微注射成型制品的可视化模具设计
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摘要：
分析了超声波施加方式对微制品上微结构成型质量的影响机理。通过可视化试验用高速摄像机实时观测记录聚合物熔体在模具型腔微结构处的充模流动与凝固定型，设计了一种以反射光方式观察超声波引入微制品注射成型过程的可视化模具。并对石英玻璃窗口进行了受力分析，以确保作为可视化窗口的石英玻璃在注射成型试验中不会被型腔内的聚合物熔体充模压力所破坏。
关键词：
1引言
微注射成型制品的微结构尺寸在微纳米量级，例如微流控芯片、导光板、细胞培养皿等。对于微注射成型过程与常规注射成型过程的不同之处，学者们通过大量的理论与试验研究，得到了一定的共识：①在模拟仿真时，对于壁面滑移、粘性耗散不能做忽略处理[1,2]；②在注射成型参数的设置上，首要的是提高模具温度，其次是提高熔体温度、注射速度和成型压力[3,4]。微注射成型的特点是，在将模具型腔的微结构复制到注射成型制品表面时，聚合物熔体黏度随温度下降而迅速增高的特性会严重影响其成型质量。具体来说，如果按照常规注射成型的经验来设置模温，则由于模具型腔的壁面温度远低于聚合物的玻璃化温度，而导致黏度已急剧增大的聚合物熔体难以将型腔的微结构进行完全包覆，也就是微型腔充填不完整。为了保证微结构制品的注射成型质量而将模具温度升高至接近聚合物的玻璃化温度，又会导致注射成型制品冷却缓慢，从而延长成型周期，并且容易使注射成型制品的宏观表面产生缩痕，影响外观质量。超声波凭借其独特的高频振动作用、热作用和空化作用等特点，已应用于许多领域的加工过程。
将超声波引入微注射成型过程，是人们尝试改善微结构制品注射成型质量的一种途径。CHENRH、CZECHOESKA-BISKUPR等人的研究表明，糖类聚合物的稀溶液在超声波的持续作用下，发生共价键断裂、高分子降解，高分子的平均分子量降低，聚合度分布趋于均匀[7,8]。受此启发，各国学者研制了适合于塑化量微小的超声波熔融塑化系统，试验结果表明，与加热塑化相比，由超声塑化得到的聚合物熔体在凝固后的微观组织结构更均匀，具有良好的均质性[9,10]。还有研究者将超声振动施加于注入模具内的聚合物熔体，发现对注射成型过程施加超声波有助于聚合物熔体的充模流动，提高制品熔接痕处的强度，降低注射成型制品的内应力[11,12]。为了对微尺度效应下聚合物的流变行为以及微结构塑件的成型质量进行深入研究，设计了一种超声波辅助微注射成型模具，将超声振子作为型腔的一部分，直接将超声振动作用于型腔内的聚合物熔体，并设计了可视化窗口，以期通过可视化方法观察分析超声波作用下的熔体流动行为以及微结构复制过程。
2超声振动施加方式的选择
在超声波辅助微注射成型的研究中，超声振动施加位置的选择有流道、型腔之分，在型腔内的作用位置又分为是位于模具微结构的同一侧还是对面一侧。参考已有文献的试验数据以及前期探索，认为超声振动施加于模具型腔的微结构镶件上最有利于提高塑件的微结构成型质量。超声振动场的高频剪切作用促进大分子链的解缠，使无规则团状分子变成链状分子。此外，超声波的空化作用以及热作用，将超声的机械振动能量转化为聚合物熔体的内能，减慢振动镶件壁面附近的聚合物熔体温度下降速度。这两方面综合在一起，产生的效果是使聚合物熔体能够在振动镶件壁面处保持低黏度的流动状态，从而改善聚合物熔体的充模流动。因此将型腔微结构设于振动镶件壁面处能最大程度地发挥超声振动的作用。
3可视化观察方式的选择
可视化模具按照观察光路的设计，主要分为以透射光方式观察和以反射光方式观察两类。日本东京大学的横井试验室在注射成型可视化研究方面作了许多工作，多是以反射光方式进行观察[13，14]。北京化工大学的杨卫民等人在研究形状对称的平衡流道所产生的熔体不平衡充填问题时是采用反射光观察方式[15，16]。大连理工大学的祝铁丽等人在研究注射成型制品收缩规律时则是采用透射光的观察方式，即型腔的上、下两面都由透明的石英玻璃围成，照明光从观察方的对面经过型腔进入摄像机[17]。因为在可视化观察窗口的对面是与超声振子相连的型腔微结构镶件，不能采用透射光方式，所以按照反射光方式进行可视化模具的设计。
4模具结构设计
设计的超声波辅助注射成型可视化研究系统主要由超声波发生器、可视化模具(如图1所示)、同轴照明长距离显微镜、高速摄像机以及数据采集系统等组成。图1中的超声振子22与动模镶件11组成动模一侧的型腔，型腔微结构加工在超声振子端面上。石英玻璃3被压块2与螺钉牢固安装在定模板上，石英玻璃窗口与超声振子端面处于上、下正对的位置。反射镜7粘接在定模板6的反射镜固定块8上。与高速摄像机相连的长距离显微镜内置照明光源。显微镜内的同轴照明光线经反射镜7的反射，透过石英玻璃3照亮型腔，再经过动模型腔表面的反射而原路返回，透过石英玻璃，由反射镜将型腔内的图像反射给高速摄像机。动模型腔的微结构部分将在超声振子的直径ϕ20mm的变幅杆端面上加工出来。为保证微结构的放电加工质量，超声振子变幅杆的材料选用放电加工性能好的NAK80模具钢，加工微结构的电极选用放电损耗极低的铜钨合金。超声振子端面的微结构设计为平行排列的3条微凸起，目的是能够在不改变电极安装位置的情况下实现一次性完成电火花的粗加工、半精加工和精加工。动模镶件中型腔微凸起结构设计与横截面尺寸如图2所示。超声振子圆柱形状的变幅杆与动模镶件是孔、轴配合，在模具装配时可以旋转超声振子的安装角度、改变动模型腔微凸起的排列方向，以便研究型腔微结构纵向与聚合物熔体充模流动方向的夹角对微结构成型质量的影响。为了注射成型结束后，塑件能够顺利脱模，动模型腔的覆盖区域大于超声振子的最大截面，以避免推杆与超声振子发生干涉。4个直径ϕ4mm的推杆孔在动模型腔中的布置如图2所示。图2型腔微凸起结构设计超声振子的变幅杆与动模镶件的安装孔之间是精密的滑动配合，因此超声振子与模具的其他部分装配时均需要留有径向的安装间隙（如图3所示）。在根据动模镶件的配合孔确定超声振子的安装位置以后，用螺钉将超声振子的压块14和安装块13牢固连接在动模板上。观察窗口的材料采用光学性能与力学性能俱佳的石英玻璃。为了防止熔体充模过程中型腔内压力将石英玻璃窗口破坏，利用注射成型仿真分析软件Moldflow和受力分析软件Ansys对石英玻璃进行强度校核。通过Moldflow软件对熔体的充填型腔过程进行模拟分析，目的是估算型腔中的最大压力。由于微结构的尺寸非常小、对熔体充填型腔过程压力的影响可以忽略不计，建模划分网格时忽略微结构。石英玻璃所覆盖区域距离型腔浇口的最近点和最远点记为A、B点，如图4(a)所示。模拟结果显示，在熔体充模开始后的0.6s，型腔内的熔体压力达到最高峰，A、B点的压力约为15.2MPa，如图4(b)所示。使用Ansys软件对石英玻璃进行静力分析（如图5所示）。为了增加安全度，强度校核时在石英玻璃的直径ϕ20mm的下端面均布20MPa的载荷，使受载压力高于注射成型熔体充填型腔模拟得到的压力分布。石英玻璃柱的高度设计尺寸为30mm，受力分析所得到的最大拉应力为15MPa，小于石英玻璃的抗拉强度49MPa，说明石英玻璃的尺寸设计是合理的。
5结束语
设计的超声波辅助微注射成型可视化模具，将超声振子端面直接作为模具微结构型腔的组成部分，可以实现对超声波作用下的聚合物熔体充模流动行为进行观察记录，为研究超声振动对不同方向微结构的注射成型质量的影响提供了试验条件。
作者：王凯 祝铁丽 丁宇 于同敏 刘永云 单位：大连理工大学 模塑制品教育部工程研究中心