聚合物微成型模具設(shè)計(jì)及制造技術(shù)分析

摘要：隨著機(jī)械設(shè)備向高精尖方向發(fā)展，對(duì)模具的制造提出了更高的要求。該零件具有表面光滑、結(jié)構(gòu)多樣、內(nèi)部構(gòu)造精細(xì)、體積小等特點(diǎn)，并有完善的設(shè)計(jì)體系指導(dǎo)。基于高分子微成型模具設(shè)計(jì)與制造技術(shù)的發(fā)展，促進(jìn)了精密零件批量生產(chǎn)，降低了生產(chǎn)成本，滿足了醫(yī)療、衛(wèi)生、生物、光學(xué)等行業(yè)對(duì)精密零件的高要求，從而促進(jìn)了我國(guó)精密制造行業(yè)的發(fā)展。本文首先對(duì)聚合物微成型制品的類型進(jìn)行了介紹，之后對(duì)聚合物微成型模具設(shè)計(jì)與制造技術(shù)進(jìn)行了深入分析。

關(guān)鍵詞：聚合物微成型模具;技術(shù)分析;相關(guān)設(shè)計(jì)

引言

伴隨著現(xiàn)代化工業(yè)和制造業(yè)的發(fā)展，對(duì)模具的需求也在不斷增加。為適應(yīng)模具設(shè)計(jì)制造的需要，聚合物微成型材料以其密度小、比剛度高、生物相容性好等優(yōu)點(diǎn)，逐漸成為模具制造中的首選材料，在材料的推動(dòng)下，其應(yīng)用前景十分廣闊。此外，由于材料與技術(shù)的發(fā)展，模具設(shè)計(jì)與制造已邁向新的高度，針對(duì)聚合物熔體跨尺度流動(dòng)的理論及加工方法尚不完善，對(duì)聚合物微制品的成型質(zhì)量產(chǎn)生了一定的限制。所以，探討和分析聚合物微成型模式的設(shè)計(jì)和制造工藝，對(duì)提高微成型制品的質(zhì)量具有重要意義。

一、聚合物微成型制品的類型

目前，聚合物微成型技術(shù)主要是為廣大工業(yè)制造企業(yè)和產(chǎn)品設(shè)備加工企業(yè)提供低成本、高精度、大批量生產(chǎn)的微制品成型技術(shù)。聚合物微成型技術(shù)主要包括注射成型、微熱壓成型、微擠出成型三種工藝，所生產(chǎn)的微產(chǎn)品主要有以下三種類型：一是生產(chǎn)體積小、質(zhì)量好的模具產(chǎn)品，通常工業(yè)成品的體積小于1mm，主要應(yīng)用于微型機(jī)械制造系統(tǒng)，如微齒輪、透鏡及微螺栓螺母等;二是生產(chǎn)的成品尺寸在1厘米以內(nèi)，且成品表面具有細(xì)微的特征，如生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域和光學(xué)領(lǐng)域使用的介入導(dǎo)管、微光柵等產(chǎn)品;三是所生產(chǎn)的產(chǎn)品沒(méi)有明確的尺寸規(guī)格和特征要求，但局部要求尺寸精確到微米，例如高精度方面出現(xiàn)非球面鏡片。

二、聚合物微成型模具設(shè)計(jì)與制造技術(shù)分析

（一）微注射成型模具的設(shè)計(jì)與制造技術(shù)

微量注塑模具對(duì)精度的要求非常高，其設(shè)計(jì)質(zhì)量直接影響到后期產(chǎn)品的質(zhì)量和成本，其關(guān)鍵技術(shù)有以下三種：一是變溫模具設(shè)計(jì)，采用變溫模具設(shè)計(jì)，可有效避免因模具溫度過(guò)高而造成模具內(nèi)部變形;二是采用真空排氣系統(tǒng)設(shè)計(jì)，排除動(dòng)、定模間殘留大量空氣，使模具處于封閉狀態(tài);三是采用脫模機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)，脫模是模具制造的重要環(huán)節(jié)，模具成型質(zhì)量與脫模工藝密切相關(guān)。在此階段，主要采用間接脫模，通過(guò)流道和澆口進(jìn)行脫模，有效地保證了模具表面的平滑度。對(duì)微注射成型模具的制造，采用了以下三種工藝方法：（1）微機(jī)械加工技術(shù)，它不僅能加工多種材料，而且還能在10微米至10 mm范圍內(nèi)切割各種形狀和特征的模芯：（2）采用微細(xì)電化學(xué)、電火花等加 L技術(shù)加工精度在100 nm以下的模具產(chǎn)品，甚至是可加工幾十微米大小的醫(yī)療器械產(chǎn)品;（3）采用 LIGA加工技術(shù)加工精度在10 nm以下的模具產(chǎn)品[1]。

（二）細(xì)胞皿超聲振動(dòng)微注射模設(shè)計(jì)與制造

以高分子微成型模具設(shè)計(jì)和制造技術(shù)為基礎(chǔ)的細(xì)胞皿微型產(chǎn)品在生物工程研究應(yīng)用領(lǐng)域中得到了廣泛的應(yīng)用，其結(jié)構(gòu)尺寸較小，單位為微米級(jí)，整體呈方盒狀結(jié)構(gòu)，箱內(nèi)分布著許多方形微槽，在微槽的底部，分布著微圓柱形通孔。根據(jù)細(xì)胞皿自身性能的需要，要求自身熔融結(jié)晶應(yīng)保持均勻分布，以提高其力學(xué)性能，而熔融結(jié)晶的分布溫度直接決定熔融結(jié)晶的分布溫度，因此要求熔融結(jié)晶具有良好的均勻度。所以在變模溫系統(tǒng)的溫度調(diào)節(jié)上，可采用油、水、電相結(jié)合的方式，在靠近型腔兩側(cè)對(duì)稱的地方，設(shè)置一個(gè)加熱棒，在微型腔的四周，做熱油道的設(shè)置，熱油道與加熱棒之間，進(jìn)行冷卻水道的設(shè)置，此設(shè)置方式的基本工作原理為：在細(xì)胞皿注射成型前，在熱油的影響下，促使模具溫度保持恒定，模具的溫度即為脫模溫度，然后用電熱棒，通過(guò)加熱處理，待溫度升到設(shè)定值后，就會(huì)觸發(fā)溫度傳感器，由溫度傳感器切斷電源，再進(jìn)行熔料注射，注射完成后，需要熔料冷卻，應(yīng)保持油溫不變，斷開電熱棒的電源，打開冷卻裝置，模具迅速冷卻[2]。

在連續(xù)成型過(guò)程中，需要結(jié)合脫模實(shí)際，靈活地調(diào)節(jié)加熱和冷卻開關(guān)，才能實(shí)現(xiàn)對(duì)模具快速加熱和冷卻的控制，適用于微注射成型。若存在抽真空現(xiàn)象，將對(duì)產(chǎn)品的整體成型質(zhì)量產(chǎn)生很大影響，如果在熔體進(jìn)入型腔之前沒(méi)有排除氣體，將對(duì)產(chǎn)品的質(zhì)量產(chǎn)生嚴(yán)重威脅。為了避免這個(gè)問(wèn)題，應(yīng)該立足于細(xì)胞皿模具型腔的兩邊，通過(guò)排氣孔設(shè)置，并與真空泵連接，在熔體充填之前，可以將型腔抽入真空。同時(shí)，通過(guò)采用耐高溫硅膠封口，將超聲波振子分型面等部位封口，使之具有良好的真空度。相反。因微制品尺寸小，整體強(qiáng)度較弱，在制品冷卻后，由于型芯間有較強(qiáng)的包緊力，如果直接將制品推出制品中，極易損壞制品。為此，可以在澆口的兩側(cè)，采用推桿的對(duì)稱布置，利用推桿推動(dòng)流道凝結(jié)料，可以使產(chǎn)品順利地從模具中帶出，完成脫模。模腔內(nèi)超聲外場(chǎng)施加方式比較豐富，一種是圍繞鑲塊，做好超聲振動(dòng)施加，另一種是直接立足于流道內(nèi)熔體之上，進(jìn)行超聲振動(dòng)施加，在選擇振動(dòng)方向時(shí)，可采用垂直方向。為了保證超聲波振子具有良好的安裝和使用效果，應(yīng)選擇第二種方法。采用凸緣法蘭在動(dòng)模板下固定超聲波振子，可在法蘭盤上設(shè)置推桿孔，以避免模具開閉過(guò)程中受到干擾。

（三）五腔異徑導(dǎo)管微擠出模具設(shè)計(jì)與制造

五腔異徑導(dǎo)管在醫(yī)學(xué)外科領(lǐng)域應(yīng)用較廣泛，可將各種手術(shù)器械、輔助器具等直接送到病變部位，在輔助外科治療過(guò)程中起著重要作用。在現(xiàn)實(shí)角度來(lái)講，五腔導(dǎo)管具有一定的不均勻特點(diǎn)，而且還需要使用復(fù)雜細(xì)小材料進(jìn)行補(bǔ)償和橫截面攔截，在模具橫截面積逐漸減小的情況下，需要增加零件裝配效率，由此，還可以根據(jù)脹大比和拉伸比，適當(dāng)增大模具成型段的截面尺寸，同時(shí)，一定要重視橫截面積和溶體流量之間的關(guān)系，對(duì)于等效半徑方案需要進(jìn)行合理應(yīng)用，只有這樣才能達(dá)到優(yōu)化成型長(zhǎng)度的目的。由于產(chǎn)品類型較多，只有使用十字結(jié)構(gòu)的模具才能確定形態(tài)。若想預(yù)防出現(xiàn)模具扭曲方面的問(wèn)題，那么可以使用良好的擠壓設(shè)計(jì)方案，對(duì)于設(shè)計(jì)流程和方案需要逐漸進(jìn)行完善，合理減少流動(dòng)平衡段長(zhǎng)度。對(duì)模具中的大多數(shù)零件，可以采用傳統(tǒng)的機(jī)械加工方法進(jìn)行加工，但由于模具芯棒的微細(xì)特征比較明顯，跨度較大，局部尺寸較小，細(xì)小，且形狀比較復(fù)雜，精度要求也很高，所以在此基礎(chǔ)上，可以選擇采用微細(xì)電火花成形電極端面一次性蝕除技術(shù)對(duì)芯段結(jié)構(gòu)進(jìn)行加工。在注氣孔的加工中，采用微細(xì)電火花步進(jìn)式加工工藝，科學(xué)合理地設(shè)計(jì)模具流道結(jié)構(gòu)和成型段截面，成功地設(shè)計(jì)制造了五腔異徑導(dǎo)管微擠出模，有效地提高了模具整體性能。

三、結(jié)論

綜上所述，本文首先對(duì)聚合物微成型制品的類型進(jìn)行了介紹，之后對(duì)聚合物微成型模具設(shè)計(jì)與制造技術(shù)進(jìn)行了深入分析，通過(guò)研究方式得出，由于現(xiàn)代技術(shù)的進(jìn)步，先進(jìn)的機(jī)械設(shè)備層出不窮，對(duì)模具的設(shè)計(jì)制造提出了更高的要求，而聚合物微成型制品的研制和應(yīng)用，為工業(yè)制造產(chǎn)品的開發(fā)提供了物質(zhì)基礎(chǔ)。高分子微成型制品雖然開發(fā)時(shí)間短，設(shè)計(jì)制作方法不夠完善，但在不斷探索過(guò)程中，為其在生物、光學(xué)、通訊等領(lǐng)域提供了大量的小尺寸、高精度的產(chǎn)品，滿足了其生產(chǎn)制造的需要。隨著時(shí)間的推移，科技的發(fā)展，其生產(chǎn)工藝也越來(lái)越完善，以適應(yīng)市場(chǎng)的發(fā)展變化和需求，推動(dòng)著模具設(shè)計(jì)制造行業(yè)的發(fā)展和進(jìn)步。

參考文獻(xiàn)：

[1]徐石交.聚合物微成型模具設(shè)計(jì)及制造技術(shù)分析[J].山東工業(yè)技術(shù)，2019（10）：66.

[2]王敏杰，趙丹陽(yáng)，宋滿倉(cāng)，于同敏.聚合物微成型模具設(shè)計(jì)與制造技術(shù)[J].模具工業(yè)，2017，41（05）：7-16+21.

作者簡(jiǎn)介：

仵向龍（1987-），男，陜西渭南人，本科，工程師，從事（復(fù)合材料）成型模具設(shè)計(jì)研究。