宋滿倉，連城林，劉 瑩，劉 沖，劉軍山，熊林城

(大連理工大學精密與特種加工教育部重點實驗室，大連 116024)

電熱式變模溫注塑改善微結構復制度方法

宋滿倉，連城林，劉 瑩，劉 沖，劉軍山，熊林城

(大連理工大學精密與特種加工教育部重點實驗室，大連 116024)

為解決在注塑成型過程中微結構特征難以精確復制的問題，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)各部分動作由外設可編程控制器PLC控制，并與注射機內部控制器的信號互鎖．以典型微結構塑件——微流控芯片為例，研究了變模溫注塑成型對微結構復制度的影響．結果表明，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構復制度，復制度接近100%，并呈現(xiàn)出很好的宏觀表面質量．

注塑成型；電熱式變模溫；微流控芯片；微通道；復制度

傳統(tǒng)注塑成型技術已經很成熟，通過優(yōu)化工藝參數(shù)，注塑制品都可獲得較好的復制度．但是對于帶有微結構的制品成型，由于冷凝層效應和滯流現(xiàn)象的存在，必然會造成成型制品與型腔在尺寸和形狀方面產生差異，即達不到100%復制的問題[1]．而這種成型問題將直接影響到此類制品的尺寸和形狀精度，限制了其應用場合．目前，國內外對注塑成型微結構復制度的研究也很多，如Lee等[2]對微透鏡陣列的復制度、Sha等[3]對微圓柱陣列的復制度開展了研究，李常峰等[4]提出了利用超聲振動輔助注射成型來提高微通道復制度的方法．Yao等[5]針對聚合物熔體在微通道中的流動問題進行了理論研究和2.5D有限元數(shù)值分析．Theilale等[6]用試驗和模擬的方法來研究影響微結構復制質量的因素．Ong等[7]通過試驗研究成形工藝參數(shù)在型腔的微結構填充中所起的作用．盧振等[8]研究了抽真空對微結構成型的必要性．如何提高和改進微結構的復制度，直至徹底解決，目前還沒有有效的系統(tǒng)解決方案．

在前期工作[9]的基礎上，本文以具有十字交叉微通道的微流控芯片為研究對象，針對傳統(tǒng)的油加熱恒定模溫注塑成型技術無法徹底解決微結構復制度的問題，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，通過試驗和理論分析，以期獲得明顯改善微結構復制度的工藝方法．

1 微結構的復制度

微流控技術是把生物和化學等領域中所涉及的樣品制備、反應、分離、檢測等基本操作單元集成到一塊尺寸較小的芯片上，在壓力泵或電場作用下形成微流路，以達到對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構為“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65,mm，橫向長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構制品，其成型質量的核心指標是微通道的復制度，即制品微通道與型芯微凸起的符合程度．而復制度不理想表現(xiàn)為在微通道開口處本應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，在模具溫度為85,℃左右時，可以有效地改進微通道復制度．若將模具溫度提高到PMMA的玻璃態(tài)轉變溫度105,℃后，圓角明顯減小且不可見，如圖3(b)所示．但是這樣會產生一系列問題，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，在脫模時會產生帶料缺陷，如圖3(b)所示．同時也會帶來一些宏觀缺陷，如粘模、凹陷等，并且高的模具溫度增加了冷卻時間，使成型周期變長．但是微結構成型質量作為微流控芯片的核心指標必須得到提升，因此需要一種注射時模具溫度較高、開模時模具溫度較低的注塑成型方法——變模溫注塑成型技術．

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采用一種動態(tài)的模溫控制策略，即在注射前快速加熱模具，以實現(xiàn)高模溫注射，隨后通過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加熱、紅外線加熱、半導體加熱、火焰加熱、電加熱、高溫氣體加熱和復合模壁加熱等；冷卻模具的方式有液氮冷卻、半導體冷卻和水冷卻等．本文根據(jù)各種加熱和冷卻方式的特點、成本和試驗要求等，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、模具和控制系統(tǒng)組成，其控制系統(tǒng)主要由加熱裝置、冷卻裝置和外設控制裝置3大部分組成，其中還增加一個由空壓機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到預設值t1(通常為塑料的玻璃態(tài)轉變溫度，PMMA的玻璃態(tài)轉變溫度為105,℃)．為使加熱均勻，本試驗的電熱棒遵循多數(shù)量和密排步的原則，電熱棒的直徑應盡可能的??；但受電熱棒的制作工藝限制，若直徑過小則棒內的加熱絲密集程度就會降低，導致功率密度下降，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為6,mm．

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

(3)外設控制裝置．由PLC控制柜和上位機監(jiān)控系統(tǒng)組成．采用西門子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擴展模塊．通過該裝置可實現(xiàn)模具溫度變化的控制，并且與注塑機的控制信號實現(xiàn)互鎖，保證注塑成型過程的有序進行．

需要實現(xiàn)互鎖的信號有注塑機安全門的開合、注射、注射轉保壓及開模信號．其中開合安全門、注射轉保壓為外設PLC的輸入信號，注射和開模為外設PLC的輸出信號．通過溫度傳感器測量模具溫度值與預設溫度值的比較作為各個動作進行的起止點．t2為開模時的模具溫度(本試驗設為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和結果分析

3.1 電熱式變模溫注塑成型試驗

前期研究[12]表明，模具溫度是影響芯片微通道復制度的主要因素，故在試驗裝置搭建完成之后，進行模具溫度對微結構成型質量影響的試驗，以此來驗證電熱式變模溫注塑成型技術的可行性．試驗所用工藝參數(shù)如表1所示，模具溫度取值以及試驗結果如圖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系Fig.6Variation of micro channel width with mold temperature

從圖6中可以看出，微通道的開口寬度隨模具溫度的升高呈減小趨勢，當模具溫度為95,℃時，其開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,℃后開口寬度又有增大的趨勢，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)轉變溫度后，直接導致熔體在高溫下在型腔中的駐留時間加長，使成型制品與型腔產生粘連，導致開口處變形、寬度加大，如圖7所示．嚴重時在開模時就會產生制品撕裂現(xiàn)象，故在保證微結構成型精度的前提下，應選擇恰當?shù)臏囟确秶?95～105,℃)以保證芯片的宏觀質量．

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

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

通過正交試驗可以得出，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，左側為芯片基片，各部分尺寸與圖1相同，右側為其相應的蓋片，芯片宏觀質量良好，微通道復制度幾乎達到100%，如圖9所示，芯片宏觀質量和微通道復制度都非常好．

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

圖9 100%復制度Fig.9 100% replication fidelity

3.3 變模溫注塑明顯改善微通道復制度的成因分析

模具溫度較低，熔體進入模具型腔后，在型腔表面形成冷凝層，固化的冷凝層使得微通道無法被完全填充，注塑成型后在微通道處出現(xiàn)較大的開口圓角；模具溫度過高，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，這個周期會很長；所以，在傳統(tǒng)注塑成型中，為了縮短成型時間，降低生產成本，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填充效果的影響，微結構得不到理想的復制．

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，可在短時間內將模具加熱到較高的溫度，當模具溫度達到預定值(玻璃態(tài)轉變溫度)時開始注射，熔體在幾乎無冷凝層的狀態(tài)下填充型腔，微結構處得到充分充填，從而獲得理想的復制度；在保壓一段時間后開始冷卻固化，當模具溫度降到開模溫度時開模取件，用吹氣排殘裝置清除冷卻水道中的水，從而完成一個周期．與恒油溫加熱相比，這個周期要縮短許多，大約在90,s左右．

4 結 論

(1)采用外設可編程控制器PLC控制并與注射機內部控制器的信號互鎖，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構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優(yōu)勢在于，模具溫度可以接近或達到塑料制品的玻璃態(tài)轉變溫度，熔體在幾乎無冷凝層的狀態(tài)下填充型腔，微結構處可得到充分充填，從而可以獲得非常好的微結構復制度．

(3)針對使用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,℃時的優(yōu)化工藝組合條件下，可以明顯改善芯片微結構復制度，并獲得很好的宏觀表面質量．

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(責任編輯：金順愛)

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.

國家高技術研究發(fā)展計劃(863計劃)資助項目(2012AA040406)；中央高?；究蒲袠I(yè)務費專項資金資助項目(DUT13JB05)；遼寧省自然科學基金資助項目(201202036).

宋滿倉（1964— ），男，博士，副教授.

宋滿倉，mcsong@dlut.edu.cn.

時間：2014-03-20. 網絡出版地址：http://www.cnki.net/kcms/doi/10.11784/tdxbz201402036.html.