大注塑行程：50mm最大注塑速率：240mm/sec最大螺杆直径：18mm合模力：129kN最大注塑压力：179.5MPa

实验设备微齿轮塑件的成型工艺风冷式冷水机MT-6L

水平因素水平水平1水平2水平3A注射压力（MPa）A1＝110A2＝130A3＝150B注射速率（％）B1＝45B2＝65B3＝85C保压压力（MPa）C1＝90C2＝110C3＝130D模具温度（℃）D1＝70D2＝100D3＝130E熔体温度（℃）E1＝180E2＝200E3＝220F注射量（cm3）F1＝0.76F2＝0.89F3＝1.02工艺实验因素水平表水平水POM材料微型齿轮成型工艺实验因素内容注射压力注射速率保压压力模具温度熔体温度注射量实验误差极差分析结果13.0017.3322.1741.8356.8320.335.67方差分析贡献率2.13%4.77%6.75%25.80%49.43%6.73%4.39%极差分析最佳水平150MPa85%130MPa130℃220℃0.76cm3—最佳工艺条件组合110MPa85%90MPa130℃220℃0.76cm3—实验结果POM材料微型齿轮成型工艺实验因素注射压力注最佳工艺条件

注射压力110MPa；注射速率85%；保压压力90MPa；模具温度100℃；熔体温度220℃；注射量0.76cm3。POM材料微型齿轮最佳工艺条件注射压力110MPa；注射速率85%；保压压实验总结因素内容注射压力注射速率保压压力模具温度熔体温度注射量实验误差POM方差分析结果2.13%4.77%6.75%25.8%49.43%6.73%4.39%PP方差分析结果8.74%5.69%—40.86%32.95%7.3%4.47%POM最佳工艺条件110MPa85%90MPa130℃220℃0.76cm3—PP最佳工艺条件110MPa65%90MPa100℃200℃1.02cm3—模具温度和熔体温度是至关重要的因素，但两者的重要程度与材料不同而有所区别。但模温和熔体温度过高会引起微型塑件的质量缺陷，如塑件收缩率较大、产生飞边和翘曲等现象。相同成型工艺条件下，PP材料微型齿轮平均填充率达到了77.9%，POM材料的微型齿轮平均填充率为37.4%，而ABS材料则很难填充进微型齿轮型腔。齿顶部分最难填充，可以采取预先将模腔抽成真空的方法，这样可以明显改善塑件的成型质量。实验总结因素注射压力注射速率保压压力模具温度哑铃型微塑件的设计符号尺寸（mm）主流道Dsp11Dsp22.98Lsp34分流道Lpr3Wpr2Hpr1.5Rpr1浇口Wg1ag90oLg1.5微型腔L34W9Ld11Lch7Wch0.5/0.1H0.5/0.1哑铃型微塑件的设计符号尺寸（mm）主流道Dsp11Dsp22(a)Pin=80MPa(b)Pin=100MPa(c)Pin=120MPa(d)Pin=150MPa(a)vin=35%(b)vin=38%(c)vin=55%(d)vin=58%

不同注塑压力下熔体的温度分布不同注塑速度下熔体的温度分布哑铃型微塑件成型数值模拟(a)Pin=80MPa微尺度效应对熔体充模流动过程的影响分析

宽度500μm微通道入口和出口处的速度分布

（c）考虑瞬态对流换热系数模型（d）考虑微尺度粘度模型和瞬态对流换热系数模型（a）不考虑微尺度效应（b）考虑微尺度粘度模型微尺度效应对熔体充模流动过程的影响分析宽度500μm微通道

当不考虑微尺度效应时，入口处和出口处熔体速度均相对较低，其中入口处的速度最大值为775mm/s。微尺度粘度和瞬态对流换热系数模型的单独作用和耦合作用时，微通道入口处和出口处熔体速度均有所增加，其中入口处的最