微成型的研究现状与展望

1微成型的研究现状与展望摘要：综述了近年来微成型在微热压成型、微挤出成型、微注射成型三个领域的发展及现状，概述了三种成型模具的设计方式，对微成型的发展进行了总结和建议，并对微成型的发展趋势进行了展望。关键词：微热压成型;微挤出成型;微注射成型;模具设计ResearchStatusandProspectofMicroformingAbstract:ThispapersummarizesthedevelopmentandcurrentsituationofmicroforminMicro-hotforming,Micro-extrusionMoldingandMicro-injectionmoldinginrecentyears.Thedesignmethodsofthreemoldsaresummarized,andthedevelopmentofmicroformingissummarizedandsummarized.ThedevelopmenttrendofmicroformingisprospectedKeywords:Micro-hotforming;Micro-extrusionMolding;Micro-injectionmolding;Molddesign0引言微机电系统(MEMS)技术经过十几年的发展,现已取得了长足的进步,并在流体、医疗、光学和电信等领域得到了广泛的应用。为了进一步拓展微机电系统的应用领域,微型部件或构件的批量生产具有重要的意义。虽然现有的生产方法可以生产三维的单晶硅、纯金属和一些二元合金等微型部件,然而多数情况下生产成本是非常高的,且难以做到批量生产。与其他工业领域一样,塑料在微机电系统中也是一种不可或缺的原料,因为其可以通过注射成型技术进行批量生产,于是微成型技术应运而生。微成型技术是一种可以进行重复的批量生产复杂而有精密微2细结构塑件的制造技术。应用微型注塑模具成型微机电系统中的构件,与目前应用在微机电系统领域的硅基材料构件相比,其制造成本低,生产周期短,成型工艺简单,构件质量更易于保证。1微热压成型微热压成型作为一种快速复制微结构的成型技术，其过程主要包括以下几个步骤：①加热、②加压、③保压、④冷却脱模。首先将聚合物放到模具上，把基板加热到温度使其软化，恒温一段时间，施加一定的压力把模具上微结构图案复制到聚合物上，保压一段时间，最后冷却脱模，获得所需制品。热压成型示意图如图1所示：图1微热压成型示意图1.1微热压成型的研究微热压成型方法最早是在1972年由Ulrich[1]提出发现的。他利用热压法将宽为7um，深3.5um的微通道压印到高聚物PMMA上，从而制备出光波导元件，但后续研究较少。接着到1995年美籍华裔科学家chou[2]率先使用热压技术应用于纳米尺度，成功将点阵列微结构复制到PMMA薄膜上，之后很多学者针对热压过程中材料的充填高度、变形特征及产品质量等方面进行了研究。PanLi-Wei[3]等研究了时间、温度、压力对微透镜成型高度的影响，得出聚合物粘度以及表面张力对微透镜的曲率和成型高度有直接关系；压力对微透镜的曲率影响较小，但成型高度随着压力增大呈线性增长趋势；温度对微透镜高度及曲率影响大且复杂；随时间延长，在相同温度、相同压力下，微透镜的充填高3度呈非线性增加，最后趋于平缓。奥克兰大YaoDong-gang[4]等人研究聚合物在非等温情况下微流道，实验结果表明，当微流道的宽厚比一定时，随着宽度变大，聚合物在成型中逐渐出现爬壁行为，原因是聚合物热压过程快于热传递过程，靠近壁面处聚合物温度较高，充填高度高于中心部位。浙江大学贺永[5]对聚合物在热压过程中的理论基础和装备技术等方面做了很多工作。研究了聚合物在微热压成型过程中，模具结构和工艺参数对基板流动形貌、微结构复制精度以及应力分布等影响；同时也探究了聚合物在小变形脱模阶段，基板的应力场随脱模速率、脱模角度的变化规律。吉林大学左春柽[6]教授通过热压法成型微流控芯片，研究工艺参数对芯片微结构的影响，同时通过数值仿真模拟芯片在热压过程中的变化规律，得到微结构尺寸与工艺条件之间的相互关系1.2微热压成型模具设计微热压成型需要首先在模具表面加工微结构，然后经过热压将微结构转印到聚合物基体。微热压成型过程大多在专门设计的热压装备上进行。国外的热压装备研究较早，一些科研院所和公司已经研制出各自的成型试验设备，而且部分已经实现产业化。国内的一些高校对热压工艺及装备开展了研究，如大连理工大学开发出的RYJ系列热压机及微流控芯片全自动加工系统。在热压成型装备研究中，合理设计参与压印的微热压模具尤为重要。平压式热压工艺中，模具被平整地压在基板表面，在一次工艺周期中转印复制出模具上所有特征结构。步进式热压工艺中，一个小面积模具在大面积基板的一个位置完成转印之后移动到下一个位置，重复进行热压过程。连续滚压式热压转印工艺成型可以分为辊子—平和辊子—辊子滚压成型2类。设计辊子—平板热压模具有2种方法：①加工出圆形辊子模具，接着使模具在聚合物基板上滚压成型；②将平板模具放在基板上，然后用光滑辊子滚压平板模具。设计辊子—辊子热压模具时，可以首先将微结构加工在板状模具表面，然后弯曲固定在辊子上，但难以避免地出现连接缝隙，造成周期性的不连续压印。因此，可以将微结构直接设计在金属辊子表面，对于保证滚压成型质量更为有利。微热压成型过程，脱模前需要降低模具温度以保证填充模腔的聚合物充分固4化。冷却阶段会增加成型时间，因此可以通过提高模具的热循环速率来提高微热压成型效率和质量。例如，美国麻省大学的FAGAN等[7]设计了一种传送带式的变温滚压模具。传动带模具和聚合物薄膜预热后进入压印系统，充分冷却后脱模进入下一个热压循环，不仅保证了较高的滚压效率，而且提高了微结构复制精度。采用微热压方法成型大深宽比微结构时，往往需要自动脱模装置。常规自动脱模装置可能会导致聚合物翘曲变形，因此可以通过设计新型的脱模机构提高微热压制品质量。例如，浙江大学的贺永等[5]设计了气动脱模机构集成到自行设计的热压装备中，并且通过压印试验验证了该脱模装置的有效。2微挤出成型微挤出成型一般是指成型截面尺寸微小（外径≤ϕ2mm）、壁厚为微米量级型材的微成型技术。由于微挤出制品通常尺寸小、中空内腔、截面形状复杂、壁厚不均匀、几何精度要求高，传统挤出模设计理论不再完全适用于微挤出成型模具设计，同时对模具微小成型流道的加工也提出了更高的要求。典型的微挤出成型如图2所示。图2微挤出成型过程示意图2.1微挤出成型的研究G.Hetsroni等[7]研究了直径在15~4000μm范围内，圆形、矩形、三角形、梯形等截面微流道中流体的流动行为和热传递现象，研究结果表明，微流道的长径比和流体的雷诺数是影响流体热传递的主要因素，而一定量的热量耗散将导致流体产生不稳定流动，但G.Hetsroni等没有讨论流体的速度波动对层流和湍流的影响。W.B.Young[8]研究了聚合物熔体在具有微结构型腔中的流动行为，并提出了5一种简化的二维数值模型，用于估算聚合物熔体在微流道中的填充能力，并显示填充能力与成型工艺和型腔几何结构之间的关系，虽然W.B.Young提出的二维模型能较好的显示聚合物熔体在具有微结构型腔中的填充能力与成型工艺和型腔几何结构的关系，但用二维模型指导实际中三维模具的设计必然会存在一定的局限性。徐斌等[9]在分析聚合物熔体的壁面滑移机理和微通道中尺度效应对壁面滑移影响的基础上，建立了微通道的壁面滑移模型，并通过数值模拟的方法，计算出了直径为0.5mm的微通道中在不同剪切速率下的滑移速度和压力降。L.Meng等[10]研究了微流道直径大小对PP熔体黏度和壁面滑移速度的影响，结果表明，微流道中熔体的流动行为有别于宏观尺度流道中的流动行为，且微流道直径的大小对熔体的流动行为也存在明显影响。2.2微挤出成型模具设计在聚合物微挤出成型过程中，模具流道结构是否合理将直接影响制品的成型质量。模具结构参数设计不合理，可能会导致制品内筋开裂、壁厚不均、熔体破裂、扭曲、翘曲等缺陷。聚合物微挤出模具设计主要包括模具结构形式设计、非对称流道的流动平衡设计、成型段流道设计和注气系统设计等。（1）模具结构形式设计。根据聚合物熔体挤出成型方向和挤出机轴线的关系，微挤出模具主要分为直通式、十字头和补偿式3种结构形式。直通式模具的成型流动方向与挤出机轴线方向相同。这种结构可保证聚合物熔体的流动平衡，但是容易产生熔接痕，且模具的注气孔难以加工和密封。大连理工大学的赵丹阳等[11]和北京化工大学的邹维东等[12]分别设计了无注气系统和具有分路注气系统的直通式双腔挤出模。十字头模具的挤出成型流动方向与挤出机轴线呈一定角度。这种结构的优点是制品不会产生熔接痕，注气孔也相对容易加工和密封，然而其转角处的非对称流道结构较难实现熔体流动平衡。补偿式模具流道过2次转向后，模具成型段流道与挤出机轴线平行。这种结构通过第2次转向来补偿第1次转向引起的熔体流动不平衡，但模具结构复杂，生产中较少使用。（2）模具非对称流道的流动平衡设计。聚合物熔体流动平衡是指在挤出模出口各个区域获得均匀的挤出压力和挤出速度。国外的微挤出模设计主要是凭借多年试错法获得宝贵的经验，被国Guill、Maillefer、M&S、Putnam等公司所垄断。6随着计算机仿真技术的快速发展，在模具制造前进行挤出流动模拟及模具结构优化，成为提高挤出模设计质量和效率的有效手段。华南理工大学的龚炫[13]基于数值模拟进行了微挤出模的流动平衡性设计。但是由于仿真程的大量简化假设，其计算结果通常与真实的成型过程存在较大差异，还需要建立流动平衡理论。（3）模具成型段流道设计。微挤出模成型段流道设计主要包括成型段长度设计和成型段截面设计2个方面。模具成型段长度较短容易引起显著的挤出胀大，但是成型段长度的增加会导致挤出机压力显著增大而降低生产效率、增加能耗。大连理工大学的靳国宝等[14]根据力学平衡原理推导了狭缝形、圆形和非规则形3种口模的微挤出模成型段长度模型。成型段截面设计的合理性是决定微挤出制品精度的重要因素。具有复杂截面形状的多腔微管具有各向异性的粘弹性挤出胀大，难以通过传统模具设计方法实现模具成型段截面形状的准确设计。由于制品形状的杂性，对模具成型段截面的设计多基于数值分析和优化设计理论实现。例如，（4）注气系统设计。对于具有中空型腔的微小型材，微挤出模需要引入微细注气系统。但微细注气系统容易与模具流道发生干涉，增大了模具结构的整体布局难度。大连理工大学的靳国宝等[15]指出，为实现不同型腔注气参数的分路控制，多腔微挤出模具应该采用十字头模具的结构形式，沿流动方向在芯棒上加工注气孔，以避免流道结构与注气系统的干涉。另外，为了降低注气孔的加工难度，应当将注气孔设计成沿流动方向直径不断减小的阶梯状结构3微注射成型微注射一般是指用来成型尺寸为微米级、质量为毫克级的制品的注射方法,微型制件很难用普通的加工方法成型,因此,微细加工技术在微注射成型技术中具有重要意义。由于当今社会对微型部件和系统的日益重视,使得微注射成型技术在过去短短几年内便有了很大的发展。典型的微挤出机如图3所示。7图3微挤出机的结构示图1-模板；2-模具模板；3-塑化单元；4-驱动装置；5-柱塞；6-喷嘴；7-型腔3.1微挤出成型的研究微注射成型与传统注射成型相比具有自身的一些特点,如高速注射和微尺度效应等。因此工艺参数对微结构特征的复制和微制品质量的影响因素与传统注射成型不完全相同。工艺参数对微结构特征的复制质量仍然是研究热点。Chu等[16]利用柱塞式微注射机成型POM、HDPE、PC三种材料的微制品。自行开发数据采集系统记录工艺参数随时间的变化。充型实验中,以毫秒为计时单位,使用短射试验同时跟踪注射压、流道压力和柱塞位置化。采用DOE技术研究了充型和保压阶段,6种工艺参数的影响。在充型阶段,注射速度是影响柱塞速度和注射压力的主要因素。而模具和熔体温度的影响与材料和注射机设置有关。庄俭等[17]对500um和100um微流道