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模具設(shè)計(jì)技術(shù) 的發(fā)展 和微成型工藝 的研究 張建紅 陳歌 謝宏 袁超譯 摘要 ： 微系統(tǒng)技術(shù)是跨學(xué)科的工程科學(xué)。那個微成型活動包括全系列的聚合物成型從產(chǎn)品設(shè)計(jì)到模具設(shè)計(jì)和制造和應(yīng)用創(chuàng)新的注射技術(shù)。該成型機(jī)，對于模具，材料和過程，以及部分處理和檢查，需要特別處理。新一代微型注塑成型機(jī)，新的模具設(shè)計(jì)的概念和方法，有必要通過改進(jìn)以滿足新機(jī)器的需求。 關(guān)鍵詞 ： 微系統(tǒng)技術(shù) ； 微注射成型工藝 隨著 全球趨勢在注塑塑造行業(yè)傾斜朝向精密成型和小型化， 在塑料工藝和制造微型精密零件方面 有日益增長的需求 。微成型技術(shù)，因此可 以在不同的學(xué)科完全開放 新的可能性 的 許多應(yīng)用程序 。 能夠生產(chǎn)可以接受的計(jì)量準(zhǔn)確度和均勻性非常 好 的塑料熔體是一個關(guān)鍵挑戰(zhàn)中的微成型工藝。在傳統(tǒng)的往復(fù)式螺桿注塑成型過程中，聚合物材料的熔化和注入模腔通過螺釘桶系統(tǒng) 完成 。 常規(guī)注射注塑機(jī)，它幾乎可以生產(chǎn)零件重量小于 的 零件 。因?yàn)橛邢拗?，以減少螺釘尺寸由于螺桿強(qiáng)度和塑料顆粒喂養(yǎng)的考慮，并也因?yàn)榭赡苋诨亓魍ㄖ杏龅降穆萁z渠道當(dāng)噴油壓力非常高使用。此外，在微型元件成型采用傳統(tǒng)的注塑成型機(jī)器，周期通常較長超過必要的 時間 ，因?yàn)闈驳来笮〔⒉豢偸浅烧?和由于考慮盡量減少停留時間 和材料熔體降解，所以對于新的一代注塑成型機(jī)有 所必需的微成型技術(shù)。 為了控制計(jì)量的準(zhǔn)確性和同質(zhì)性的極少量熔體微成型， 新一代的機(jī)器使用單獨(dú)的螺絲單位和一個柱塞噴射系統(tǒng) [ 2 ，如圖 1 所示。在成型工藝 中 ，塑料顆粒被輸入擠壓螺釘， 他們 通過 暖氣和剪切效應(yīng)，然后進(jìn)入劑量桶。當(dāng)熔體中的配料桶達(dá)到設(shè)定點(diǎn)，將轉(zhuǎn)入注射桶，該注射液， 利用預(yù)期要求微注射注塑機(jī)，然后注入柱塞熔體到模具腔。這些機(jī)器建設(shè)者已制定新的制度旨在始終，準(zhǔn)確， 快速成型制造零件， 重量不到 [ 4 ] 。隨著期望迅速增長的應(yīng)用微型注 塑零件，機(jī) 器 制造商預(yù)測， 市場對微型注塑機(jī)將已增加一倍，未來幾年，由于需求的增長，微型傳感器汽車 將得到廣泛 應(yīng)用。 微系統(tǒng)技術(shù)是跨學(xué)科的工程科學(xué)。那個微成型活動包括全系列的聚合物成型從產(chǎn)品設(shè)計(jì)到模具設(shè)計(jì)和制造和應(yīng)用創(chuàng)新的注射技術(shù)。該成型機(jī)， 對于 模具，材料和過程，以及部分處理和檢查，需要特別處理。新一代微型注塑成型機(jī)，新的模具設(shè)計(jì)的概念和方法，有 必 要通過 改進(jìn) 以滿足 新機(jī)器的 需求。 2 目的 這個項(xiàng)目的目標(biāo)是開發(fā)模具設(shè)計(jì)技術(shù)新一代微注射注塑機(jī)，并研究成型行為高分子材料微成型系統(tǒng)。 3 方法 型零件設(shè)計(jì) 模具設(shè)計(jì)，研究了兩個微組成部分。一個組成部分 是 透鏡陣列 19 “微型”鏡頭表面設(shè)計(jì)的頂部和底部雙方的透鏡陣列，如圖所示 2 。整體層面的部分12米。這種類型的透鏡陣列是廣泛應(yīng)用于光學(xué)行業(yè)。那個高分子材料選擇這部分聚碳酸酯（ ，以利用優(yōu)勢，其光學(xué)性能，力學(xué)性能和工藝性能。其他部分的研究是一個微齒輪軸如圖 3 所示。 齒輪是一個 8 齒小 齒輪 ， 直徑為1 毫米。根直徑齒輪是 米和齒輪壓力角為 200 。聚合物材料用于齒輪是聚甲醛。 型模 具設(shè)計(jì) 微型模具設(shè)計(jì)與制造是 微成型過程 中 一個非常重要的工 藝 。模具是一種高度先進(jìn)的設(shè)備，包括許多部分需要高品質(zhì)的鋼材。是否微型元件才能成功 壓 模，在很大程度上 依賴 設(shè)計(jì)和制造的注塑模具。 具結(jié)構(gòu) 注射噴嘴微注射注塑機(jī)通常 以這樣一種方式 設(shè)計(jì)，他們能夠 快速 達(dá)到模 腔 。這提供了聚合物熔體以最短路徑距離腔，并減少了 熔料 浪費(fèi)。 當(dāng)使用微型模具設(shè)計(jì)等注塑成型機(jī)， 模具設(shè)計(jì)人員必須牢記這一點(diǎn) ， 雖然不同類型的模具配置可以使用，例如雙金屬板或三盤 模具。 三板模具設(shè)計(jì)如 圖 4 所示，已被用于微 型 部分研究 在這方面的工作。二三板微型模具設(shè)計(jì)及金屬制品業(yè)的透鏡陣列和齒輪組件分別 是不同的 。微觀透鏡陣列是一個單一的模具型腔工具和 齒輪組件是 一個微型齒輪兩個腔模具。 由于結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)透鏡陣列的設(shè)計(jì) 是不同的 透鏡陣列。而對于齒輪模，澆注點(diǎn)設(shè)計(jì)在另一端的軸。 嘴聯(lián)系和 澆口 彈射 在傳統(tǒng)注塑成型機(jī)，噴油嘴可以移動前進(jìn)，并在接觸模具澆道下套管液壓壓力在熔體注射過程中， 指導(dǎo)聚合物熔體 熔 在模具 型腔里 。 噴嘴可作為防漏設(shè)備，從而提供了熔體通道的最低壓力和散熱損失 [ 6 ] 。對于微型成型機(jī)械設(shè)計(jì)與噴嘴 如 圖 1 所示 ，噴嘴的位置是固定的一次裝在機(jī)器， 根據(jù)注塑模機(jī)械鎖模力 噴嘴被迫接觸 機(jī)器 。 兩個模具用于研究，錐面上設(shè)計(jì)固定板與圓錐噴油嘴表面，因?yàn)?從圖 5 可以看出這個數(shù)字，在這個設(shè)計(jì)前端 的噴油嘴是分沖水 。 它們 之間的空間噴嘴和移動板 將使前面的噴嘴在熔體注射液進(jìn)程中形成 一個薄盤形 澆口 。 由于錐面上的固定板模具是擴(kuò)展到邊緣板，反向圓錐角將形成磁盤形狀 澆口 。 由于扭轉(zhuǎn)角的 澆口 ， 澆口 將被保存在固定板一側(cè)時，模具打開，從而打破了部分 的 臨 界 線。 變性能研究和模具澆注系統(tǒng)設(shè)計(jì) 微小型成型工藝 和 微型大小 澆口 都需要因?yàn)檫@一進(jìn)程的目標(biāo) 分裂成 微觀組成部分。 在流經(jīng)澆口系統(tǒng) 聚合物熔體受非常高 的 剪切速率。雖然處理?xiàng)l件對功能和長壽的最后部分 如此嚴(yán)重的影響 還沒有要解決，粘度和流動性的聚合物熔體將肯定會受到 澆口設(shè)計(jì) 影響。 作為一個簡單的估算，該剪切速率在一個圓形橫截面通道可 以用 計(jì)算公式 ：γw = 32Q/π1) 體積流率（百萬立方米 /秒）， D（毫米）是半徑的流通渠道。體積流速是一個功能注射速度，方程 1 可以重新寫為： γ w = 8V D2/2） 其中 D （毫米）是注射柱塞直徑， v（毫米 /秒）是柱 塞注射液速度。剪切速率在一個 澆口 是 這樣 一個函數(shù)的注射速度， 柱塞直徑的大小 影響 熱流道系統(tǒng)。 圖 6 中提出的估計(jì)剪切 澆口 利率 通過 計(jì)算系統(tǒng)方程 2， 不同柱塞注射液速度和 澆口 層面在柱塞噴油系統(tǒng)與柱塞直徑 為 5 毫米。 從中可以看出對 數(shù)字剪切速率非常敏感。對于尺寸用于模具在這方面的工作， 米和 米的齒輪和透鏡陣列模具分別剪切速率生成的范圍是 105 至 106（ 米 /秒） 。這是 比較常規(guī)的 注塑成型過程。 流變學(xué)特性的聚合物樹脂用于這方面的工作進(jìn)行了研究用毛細(xì)管流變儀。粘度曲線的聚碳酸酯（ 和聚甲醛樹脂在 圖 7a 和 7B 條分別作為一個功能的剪切速率。 可以看出從圖 7 的粘度強(qiáng)烈影響這一過程的溫度，特別是在低剪切速率。隨著剪切速率 的增加和 溫度下降 ， 剪切速率 下降 。 這剪切速率的影響是更強(qiáng)大 過程中的溫度和低剪切速率地區(qū)。在塑料透鏡成型低注射速度通常采用低殘余應(yīng)力成型。適當(dāng)選擇和控制的過程溫度變得非常重要的聚碳酸酯樹脂，因?yàn)樵诘图羟新实貐^(qū)強(qiáng)烈的粘度而受影響的加工溫度。 圖 8A 條是熱流道系統(tǒng)受雇的透鏡陣列模具。 考慮到溫度敏感性粘度的 在熔體注射時 短熱流道系統(tǒng)的 10 毫米被用來降低熔體溫度下降。 這 是觀察到的圖 7B 條溫度對熔體粘度對聚甲醛樹脂并非如此顯著。 然而，熔體粘度強(qiáng)烈受 剪 切變率，特別是在低剪切速率區(qū)域。為了獲得低熔體粘度，注射高速度可用于低粘度，這樣才能實(shí)現(xiàn)，方便微腔填補(bǔ)。一個“微型”梯形熱流道系統(tǒng)以高度為 米，頂端和底部寬度為 米分別被選定 ,如圖 8所示。 型實(shí)驗(yàn)研究利用實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)方法 微注射成型實(shí)驗(yàn) 使用兩個微型工具 進(jìn)行了研究。微注射成型機(jī)器使用了登菲爾微系統(tǒng)公司 50 成型機(jī) [ 9 ] 。通過用螺釘預(yù) 緊 ，機(jī)器采用柱塞 5 毫米直徑的融化注射劑，以實(shí)現(xiàn)精確衡量控 制熔體準(zhǔn)確性 ， 聚甲醛樹脂 的 粘度曲線 如 圖 7 中提出的， 分別 是實(shí)驗(yàn)中所用的研究微透鏡陣列和微型齒輪組件。 對 成型 過程中的高分子材料微型工具進(jìn)行了研究，并對澆口 體重的變化進(jìn)行了分析職能的工藝條件。 設(shè)計(jì)的實(shí)驗(yàn)方法（指定經(jīng)營實(shí)體） 是用來研究如何塑造進(jìn)程受影響的過程參數(shù)。研究進(jìn)程條件 如何 影響了一部分體重， 澆口 重量在透鏡陣列成型， 一個兩層高的一半分?jǐn)?shù)階乘實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)和生成進(jìn)行微透鏡陣列。那 個參數(shù)研究包括計(jì)量大小，模具溫度，熔體溫度，冷卻時間，注射速度 和保壓時間。表 1 顯示參數(shù)值中使用實(shí)驗(yàn)研究 4 結(jié)果與討論 型工藝和模具組件 如圖 9 和 圖 10 兩 個照片模壓微型齒輪和微透鏡陣列部分分別 所示 。 注塑模具 是行之有效的微注塑機(jī)， 彈射和 澆口 下降了 兩個鏡頭，齒輪模具 的照片 如 圖 8表明，聚合物熔體流動以及在流通渠道的設(shè)計(jì)。 表二所列的一些物理功能型微透鏡陣列和齒輪部分。部分重量鏡頭陣列型是使用約 90 毫克。由于部分是在這種情況下， 相對“大”的熱流道系統(tǒng)有可比數(shù)量的透鏡陣列與亞軍重量 /重量比部分約 部分重量型齒輪然而只有 8 毫克，遠(yuǎn)比較小的透鏡陣列的一部分重量。澆口 的齒輪體重 200 毫克， 澆口 重量 /重量比部分的微型 齒輪是 微型部分成型 是 轉(zhuǎn)輪系統(tǒng)的一般功能，尤其是當(dāng)一個大噴射系統(tǒng)使用。為了微注塑機(jī)的使用在目前的工作，最高注射量的聚合物熔體 1000 立方毫米，這是其中一個最小的市場。微齒輪模具， 雖然 澆口 部分的比例是 5： 12，總?cè)刍孔⑷朊總€成型周期僅 150 立方毫米。 這是只有 15 ％的注射機(jī)能力。雖然可以使用小 澆口 和比例較低的機(jī)器的能力，還有其他考慮，例如熔體停留時間和材料退化。 分重量和 澆口 重量 微注射成型工藝采用柱塞噴射系統(tǒng)， 熔體計(jì)量設(shè)置是一個 影響 零件質(zhì)量的關(guān)鍵因素 。 這是因?yàn)?在這個過程中 聚合物熔體倒流是不可能的， 無 論是根據(jù)或以上的 要求 ，將注入熱流道系統(tǒng)和模具腔。 圖 11 中提出的實(shí)驗(yàn)結(jié)果的重量模壓零件和獲得 澆口 的美國能源部工藝條件。這是觀察到這一數(shù)字的曲線的 澆口 ，總重量 澆口 和部分按照類似的格局在回應(yīng)改變工藝條件。而對于體重的一部分，這是在同一各種規(guī)模的 澆口 重，變化是比較少。這可能是由于這樣一個事實(shí)，即當(dāng)超過所需的聚合物熔體供應(yīng)注塑桶，很容易包到熱流道系統(tǒng)。 藝參數(shù)的影響零件質(zhì)量 為了探討注射液速度快，實(shí)驗(yàn)進(jìn)行了以上一系列的注射速度，而其他條件保持不斷 的透鏡陣列成型。那個重量 澆口 和部分所得在圖 12 。 這是觀察到的數(shù)字，雖然總重量的 澆口 和部分保持在一個恒定值， 澆口 和部分重量各不相同 且 注射速度 大大不同 。 在低注射速度非常低的部分體重獲得，這表明模腔沒有完全填補(bǔ)。論另一方面， 澆口 重量非常高 等 這些條件。這是因?yàn)槿垠w在熱流道系統(tǒng)冷卻很快，由于 澆口和門控系統(tǒng) 規(guī)模較小。在低注射液速度，熔體動作慢 澆口 的和門控系統(tǒng)，并成為更粘稠，甚至固化前模腔完全填補(bǔ)。 微型齒輪成型，試驗(yàn)進(jìn)行了不同計(jì)量大小設(shè)置的研究計(jì)量尺寸和重量上的一部分轉(zhuǎn)輪重量。圖 13 中顯示的結(jié) 果的一部分和 澆口 測量作為一個功能的計(jì)量大小。它可以必須指出，低熔體計(jì)量這兩個部分的重量和亞軍線性增加體重的計(jì)量大小。但是，在計(jì)量規(guī)模達(dá)到約 210 立方毫米， 幾乎沒有增加觀察到齒輪部分體重。另一方面， 澆口 被發(fā)現(xiàn)體重進(jìn)一步增加甚至在穩(wěn)態(tài)部分重實(shí)現(xiàn)。這是因?yàn)槿魏位亓骶酆衔锶垠w是不可能的柱塞噴射過程。一旦 型 腔充滿，任何進(jìn)一步的計(jì)量增加將造成更大的 澆口。理想計(jì)量大小，因此 應(yīng)提供足夠的聚合物熔體填補(bǔ)腔。 5 結(jié)論 微成型過程中，為不同的產(chǎn)品設(shè)計(jì)和聚合物材料，不同的模具系統(tǒng)可用于更好地融化流和空腔填補(bǔ)。材料與剪切敏感 粘度，一個小熱流道系統(tǒng)可以產(chǎn)生高剪切，以減少熔融粘度，方便微腔填補(bǔ)。溫度敏感材料，短期熱流道系統(tǒng)應(yīng)使用，以盡量減少熱損失。 微注射系統(tǒng)， 螺絲桶和柱塞噴射系統(tǒng)，模具分型線可設(shè)計(jì)在噴嘴的秘訣更好的熔體注射和壓力控制。與常規(guī)注塑成型過程使用螺桿注射，這是一個很好的做法 。柱塞噴射系統(tǒng)保留模壓塑料亞軍固定一半以上的模具。這可能是實(shí)現(xiàn)了設(shè)計(jì)一個磁盤形空間的前端的噴嘴扭轉(zhuǎn)錐度。前進(jìn)運(yùn)動能力的注射柱塞可以用來退出 澆口 的塑造。 工藝參數(shù)，具有最顯著的影響，同時轉(zhuǎn)輪重量和體重的一部分計(jì)量大小。影響的 澆口 體重更為明 顯對部分重量，尤其是當(dāng)超過計(jì)量設(shè)置使用。 控制體重更是復(fù)雜和涉及其他工藝參數(shù)，如注射速度及模具溫度 . 6 工業(yè)意義 小型化的趨勢已帶來的需求越來越多小型精密成型塑料組成部分，特別是在醫(yī)療和信息技術(shù)。印第安納州為了迎接挑戰(zhàn)走向小型化，新的一代注塑機(jī)使用一個單獨(dú)的螺桿單位和柱塞噴射系統(tǒng)已制定的塑造行業(yè)捏造的微型元件，以毫克 為水平。 微型模具設(shè)計(jì)與制造是一個挑戰(zhàn)生產(chǎn)微型元件符合嚴(yán)格的三維和功能要求。新模具設(shè)計(jì)概念和方法都必須通過以滿足需求的新機(jī)。開發(fā)的技術(shù)為微型模具的設(shè)計(jì)和微成型進(jìn)程將使成型行業(yè)迅速拿起微 成型技術(shù) 件。 參考資料 1. 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