宋滿(mǎn)倉(cāng)，連城林，劉 瑩，劉 沖，劉軍山，熊林城

(大連理工大學(xué)精密與特種加工教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，大連 116024)

電熱式變模溫注塑改善微結(jié)構(gòu)復(fù)制度方法

宋滿(mǎn)倉(cāng)，連城林，劉 瑩，劉 沖，劉軍山，熊林城

(大連理工大學(xué)精密與特種加工教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，大連 116024)

為解決在注塑成型過(guò)程中微結(jié)構(gòu)特征難以精確復(fù)制的問(wèn)題，搭建了一套電熱式變模溫注塑成型系統(tǒng)．該系統(tǒng)采用高功率密度電熱棒加熱，低溫水冷卻，并利用壓縮空氣吹氣排水以提高加熱效率．該系統(tǒng)各部分動(dòng)作由外設(shè)可編程控制器PLC控制，并與注射機(jī)內(nèi)部控制器的信號(hào)互鎖．以典型微結(jié)構(gòu)塑件——微流控芯片為例，研究了變模溫注塑成型對(duì)微結(jié)構(gòu)復(fù)制度的影響．結(jié)果表明，與傳統(tǒng)油加熱模具相比，該系統(tǒng)在優(yōu)化成型工藝參數(shù)條件下，可以明顯改善芯片微結(jié)構(gòu)復(fù)制度，復(fù)制度接近100%，并呈現(xiàn)出很好的宏觀表面質(zhì)量．

注塑成型；電熱式變模溫；微流控芯片；微通道；復(fù)制度

傳統(tǒng)注塑成型技術(shù)已經(jīng)很成熟，通過(guò)優(yōu)化工藝參數(shù)，注塑制品都可獲得較好的復(fù)制度．但是對(duì)于帶有微結(jié)構(gòu)的制品成型，由于冷凝層效應(yīng)和滯流現(xiàn)象的存在，必然會(huì)造成成型制品與型腔在尺寸和形狀方面產(chǎn)生差異，即達(dá)不到100%復(fù)制的問(wèn)題[1]．而這種成型問(wèn)題將直接影響到此類(lèi)制品的尺寸和形狀精度，限制了其應(yīng)用場(chǎng)合．目前，國(guó)內(nèi)外對(duì)注塑成型微結(jié)構(gòu)復(fù)制度的研究也很多，如Lee等[2]對(duì)微透鏡陣列的復(fù)制度、Sha等[3]對(duì)微圓柱陣列的復(fù)制度開(kāi)展了研究，李常峰等[4]提出了利用超聲振動(dòng)輔助注射成型來(lái)提高微通道復(fù)制度的方法．Yao等[5]針對(duì)聚合物熔體在微通道中的流動(dòng)問(wèn)題進(jìn)行了理論研究和2.5D有限元數(shù)值分析．Theilale等[6]用試驗(yàn)和模擬的方法來(lái)研究影響微結(jié)構(gòu)復(fù)制質(zhì)量的因素．Ong等[7]通過(guò)試驗(yàn)研究成形工藝參數(shù)在型腔的微結(jié)構(gòu)填充中所起的作用．盧振等[8]研究了抽真空對(duì)微結(jié)構(gòu)成型的必要性．如何提高和改進(jìn)微結(jié)構(gòu)的復(fù)制度，直至徹底解決，目前還沒(méi)有有效的系統(tǒng)解決方案．

在前期工作[9]的基礎(chǔ)上，本文以具有十字交叉微通道的微流控芯片為研究對(duì)象，針對(duì)傳統(tǒng)的油加熱恒定模溫注塑成型技術(shù)無(wú)法徹底解決微結(jié)構(gòu)復(fù)制度的問(wèn)題，提出采用可編程控制器PLC控制的電熱式變模溫注塑成型技術(shù)，通過(guò)試驗(yàn)和理論分析，以期獲得明顯改善微結(jié)構(gòu)復(fù)制度的工藝方法．

1 微結(jié)構(gòu)的復(fù)制度

微流控技術(shù)是把生物和化學(xué)等領(lǐng)域中所涉及的樣品制備、反應(yīng)、分離、檢測(cè)等基本操作單元集成到一塊尺寸較小的芯片上，在壓力泵或電場(chǎng)作用下形成微流路，以達(dá)到對(duì)樣品高通量快速分析的目的[10]．圖1所示為一種典型的微流控芯片，其輪廓尺寸為82.0,mm×40.0,mm×1.2,mm，芯片上最重要的特征結(jié)構(gòu)為“十字架”形狀的微通道，微通道截面形狀及尺寸如圖2所示，微通道縱向長(zhǎng)65,mm，橫向長(zhǎng)15,mm，芯片成型材料為聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA).

圖1 微流控芯片F(xiàn)ig.1 Microfluidic chip

圖2 微通道截面尺寸Fig.2 Section size of micro channel

由圖1和圖2可以看出，微流控芯片是一種典型的微結(jié)構(gòu)制品，其成型質(zhì)量的核心指標(biāo)是微通道的復(fù)制度，即制品微通道與型芯微凸起的符合程度．而復(fù)制度不理想表現(xiàn)為在微通道開(kāi)口處本應(yīng)為直角的地方形成圓角，如圖3(a)所示．前期研究表明，采用油加熱恒定模溫注塑成型技術(shù)，在模具溫度為85,℃左右時(shí)，可以有效地改進(jìn)微通道復(fù)制度．若將模具溫度提高到PMMA的玻璃態(tài)轉(zhuǎn)變溫度105,℃后，圓角明顯減小且不可見(jiàn)，如圖3(b)所示．但是這樣會(huì)產(chǎn)生一系列問(wèn)題，首先是微通道處由于模具溫度較高，不能保證熔體的充分冷卻，在脫模時(shí)會(huì)產(chǎn)生帶料缺陷，如圖3(b)所示．同時(shí)也會(huì)帶來(lái)一些宏觀缺陷，如粘模、凹陷等，并且高的模具溫度增加了冷卻時(shí)間，使成型周期變長(zhǎng)．但是微結(jié)構(gòu)成型質(zhì)量作為微流控芯片的核心指標(biāo)必須得到提升，因此需要一種注射時(shí)模具溫度較高、開(kāi)模時(shí)模具溫度較低的注塑成型方法——變模溫注塑成型技術(shù)．

圖3 微流控芯片的微通道截面Fig.3 Section of micro channel for microfluidic chip

2 電熱式變模溫注塑成型系統(tǒng)

變模溫注塑成型技術(shù)采用一種動(dòng)態(tài)的模溫控制策略，即在注射前快速加熱模具，以實(shí)現(xiàn)高模溫注射，隨后通過(guò)快速冷卻以縮短成型周期[11]．加熱模具的方式主要有電磁感應(yīng)加熱、紅外線(xiàn)加熱、半導(dǎo)體加熱、火焰加熱、電加熱、高溫氣體加熱和復(fù)合模壁加熱等；冷卻模具的方式有液氮冷卻、半導(dǎo)體冷卻和水冷卻等．本文根據(jù)各種加熱和冷卻方式的特點(diǎn)、成本和試驗(yàn)要求等，選擇采用電加熱和水冷卻方式．

2.1 電熱式變模溫注塑成型系統(tǒng)的組成

電熱式變模溫注塑成型系統(tǒng)由注塑機(jī)、模具和控制系統(tǒng)組成，其控制系統(tǒng)主要由加熱裝置、冷卻裝置和外設(shè)控制裝置3大部分組成，其中還增加一個(gè)由空壓機(jī)組成的吹氣排殘裝置，該裝置是為了在加熱模具前清空冷卻管路中的水，以提高模具的加熱效率，縮短成型周期．本文將冷卻裝置和吹氣排殘裝置統(tǒng)稱(chēng)為冷卻排殘裝置，成型系統(tǒng)組成如圖4所示．

2.2 電熱式變模溫注塑成型控制系統(tǒng)

(1)加熱裝置．選用高功率密度電熱棒，可使模具型腔表面溫度快速達(dá)到預(yù)設(shè)值t1(通常為塑料的玻璃態(tài)轉(zhuǎn)變溫度，PMMA的玻璃態(tài)轉(zhuǎn)變溫度為105,℃)．為使加熱均勻，本試驗(yàn)的電熱棒遵循多數(shù)量和密排步的原則，電熱棒的直徑應(yīng)盡可能的小；但受電熱棒的制作工藝限制，若直徑過(guò)小則棒內(nèi)的加熱絲密集程度就會(huì)降低，導(dǎo)致功率密度下降，因此將電熱棒的直徑選定為5.9,mm，功率密度為25,W/cm2，電熱棒孔的直徑相應(yīng)為6,mm．

(2)冷卻排殘裝置．由冷卻水循環(huán)機(jī)、空壓機(jī)、2個(gè)電磁閥、冷卻水管及將各部件連接起來(lái)的水嘴組成．冷卻循環(huán)機(jī)和空壓機(jī)分別是用來(lái)提供低溫水來(lái)冷卻模具和將冷卻水道中殘留的水吹走，2個(gè)電磁閥是用來(lái)控制冷卻水和吹氣的通斷．

(3)外設(shè)控制裝置．由PLC控制柜和上位機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)組成．采用西門(mén)子S7-200系列PLC作為控制系統(tǒng)的核心控制器．溫度采集選擇EM231,RTD擴(kuò)展模塊．通過(guò)該裝置可實(shí)現(xiàn)模具溫度變化的控制，并且與注塑機(jī)的控制信號(hào)實(shí)現(xiàn)互鎖，保證注塑成型過(guò)程的有序進(jìn)行．

需要實(shí)現(xiàn)互鎖的信號(hào)有注塑機(jī)安全門(mén)的開(kāi)合、注射、注射轉(zhuǎn)保壓及開(kāi)模信號(hào)．其中開(kāi)合安全門(mén)、注射轉(zhuǎn)保壓為外設(shè)PLC的輸入信號(hào)，注射和開(kāi)模為外設(shè)PLC的輸出信號(hào)．通過(guò)溫度傳感器測(cè)量模具溫度值與預(yù)設(shè)溫度值的比較作為各個(gè)動(dòng)作進(jìn)行的起止點(diǎn)．t2為開(kāi)模時(shí)的模具溫度(本試驗(yàn)設(shè)為60,℃)，其流程如圖5所示．

圖5 變模溫注塑成型工藝流程Fig.5 Flowchart of variotherm injection molding process

3 變模溫注塑成型試驗(yàn)和結(jié)果分析

3.1 電熱式變模溫注塑成型試驗(yàn)

前期研究[12]表明，模具溫度是影響芯片微通道復(fù)制度的主要因素，故在試驗(yàn)裝置搭建完成之后，進(jìn)行模具溫度對(duì)微結(jié)構(gòu)成型質(zhì)量影響的試驗(yàn)，以此來(lái)驗(yàn)證電熱式變模溫注塑成型技術(shù)的可行性．試驗(yàn)所用工藝參數(shù)如表1所示，模具溫度取值以及試驗(yàn)結(jié)果如圖6所示．

表1 工藝參數(shù)Tab.1 Process parameters

圖6 模具溫度與微通道寬度的關(guān)系Fig.6Variation of micro channel width with mold temperature

從圖6中可以看出，微通道的開(kāi)口寬度隨模具溫度的升高呈減小趨勢(shì)，當(dāng)模具溫度為95,℃時(shí)，其開(kāi)口寬度已十分接近鑲塊微凸起的寬度尺寸70,μm．而在模具溫度為110,℃后開(kāi)口寬度又有增大的趨勢(shì)，分析表明這是由于在同樣的工藝條件下，模具溫度高于塑料的玻璃態(tài)轉(zhuǎn)變溫度后，直接導(dǎo)致熔體在高溫下在型腔中的駐留時(shí)間加長(zhǎng)，使成型制品與型腔產(chǎn)生粘連，導(dǎo)致開(kāi)口處變形、寬度加大，如圖7所示．嚴(yán)重時(shí)在開(kāi)模時(shí)就會(huì)產(chǎn)生制品撕裂現(xiàn)象，故在保證微結(jié)構(gòu)成型精度的前提下，應(yīng)選擇恰當(dāng)?shù)臏囟确秶?95～105,℃)以保證芯片的宏觀質(zhì)量．

圖7 微通道缺陷Fig.7 Defect of micro channel

3.2 變模溫注塑系統(tǒng)下的最佳成型芯片

前文已進(jìn)行了模具溫度對(duì)微結(jié)構(gòu)成型質(zhì)量影響的單因素試驗(yàn)，且確定了其最佳的取值范圍，根據(jù)以往的經(jīng)驗(yàn)，除了模具溫度外，影響微流控芯片微結(jié)構(gòu)復(fù)制度的其他3個(gè)主要工藝參數(shù)分別為熔體溫度、注射速度和注射壓力，對(duì)其也分別進(jìn)行單因素試驗(yàn)，并確定各自的最佳取值范圍．最后再根據(jù)4個(gè)主要工藝參數(shù)的最佳取值范圍進(jìn)行正交試驗(yàn)，獲得最佳的成型工藝組合，成型出微結(jié)構(gòu)和宏觀質(zhì)量俱佳的制品．

通過(guò)正交試驗(yàn)可以得出，在電熱式變模溫注塑成型條件下，模具溫度同樣是影響微通道成型精度最重要的工藝參數(shù)，且獲得了最優(yōu)工藝組合：模具溫度100,℃，熔體溫度245,℃，注射速度85.4,mm/s，注射壓力126,MPa．最終得到的最佳芯片如圖8所示，左側(cè)為芯片基片，各部分尺寸與圖1相同，右側(cè)為其相應(yīng)的蓋片，芯片宏觀質(zhì)量良好，微通道復(fù)制度幾乎達(dá)到100%，如圖9所示，芯片宏觀質(zhì)量和微通道復(fù)制度都非常好．

圖8 最佳成型芯片F(xiàn)ig.8 Best molding chip

圖9 100%復(fù)制度Fig.9 100% replication fidelity

3.3 變模溫注塑明顯改善微通道復(fù)制度的成因分析

模具溫度較低，熔體進(jìn)入模具型腔后，在型腔表面形成冷凝層，固化的冷凝層使得微通道無(wú)法被完全填充，注塑成型后在微通道處出現(xiàn)較大的開(kāi)口圓角；模具溫度過(guò)高，制品收縮率大，容易出現(xiàn)表面縮痕和翹曲變形．

采用油加熱模具，由于油的熱慣性比較小，加熱緩慢，若將模具加熱到較高溫度，然后再冷卻下來(lái)，這個(gè)周期會(huì)很長(zhǎng)；所以，在傳統(tǒng)注塑成型中，為了縮短成型時(shí)間，降低生產(chǎn)成本，一般選擇恒油溫加熱模具，模溫一般控制在80～90,℃．因此即使優(yōu)化工藝參數(shù)，也很難消除冷凝層對(duì)填充效果的影響，微結(jié)構(gòu)得不到理想的復(fù)制．

電熱式變模溫注塑成型是由電熱棒加熱模具，由于電加熱熱沖擊很大，可在短時(shí)間內(nèi)將模具加熱到較高的溫度，當(dāng)模具溫度達(dá)到預(yù)定值(玻璃態(tài)轉(zhuǎn)變溫度)時(shí)開(kāi)始注射，熔體在幾乎無(wú)冷凝層的狀態(tài)下填充型腔，微結(jié)構(gòu)處得到充分充填，從而獲得理想的復(fù)制度；在保壓一段時(shí)間后開(kāi)始冷卻固化，當(dāng)模具溫度降到開(kāi)模溫度時(shí)開(kāi)模取件，用吹氣排殘裝置清除冷卻水道中的水，從而完成一個(gè)周期．與恒油溫加熱相比，這個(gè)周期要縮短許多，大約在90,s左右．

4 結(jié) 論

(1)采用外設(shè)可編程控制器PLC控制并與注射機(jī)內(nèi)部控制器的信號(hào)互鎖，配以高功率密度電熱棒加熱，冷卻水冷卻，并利用壓縮空氣吹氣排水以提高加熱效率，可搭建一套適合具有微結(jié)構(gòu)的塑料制品成型的電熱式變模溫注塑成型系統(tǒng)．

(2)變模溫注塑成型技術(shù)優(yōu)勢(shì)在于，模具溫度可以接近或達(dá)到塑料制品的玻璃態(tài)轉(zhuǎn)變溫度，熔體在幾乎無(wú)冷凝層的狀態(tài)下填充型腔，微結(jié)構(gòu)處可得到充分充填，從而可以獲得非常好的微結(jié)構(gòu)復(fù)制度．

(3)針對(duì)使用PMMA材料成型的微流控芯片，電熱式變模溫注塑成型系統(tǒng)在模具溫度為100,℃時(shí)的優(yōu)化工藝組合條件下，可以明顯改善芯片微結(jié)構(gòu)復(fù)制度，并獲得很好的宏觀表面質(zhì)量．

［1］ 宋滿(mǎn)倉(cāng)，劉 瑩，祝鐵麗，等. 微流控芯片注塑成型缺陷的成因與對(duì)策[J]. 機(jī)械工程學(xué)報(bào)，2011，47(6)：33-38. Song Mancang，Liu Ying，Zhu Tieli，et al. Analysis ofinjection molding defects for microfluidic chip[J]. Journal of Mechanical Engineering，2011，47(6)：33-38(in Chinese).

［2］ Lee B K，Kim D S，Kwon T H. Replication of microlens arrays by injection molding[J]. Microsystem Technologies，2004，10(6/7)：531-535.

［3］ Sha B，Dimov S，Griffiths C，et al. Investigation of micro-injection moulding：Factors affecting the replication quality[J]. Journal of Materials Processing Technology，2007，183(2/3)：284-296.

［4］ 李常峰，蔣炳炎，申瑞霞，等. 微流控芯片超聲振動(dòng)注射成型模具設(shè)計(jì)[J]. 工程塑料應(yīng)用，2010，38(2)：67-71. Li Changfeng，Jiang Bingyan，Shen Ruixia，et al. Design of ultrasonic vibration assisted injection mold for microfluidic chip[J]. Engineering Plastics Application，2010，38(2)：67-71(in Chinese).

［5］ Yao Donggang，Kim Byung. Simulation of the filling process in micro channels for polymeric materials[J]. Journal of Micromechanics and Microengineering，2002，12(5)：604-610.

［6］ Theilale U A，Hansen H N. Surface microstructure replication in injection molding[J]. International Journal of Advanced Manufacturing Technology，2007，33(1/2)：157-166.

［7］ Ong N S，Koh Y H. Experimental investigation into micro injection molding of plastic parts[J]. Materials and Manufacturing Processes，2005，20(2)：245-253.

［8］ 盧 振，張凱鋒. 微注射成形聚丙烯微陣列填充與形態(tài)結(jié)構(gòu)[J]. 納米技術(shù)與精密工程，2007，5(4)：339-342. Lu Zhen，Zhang Kaifeng. Filling and morphology of PP micro-array by micro injection molding[J]. Nanotechnology and Precision Engineering，2007，5(4)：339-342(in Chinese).

［9］ 宋滿(mǎn)倉(cāng)，張傳贊，劉 瑩，等. 微結(jié)構(gòu)塑件注射成型特性實(shí)驗(yàn)研究[J]. 大連理工大學(xué)學(xué)報(bào)，2010，50(5)：682-685. Song Mancang，Zhang Chuanzan，Liu Yin，et al. Experimental research on injection molding characteristics for micro-structure plastic parts[J]. Journal of Dalian University of Technology，2010，50(5)：682-685(in Chinese).

［10］ 林炳承，秦建華. 微流控芯片試驗(yàn)室[M]. 北京：科學(xué)出版社，2006. Lin Bingcheng，Qin Jianhua. Microfluidic Chip Lab[M]. Beijing：Science Press，2006(in Chinese).

［11］ 王桂龍，趙國(guó)群，李輝平，等. 變模溫注塑技術(shù)的研究與應(yīng)用分析[J]. 現(xiàn)代化工，2009，29(2)：24-27. Wang Guilong，Zhao Guoqun，Li Huiping，et al. Study of variotherm injection molding technology and analysis on its application[J]. Modern Chemical Industry，2009，29(2)：24-27(in Chinese).

［12］ 連城林. 電熱式變模溫注塑成型技術(shù)改善微結(jié)構(gòu)復(fù)制度的試驗(yàn)研究[D]. 大連：大連理工大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，2012. Lian Chenglin. Experimental Research on the Improvement of Micro Structure Duplication Using Electrothermic Variotherm Injection Molding Technology[D]. Dalian：School of Mechanical Engineering，Dalian University of Technology，2012(in Chinese).

(責(zé)任編輯：金順愛(ài))

Improvement of Microstructure Replication Fidelity Using Electrothermic Variotherm Injection Molding System

Song Mancang，Lian Chenglin，Liu Ying，Liu Chong，Liu Junshan，Xiong Lincheng
(Key Laboratory for Precision and Non-Traditional Machining Technology of Ministry of Education，Dalian University of Technology，Dalian 116024，China)

To achieve exact replication of micro-structure features during injection molding，an electrothermic variotherm injection molding system was established. The system was heated by electric heating rods with high power density and cooled by low temperature water. To increase heating efficiency，compressed air was used to blow-dry the cooling pipes. The system action was controlled by peripheral programmable controller PLC and interlocked with the internal controller signal of the injection machine. The effects of the electrothermic variotherm injection molding system on the microstructure replication fidelity were investigated，with the typical microstructure plastic part(microfluidic chip)as an example. The results show that，compared with traditional heating-oil mold，this system can significantly improve the microstructure replication fidelity of the chip to nearly 100% under optimized molding parameters，and the chip shows high macro surface quality.

injection molding；electrothermic variotherm；microfluidic chip；micro channel；replication fidelity

TQ320.63

A

0493-2137(2015)11-0969-05

10.11784/tdxbz201402036

2014-02-24；

2014-03-10.

國(guó)家高技術(shù)研究發(fā)展計(jì)劃(863計(jì)劃)資助項(xiàng)目(2012AA040406)；中央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)費(fèi)專(zhuān)項(xiàng)資金資助項(xiàng)目(DUT13JB05)；遼寧省自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(201202036).

宋滿(mǎn)倉(cāng)（1964— ），男，博士，副教授.

宋滿(mǎn)倉(cāng)，mcsong@dlut.edu.cn.

時(shí)間：2014-03-20. 網(wǎng)絡(luò)出版地址：http://www.cnki.net/kcms/doi/10.11784/tdxbz201402036.html.