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(duì)過程的理解約束著已選定的生產(chǎn)路線，這一點(diǎn)在設(shè)計(jì)階段和大規(guī)模生產(chǎn)中非常

4、必要的。在這項(xiàng)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(huì)與沒有涂有DLC的同種模具進(jìn)行對(duì)比。通過一連串的實(shí)驗(yàn)測(cè)試出四個(gè)工藝參數(shù)的影響——融化和模具溫度，冷卻和彈出時(shí)間，這些工藝參數(shù)將會(huì)用來評(píng)價(jià)脫模過程，利用兩種高分子材料——PP和ABS，重點(diǎn)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(yùn)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(jì)又可靠地生產(chǎn)大規(guī)模微型組件的制造系統(tǒng)。在這個(gè)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(jì)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(gè)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(shí)，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?yàn)樗芗冃味斐善茐牧慵卣骱鸵敫嗟膬?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(dòng)力和表面處理方式。然后，把那些檢測(cè)脫模的腔涂料影響所用到的實(shí)驗(yàn)裝置和測(cè)試工具用實(shí)驗(yàn)結(jié)果描繪出來。最后列出實(shí)驗(yàn)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(duì)零件和模具之間粘附力的預(yù)測(cè)是一項(xiàng)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(duì)注射成型和脫模的研究，實(shí)例表明摩擦因素是非常難解釋的。同時(shí)它表明注射壓力對(duì)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(duì)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(xiàng)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(duì)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(jī)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(yùn)用表面處理

10、可以用來改善模具表面的耐磨性。同時(shí)，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?yàn)榘文ＡΦ慕档投玫搅烁纳啤?lt;/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(duì)模具進(jìn)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(dá)到μm級(jí)（0.05—0.2μ），足足比陶瓷涂層

11、低了一個(gè)數(shù)量級(jí)。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(xiǎn)。例如鎳是一種常見的接觸過敏原，同時(shí)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(dá)到對(duì)抗污染?；谶^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(xiàng)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(shí)驗(yàn)設(shè)備</b></p><p><b>　　實(shí)驗(yàn)材料</b></p><p>　　選用兩種常用的注塑成型材料來進(jìn)行計(jì)劃的實(shí)驗(yàn)——ABS和PC，執(zhí)行微注射成型的機(jī)器是巴頓菲爾50微型系統(tǒng)。</p><p><b>　　零件設(shè)計(jì)和模具制造</b></p&g

13、t;<p>　　在這項(xiàng)研究中，該設(shè)計(jì)零件尺寸是15mm×20mm×1mm微射流平臺(tái)(圖1)，該設(shè)計(jì)所包含的特征都是在微射流平臺(tái)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(gè)相同的模具都用黃銅制造。他們通過微加工制作出來。動(dòng)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(tái)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(gè)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(jī)中，并用丙酮和乙醇清洗，然后在Ar+H2下進(jìn)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(jī)械特性</p><p><b>　　力的測(cè)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(cè)力范圍是0～10000N，傳感器輸出的信號(hào)可以通過國家儀器cDAQ-9172 USB數(shù)據(jù)采集單元轉(zhuǎn)載到計(jì)算機(jī)上。同時(shí)測(cè)量值可以通過國家儀器

16、Labview 8軟件進(jìn)行訪問。為了適應(yīng)力傳感器，每個(gè)工具都必須進(jìn)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(shí)現(xiàn)力的測(cè)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(dòng)的時(shí)候，傳感器受到機(jī)械負(fù)載和成一定比例的電壓，機(jī)械負(fù)載和電壓都是由儀器NI 920（16位）模塊檢測(cè)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(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)</b></p><p>　　通過探測(cè)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(shí)間（tc）、注射時(shí)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(gè)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(gè)模具表面處理的反應(yīng)和每一步的控制參數(shù)都會(huì)在測(cè)量彈出零件期間的脫模力的時(shí)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(shí)驗(yàn)結(jié)果在考慮的處理窗口中，每一個(gè)試驗(yàn)。基于脫模力測(cè)試時(shí)的表面處理，基于試驗(yàn)，脫模力的平均值就這樣被系統(tǒng)計(jì)算出來了，如圖3。對(duì)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(shí)驗(yàn)對(duì)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(duì)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(jì)算是基于每一個(gè)組合的控制參數(shù)的試驗(yàn)，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(yùn)用田口方法的表面處理和聚合物。假如相對(duì)平均值是最

21、低的，那么它的值就是已給參數(shù)的三個(gè)等級(jí)中最好的，表4展示了實(shí)驗(yàn)的結(jié)果。通過利用這個(gè)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(duì)最優(yōu)性能的影響</p><p>　　通過實(shí)驗(yàn)

22、結(jié)果，用方差分析去估計(jì)各個(gè)工藝參數(shù)對(duì)脫模的影響。表5列出各個(gè)參數(shù)的影響率?；谶@個(gè)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(gè)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(gè)實(shí)驗(yàn)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(duì)脫模力的影響。而且，通過運(yùn)用實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)方法，微射流平臺(tái)的脫模性能研究是一個(gè)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(bào)告，可以得出以下的結(jié)論：</p><p>　　通過對(duì)PC和ABS的平均脫模力的測(cè)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(shí)驗(yàn)性的研

24、究，就目前而言，截至本研究，尚沒有一個(gè)唯一的選擇性參數(shù)水平能夠像本研究一樣，對(duì)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(duì)最優(yōu)性能的作用。通過模具處理和聚合物組合計(jì)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(qiáng)調(diào)的是，在微注射成型中選擇表面處理時(shí)，聚合物的特性是一個(gè)

25、很重要的因素。實(shí)驗(yàn)研究和模擬脫模動(dòng)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(huì)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(jì)劃”、“光學(xué)微流體的表面增強(qiáng)系統(tǒng)”資助, 同時(shí)，它也是在教統(tǒng)會(huì)第六框架卓越網(wǎng)絡(luò)的框架內(nèi)進(jìn)行的，即“多種材料的微制造技術(shù)及應(yīng)用”。</p>&l

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