譯文--微注射成型零件脫模的表面處理效果

1、<p><b>　　中文3650字</b></p><p>　　出處：Proc 4M2008 (Cardiff, UK, 9th–11th September 2008), 2008</p><p>　　微注射成型：零件脫模的表面處理效果</p><p>　　C.A. Griffiths1, S. S. Dimov1,E.B. Bro

2、usseau1, C. Chouquet2, J. Gavillet2, S. Bigot1</p><p>　　1Manufacturing Engineering Centre, Cardiff University, Cardiff CF24 3AA, UK</p><p>　　2French Atomic Energy Commission (CEA), Laboratory of

3、 Innovation for New Energy Technologies and Nanomaterials (LITEN), 38054 Grenoble, France</p><p><b>　　摘要</b></p><p>　　微注射成型作為一種仿制成型方法，是微型制造的關(guān)鍵技術(shù)之一，對過程的理解約束著已選定的生產(chǎn)路線，這一點在設(shè)計階段和大規(guī)模生產(chǎn)中非常

4、必要的。在這項研究中一種模具表面處理被用作研究那些擁有微觀特征的零件的脫模效果，特別是一種表層涂有類金剛石碳（DLC）的模具將會與沒有涂有DLC的同種模具進行對比。通過一連串的實驗測試出四個工藝參數(shù)的影響——融化和模具溫度，冷卻和彈出時間，這些工藝參數(shù)將會用來評價脫模過程，利用兩種高分子材料——PP和ABS，重點關(guān)注脫模力，最終引出DLC表面處理的影響和各種因素的影響的結(jié)論。</p><p>　　關(guān)鍵詞：微注塑模

5、，表面處理，脫模，微流體</p><p><b>　　介紹</b></p><p>　　微流控技術(shù)在許多領(lǐng)域都廣為運用，例如生物技術(shù)、流式細(xì)胞儀、醫(yī)療診斷和微化學(xué)。這種微儀器設(shè)備的成功發(fā)展高度依賴于能夠經(jīng)濟又可靠地生產(chǎn)大規(guī)模微型組件的制造系統(tǒng)。在這個前提下，聚合物的微注射成型技術(shù)是微型制造的關(guān)鍵技術(shù)之一。為了獲得經(jīng)濟可靠的微流控技術(shù)的產(chǎn)品零件，了解影響微型注射成型的因

6、素并形成系統(tǒng)性的研究是很重要的。在成型周期的凝固階段，聚合物熔體在模腔壁上收縮并成型。在這個發(fā)展階段，零件的內(nèi)部應(yīng)力必須被克服，以避免隨后造成的局部偏移。在打碎聚合物和模腔之間的粘料時，為了避免翹曲變形，抑止局部偏移的最大等效應(yīng)力不應(yīng)超過材料的拉伸屈服應(yīng)力[1]。因此，影響脫模過程的因素必須加以研究，避免因為塑件變形而造成破壞零件特征和引入更多的內(nèi)部應(yīng)力。本文將講述那些擁有微觀特征的零件，在不同的表面處理下表現(xiàn)出來的效果。本文由如下的幾

7、部分組成，下一章將研究影響排出的重要因素，尤其零件成型動力和表面處理方式。然后，把那些檢測脫模的腔涂料影響所用到的實驗裝置和測試工具用實驗結(jié)果描繪出來。最后列出實驗結(jié)果，并分析微注射成型的表面處理和脫模力之間的關(guān)系。</p><p><b>　　脫模因素</b></p><p><b>　　拔模力</b></p><p>

8、　　聚合物注射成型過程中，對零件和模具之間粘附力的預(yù)測是一項很復(fù)雜的任務(wù)，由于它依賴于產(chǎn)品的幾何與工藝參數(shù)，如過程中的溫度、壓力調(diào)控。脫模力（釋放力）被定義為模具與聚合物界面之間的總摩擦力。以往對注射成型和脫模的研究，實例表明摩擦因素是非常難解釋的。同時它表明注射壓力對脫模力的影響并不顯著，在過程中，它的摩擦系數(shù)與公布出來的摩擦系數(shù)大相徑庭。鑒于頂針的數(shù)量對拔模力的影響，具體而言，成型零件的壓力分布與頂針的數(shù)量成反比。在另一項研究中，脫

9、模力的大小隨著模具的表面粗糙度的增加而增加。保壓壓力和腔體的表面溫度對脫模力的影響很大。</p><p>　　綜合了大的表面容積比和大側(cè)面比的微觀特征，目前微注射成型面臨的挑戰(zhàn)是：降低拔模力和模具的磨損，以保證出品最佳的機械的性能、結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性，并增加模具的使用壽命。</p><p><b>　　模具涂層</b></p><p>　　運用表面處理

10、可以用來改善模具表面的耐磨性。同時，可以通過傳統(tǒng)的方法去降低表面的磨損低，如加熱處理和氮化處理。過往研究表明物理汽相淀積技術(shù)和化學(xué)汽相淀積技術(shù)不但使模具耐磨性顯著提升，而且注塑件的質(zhì)量也因為拔模力的降低而得到了改善。</p><p>　　模具的涂層在使用類金剛石碳的脈沖激光淀積技術(shù)對模具進行表面處理后，它的表面硬度提高到了70GPa。優(yōu)化沉積可以使類金剛石碳表面精度達到μm級（0.05—0.2μ），足足比陶瓷涂層

11、低了一個數(shù)量級。除此之外，模具涂層還可以阻止不良聚合物和模具的相互作用。為醫(yī)療產(chǎn)品生產(chǎn)微型模具存在著釋放金屬離子的危險。例如鎳是一種常見的接觸過敏原，同時它也是用于制造微型模具的材料，通過涂抹腔體，模具與聚合物之間的隔膜就形成了。而且，由于類金剛石碳涂層的非晶體特性，它可以引入可調(diào)抗菌成分，從而達到對抗污染。基于過往的研究，可以清楚地知道表面處理可以降低拔模力和模具的磨損。這項研究探討了模具涂層在微注射成型的脫模部位的效果。</p

12、><p><b>　　實驗設(shè)備</b></p><p><b>　　實驗材料</b></p><p>　　選用兩種常用的注塑成型材料來進行計劃的實驗——ABS和PC，執(zhí)行微注射成型的機器是巴頓菲爾50微型系統(tǒng)。</p><p><b>　　零件設(shè)計和模具制造</b></p&g

13、t;<p>　　在這項研究中，該設(shè)計零件尺寸是15mm×20mm×1mm微射流平臺(圖1)，該設(shè)計所包含的特征都是在微射流平臺中常見的，如冷料穴和流道。引腳直徑是500μm，高度600μm，交叉位置的主流道尺寸是200×200μm，兩個相同的模具都用黃銅制造。他們通過微加工制作出來。動模與定模被裝配到主模上，然后檢查其并行性和配合的緊閉性。</p><p>　　圖1 微

14、射流平臺和頂出位置</p><p><b>　　類金剛石碳表面處理</b></p><p>　　類金剛石薄膜是在一個低頻等離子體化學(xué)氣相沉積反應(yīng)器內(nèi)形成。沉積前，首先將基板置于超聲波清洗機中，并用丙酮和乙醇清洗，然后在Ar+H2下進行等離子刻蝕，為了提高附著力，利用四甲基等離子和氬氣將Si-C:H的中間層沉積在基板上，然后2μm的類金剛石涂層也就形成了，其相關(guān)參數(shù)如表

15、1</p><p>　　表1類金剛石碳膜的機械特性</p><p><b>　　力的測量</b></p><p>　　研究中，在注射成型的脫出階段，變化的力可以通過壓電式力傳感器（美國Dynisco）估算，測力范圍是0～10000N，傳感器輸出的信號可以通過國家儀器cDAQ-9172 USB數(shù)據(jù)采集單元轉(zhuǎn)載到計算機上。同時測量值可以通過國家儀器

16、Labview 8軟件進行訪問。為了適應(yīng)力傳感器，每個工具都必須進行修改。制造出來噴射器子裝配件是用來放置那4根移除零件的頂針。為了實現(xiàn)力的測量，傳感器放置在頂板子裝配件的中間（圖2）。噴射器裝配件移動的時候，傳感器受到機械負(fù)載和成一定比例的電壓，機械負(fù)載和電壓都是由儀器NI 920（16位）模塊檢測出來。</p><p>　　圖2 力傳感器和頂出裝置</p><p>　　表2 ABS的

17、部分正交矩陣</p><p>　　表3 PC的部分正交矩陣</p><p><b>　　實驗設(shè)計</b></p><p>　　通過探測料筒溫度（Tb）和模具溫度（Tm）發(fā)現(xiàn)，微成型的充盈能力主要受到注射成型過程的溫度控制影響。填充完畢后，零件的溫度必須足夠的低，以方便脫模而又不造成零件的變形。因此充盈后的冷卻時間（tc）、注射時間的延遲作用（t

18、e）也應(yīng)當(dāng)列入考慮之內(nèi)，考慮到三個層次上的四種因素，選用田口L9的正交矩陣（如表2和表3），每個模具表面處理的反應(yīng)和每一步的控制參數(shù)都會在測量彈出零件期間的脫模力的時候分析出來。兩種模具的表面，不處理、類金剛石碳和兩種材料——PC、ABS，考慮到這些都被檢查過，四種低頻光接入系統(tǒng)就這樣被定義出來了。</p><p><b>　　結(jié)果分析</b></p><p><

19、;b>　　平均力</b></p><p>　　研究中，低頻光接入系統(tǒng)用來確保實驗結(jié)果在考慮的處理窗口中，每一個試驗?；诿撃Ａy試時的表面處理，基于試驗，脫模力的平均值就這樣被系統(tǒng)計算出來了，如圖3。對于未經(jīng)處理的ABS和PC，結(jié)果都受到了最高脫模力的影響，ABS的平均值比PC高。通過實驗對比，經(jīng)過類金剛石涂層處理的模具的脫模力比未受處理的要低。ABS的平均結(jié)果是所有結(jié)果中最低的,與未經(jīng)表面處理

20、的模具對比，類金剛石涂層處理后的脫模力下降了41.6%。而PC則下降了10.68%。</p><p>　　圖3 OAS的平均脫模力</p><p><b>　　最佳參數(shù)水平</b></p><p>　　平均脫模力的計算是基于每一個組合的控制參數(shù)的試驗，這是為了決定最優(yōu)參數(shù)水平，并用來研究那些已經(jīng)運用田口方法的表面處理和聚合物。假如相對平均值是最

21、低的，那么它的值就是已給參數(shù)的三個等級中最好的，表4展示了實驗的結(jié)果。通過利用這個方法，可以在研究工藝處理窗口中確定與脫模力有關(guān)的最佳那一組參數(shù)。理論最佳工藝參數(shù)如表4。</p><p>　　圖4 各種聚合物和表面處理的組合作用</p><p>　　表4 理論最優(yōu)工藝參數(shù)</p><p>　　參數(shù)對最優(yōu)性能的影響</p><p>　　通過實驗

22、結(jié)果，用方差分析去估計各個工藝參數(shù)對脫模的影響。表5列出各個參數(shù)的影響率?；谶@個分析和已選的最優(yōu)參數(shù)水平（表4），可以算出最低理論脫模力，表6列出了這些組合。</p><p>　　表5 各個參數(shù)的影響率</p><p>　　表6 理論最低脫模力</p><p><b>　　結(jié)論</b></p><p>　　本文講述了一

23、個實驗性的研究——微注射成型的零件脫模的探討，本文著重于表面處理對脫模力的影響。而且，通過運用實驗設(shè)計方法，微射流平臺的脫模性能研究是一個與工藝參數(shù)組合的研究，而這些參數(shù)分別是Tb, Tm, tc 和 te,。通過研究報告，可以得出以下的結(jié)論：</p><p>　　通過對PC和ABS的平均脫模力的測量，發(fā)現(xiàn)經(jīng)過表面處理后的脫模力比沒有處理過的顯著降低了。</p><p>　　通過實驗性的研

24、究，就目前而言，截至本研究，尚沒有一個唯一的選擇性參數(shù)水平能夠像本研究一樣，對關(guān)于脫模行為所考慮到的最佳表面處理或者聚合物研究，這是顯而易見的。</p><p>　　通過方差分析，可以估算工藝參數(shù)對最優(yōu)性能的作用。通過模具處理和聚合物組合計算出來的最低理論脫模力證明了類金剛石碳涂層顯著的降低了脫模力。</p><p>　　最后，值得強調(diào)的是，在微注射成型中選擇表面處理時，聚合物的特性是一個

25、很重要的因素。實驗研究和模擬脫模動作必須先于模具的制造。</p><p><b>　　特別鳴謝</b></p><p>　　本文得研究是由“工程物理研究理事會規(guī)劃”、“卡迪夫創(chuàng)新制造業(yè)研究中心”、“歐共體第六框架計劃”、“光學(xué)微流體的表面增強系統(tǒng)”資助, 同時，它也是在教統(tǒng)會第六框架卓越網(wǎng)絡(luò)的框架內(nèi)進行的，即“多種材料的微制造技術(shù)及應(yīng)用”。</p>&l

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