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摘要：

分析了超聲波施加方式對微制品上微結構成型質量的影響機理。通過可視化試驗用高速攝像機實時觀測記錄聚合物熔體在模具型腔微結構處的充模流動與凝固定型，設計了一種以反射光方式觀察超聲波引入微制品注射成型過程的可視化模具。并對石英玻璃窗口進行了受力分析，以確保作為可視化窗口的石英玻璃在注射成型試驗中不會被型腔內的聚合物熔體充模壓力所破壞。

關鍵詞：

可視化；超聲波；微注射成型

1引言

微注射成型制品的微結構尺寸在微納米量級，例如微流控芯片、導光板、細胞培養皿等。對于微注射成型過程與常規注射成型過程的不同之處，學者們通過大量的理論與試驗研究，得到了一定的共識：①在模擬仿真時，對于壁面滑移、粘性耗散不能做忽略處理[1,2]；②在注射成型參數的設置上，首要的是提高模具溫度，其次是提高熔體溫度、注射速度和成型壓力[3,4]。微注射成型的特點是，在將模具型腔的微結構復制到注射成型制品表面時，聚合物熔體黏度隨溫度下降而迅速增高的特性會嚴重影響其成型質量。具體來說，如果按照常規注射成型的經驗來設置模溫，則由于模具型腔的壁面溫度遠低于聚合物的玻璃化溫度，而導致黏度已急劇增大的聚合物熔體難以將型腔的微結構進行完全包覆，也就是微型腔充填不完整。為了保證微結構制品的注射成型質量而將模具溫度升高至接近聚合物的玻璃化溫度，又會導致注射成型制品冷卻緩慢，從而延長成型周期，并且容易使注射成型制品的宏觀表面產生縮痕，影響外觀質量。超聲波憑借其獨特的高頻振動作用、熱作用和空化作用等特點，已應用于許多領域的加工過程。

將超聲波引入微注射成型過程，是人們嘗試改善微結構制品注射成型質量的一種途徑。CHENRH、CZECHOESKA-BISKUPR等人的研究表明，糖類聚合物的稀溶液在超聲波的持續作用下，發生共價鍵斷裂、高分子降解，高分子的平均分子量降低，聚合度分布趨于均勻[7,8]。受此啟發，各國學者研制了適合于塑化量微小的超聲波熔融塑化系統，試驗結果表明，與加熱塑化相比，由超聲塑化得到的聚合物熔體在凝固后的微觀組織結構更均勻，具有良好的均質性[9,10]。還有研究者將超聲振動施加于注入模具內的聚合物熔體，發現對注射成型過程施加超聲波有助于聚合物熔體的充模流動，提高制品熔接痕處的強度，降低注射成型制品的內應力[11,12]。為了對微尺度效應下聚合物的流變行為以及微結構塑件的成型質量進行深入研究，設計了一種超聲波輔助微注射成型模具，將超聲振子作為型腔的一部分，直接將超聲振動作用于型腔內的聚合物熔體，并設計了可視化窗口，以期通過可視化方法觀察分析超聲波作用下的熔體流動行為以及微結構復制過程。

2超聲振動施加方式的選擇

在超聲波輔助微注射成型的研究中，超聲振動施加位置的選擇有流道、型腔之分，在型腔內的作用位置又分為是位于模具微結構的同一側還是對面一側。參考已有文獻的試驗數據以及前期探索，認為超聲振動施加于模具型腔的微結構鑲件上最有利于提高塑件的微結構成型質量。超聲振動場的高頻剪切作用促進大分子鏈的解纏，使無規則團狀分子變成鏈狀分子。此外，超聲波的空化作用以及熱作用，將超聲的機械振動能量轉化為聚合物熔體的內能，減慢振動鑲件壁面附近的聚合物熔體溫度下降速度。這兩方面綜合在一起，產生的效果是使聚合物熔體能夠在振動鑲件壁面處保持低黏度的流動狀態，從而改善聚合物熔體的充模流動。因此將型腔微結構設于振動鑲件壁面處能最大程度地發揮超聲振動的作用。

3可視化觀察方式的選擇

可視化模具按照觀察光路的設計，主要分為以透射光方式觀察和以反射光方式觀察兩類。日本東京大學的橫井試驗室在注射成型可視化研究方面作了許多工作，多是以反射光方式進行觀察[13，14]。北京化工大學的楊衛民等人在研究形狀對稱的平衡流道所產生的熔體不平衡充填問題時是采用反射光觀察方式[15，16]。大連理工大學的祝鐵麗等人在研究注射成型制品收縮規律時則是采用透射光的觀察方式，即型腔的上、下兩面都由透明的石英玻璃圍成，照明光從觀察方的對面經過型腔進入攝像機[17]。因為在可視化觀察窗口的對面是與超聲振子相連的型腔微結構鑲件，不能采用透射光方式，所以按照反射光方式進行可視化模具的設計。

4模具結構設計

設計的超聲波輔助注射成型可視化研究系統主要由超聲波發生器、可視化模具(如圖1所示)、同軸照明長距離顯微鏡、高速攝像機以及數據采集系統等組成。圖1中的超聲振子22與動模鑲件11組成動模一側的型腔，型腔微結構加工在超聲振子端面上。石英玻璃3被壓塊2與螺釘牢固安裝在定模板上，石英玻璃窗口與超聲振子端面處于上、下正對的位置。反射鏡7粘接在定模板6的反射鏡固定塊8上。與高速攝像機相連的長距離顯微鏡內置照明光源。顯微鏡內的同軸照明光線經反射鏡7的反射，透過石英玻璃3照亮型腔，再經過動模型腔表面的反射而原路返回，透過石英玻璃，由反射鏡將型腔內的圖像反射給高速攝像機。動模型腔的微結構部分將在超聲振子的直徑ϕ20mm的變幅桿端面上加工出來。為保證微結構的放電加工質量，超聲振子變幅桿的材料選用放電加工性能好的NAK80模具鋼，加工微結構的電極選用放電損耗極低的銅鎢合金。超聲振子端面的微結構設計為平行排列的3條微凸起，目的是能夠在不改變電極安裝位置的情況下實現一次性完成電火花的粗加工、半精加工和精加工。動模鑲件中型腔微凸起結構設計與橫截面尺寸如圖2所示。超聲振子圓柱形狀的變幅桿與動模鑲件是孔、軸配合，在模具裝配時可以旋轉超聲振子的安裝角度、改變動模型腔微凸起的排列方向，以便研究型腔微結構縱向與聚合物熔體充模流動方向的夾角對微結構成型質量的影響。為了注射成型結束后，塑件能夠順利脫模，動模型腔的覆蓋區域大于超聲振子的最大截面，以避免推桿與超聲振子發生干涉。4個直徑ϕ4mm的推桿孔在動模型腔中的布置如圖2所示。圖2型腔微凸起結構設計超聲振子的變幅桿與動模鑲件的安裝孔之間是精密的滑動配合，因此超聲振子與模具的其他部分裝配時均需要留有徑向的安裝間隙（如圖3所示）。在根據動模鑲件的配合孔確定超聲振子的安裝位置以后，用螺釘將超聲振子的壓塊14和安裝塊13牢固連接在動模板上。觀察窗口的材料采用光學性能與力學性能俱佳的石英玻璃。為了防止熔體充模過程中型腔內壓力將石英玻璃窗口破壞，利用注射成型仿真分析軟件Moldflow和受力分析軟件Ansys對石英玻璃進行強度校核。通過Moldflow軟件對熔體的充填型腔過程進行模擬分析，目的是估算型腔中的最大壓力。由于微結構的尺寸非常小、對熔體充填型腔過程壓力的影響可以忽略不計，建模劃分網格時忽略微結構。石英玻璃所覆蓋區域距離型腔澆口的最近點和最遠點記為A、B點，如圖4(a)所示。模擬結果顯示，在熔體充模開始后的0.6s，型腔內的熔體壓力達到最高峰，A、B點的壓力約為15.2MPa，如圖4(b)所示。使用Ansys軟件對石英玻璃進行靜力分析（如圖5所示）。為了增加安全度，強度校核時在石英玻璃的直徑ϕ20mm的下端面均布20MPa的載荷，使受載壓力高于注射成型熔體充填型腔模擬得到的壓力分布。石英玻璃柱的高度設計尺寸為30mm，受力分析所得到的最大拉應力為15MPa，小于石英玻璃的抗拉強度49MPa，說明石英玻璃的尺寸設計是合理的。

5結束語

設計的超聲波輔助微注射成型可視化模具，將超聲振子端面直接作為模具微結構型腔的組成部分，可以實現對超聲波作用下的聚合物熔體充模流動行為進行觀察記錄，為研究超聲振動對不同方向微結構的注射成型質量的影響提供了試驗條件。

作者：王凱 祝鐵麗 丁宇 于同敏 劉永云 單位：大連理工大學 模塑制品教育部工程研究中心