外文翻译--对由微注塑模型的聚合物微结构复制的实施和分析 中文版

外文资料名称： by 文资料出处： F 附 件： 指导教师评语： 签名： 年 月 日 1 对由微注 塑 模型的聚合物微结构复制的实施和分析 苏玉川， 林立伟 宗建海译 摘 要 ： 本文提出一个常规注 塑 模型过程的适应对聚合物微结构的许多复制与适当的模子设计和程序控制 。 使用与在表面被铭刻的微结构的硅片当模子插入物，我们顺利地预言了，改善，并且发生优选复制 。 聚合物融解流程行为在微铸造 中 描绘的是模仿和实验 。 在各种各样的过程参数之中，温度被辨认作为果断地确定射入被铸造的微结构的质量的关键系数 。 基于收集的实验性和模仿结果，工艺过程最佳化执行改进复制质量和建立潜在的应用的指南 。 由于它的高速和低成本，注塑模型过程的适应对 模型将导致 用的有为的技术 。 关键词： 注塑模型；聚合物微结构；微结构；聚合物；过程参数； 用 一、 介绍 由于他们独特的物产，聚合物越来越用于各种各样的应用包括宏指令和微设备 。为了扩展被归档 基于聚合物的设备 ， 介绍聚合物微结构的制造的有效的技术在低成本和与高精度是重要的 。 近年来， 聚合物微结构复制的一定数量的技术提议，包括 程 1， 2那个热的装饰 3或注塑模型 4复制聚合物微结构的用途 。 使用 程提供可能性给制造微结构任意侧向几何和高深度为从各种各样的材料的高长宽比设备例如金属、聚合物和陶瓷由各种各样的造型过程 。 在不同的造型技术之中，注塑模型是最突出一个与低成本和大量生产的高精度的好处 。 通过使用特别注塑模型过程 5常规 入造型技术 13， 14聚合物微结构的复制的成功的结果达到了 。 然而，聚合物融解流程行为在微铸造洞的 不充分地被了解 。 被相信由于大表面对容量比率，表面效应将控制流程行为在微小等级 15。 本文打算调查聚合物融解流程行为在微铸造洞的和确定必要的战略适应聚合物微结构的复制的传统注塑模型过程 。 首先，使用模仿软件 6常规注塑模型过程的直接应用在聚合物微结构的复制的被分析 。 过程参数的不同的组合然后被模仿调查聚合物融解流程行为，过程参数和被铸造的微结构的质量的之间关系 。 使用这些结果，最重大的参量可以被辨认，并且可能的处理策略可以提议和被模仿测试可行性 。 终于，这些战略在模子试验被运用评估他们的有效性 。 2 图 1、 流动在一个稀薄的洞的聚合物融解概要 2、 理论模型 因为多数射入被铸造的聚合物零件使三维 (3D)配置复杂化，并且聚合物融解留变反应通常是非牛顿学说和非等温，分析填装的过程没有简单化，是极端难的 。 沈介绍的广义 伯纳 (动模型 17如图 1 所显示，是为在一个稀薄的洞的非等温，非牛 顿学说和无弹性的流程提供被简化的治理的等式的最共同的略计 。 （ 1） 洞的厚度小于其他维度 。 （ 2） 朝厚度的方向速度组分被忽略，并且压力是仅 x 和 y 的作用 。 （ 3） 流程地区认为惯性和引力小于黏性力的充分发展的 伯纳流程。 （ 4） 流程动力学剪被控制，并且剪黏度被采取是温度和剪率受抚养者。 详细的派生由 沈开发了，并且这些假定很好申请微注坯模型过程。由于这些假定和忽略压缩性在填装的阶段期间 ， 动量等式在解析座标系统减少对 17 (1) 那里 x 的速度组分并且 y 方向，分别 ; P (x， y)是压力， ( ， T)是剪黏度， 是剪率，并且 T 是温度。在当前假定外，给 2/122 (2) 申请润滑略计，厚度平均的连续性等式发生 3 0( (3) 那里 在 z 的平均的速度和 b 是厚度的一半 。 在几衍生物步以后，聚合物融解的流程的治理的等式可以减少到庆 祝的雷诺兹等式 0 (4) 那里 S 是被定义的流程导率 b 2 (5) 速度和剪率可以获得 bz 1 1 z , 2/122 (6) 由于在模子和聚合物融解之间的温度区别和在流程里面的黏热化，填装的过程应该对待非等温案件。 朝流程的方向热量传导被忽略根据假定厚度 2b 小于另外两个维度。能量方程在融解区域成为 222 ) 2 是黏热化期限和 ， k 分别为密度、比热和导热性。 简而言之，假设，速度和温度是相称的在 z 方向，速度在模子表面的聚合物融解是零在填装期间，并且温度模子在 然是。 给边界条件 0 yx 0 0 0 (8) 能被看见 ， 这个模型的等式是非线性和结合 。 分析解决这些等式是难的。 在本文，使 4 用 数字的模仿软件 难题者 基于 在杂种 有限元素或有限差分法 使用解决 型的压力、速度和温度领域。由于这些略计， 型不可能预言确切的流程字段在推进的流程前面附近或在模子的边缘。 这在预言也许导致错误流程行为在微小等级模腔附近 。 三、 设计和生产造型用具 铝模子为复制过程是制作的 。 简图和铝模子的照片，包括洞和核心一半，显示在图 2。 洞一半合并的洞一个模子插入被保留。一 4 英寸使用与大块 机器制造的 微结构的硅片，模子插入物 。 图 2、 注 塑法设定 图 3 显示被铭刻有 110 个 形的洞的洞深度有 320 m 开头微的硅铸造插入 ， 160 m ， 80 m 和 40 m 和通过非均质性的硅蚀刻被铭刻在 四甲基氨盐基氢氧化 )。在造型过程期间，加热器在注塑法被安装控制温度 。 要有更好的导热性和更短的冷却时间，我们使用也是更加容易制造和修改的铝模子。另外，在适当的绝热和一个冷却系统，热扩散引起的尺寸变异的问题可以是受控的，并且铝模子可以使用作为为复制过程的一个更加经济的工具 。 通过使用排斥系统，被铸造的组分可以手动地被去除从模子或。不同于在早先 文学描述的过程，担当模子插入物的硅片在模腔安置。使用作为模子的硅片插入物有短的周转时间的好处。 另外，硅模子插入物的穿戴是小与一个传统镍工具 18比较。然而，硅模子插入物比镍一易碎。在造型过程期间，要避免薄酥饼的破损，硅片边缘应该匹配洞界限。模子插入物和洞之间的一个 5 空白可能允许聚合物融解变硬内，从洞最终将举薄酥饼在薄酥饼的破损的模子开头和结果期间。 图 3、 在硅模子插入物的微结构 图 4、 能选手 221M 350塑模型机器 四、 实验 能选手 221M 350规注塑模型 机器，显示在图 4，与一个唯一洞，冷的赛跑者模子被使用。为模子试验用于的材料是贝尔 205 聚碳酸酯纤维(个人计算机 )热塑性树脂。由于它优秀光学，化工和机械性能，个人计算机可以用于应用例如医疗仪器、生物化学的传感器和数据存储系统。聚合物被注射入模腔以范围从 40 的压力到 50 解温度在哺养的区域被维护在大约 300 C。 模子温度是由 6 加热器控制的并且被维护在温度更低比 200 C。 造型过程的周期是 65 s，并且聚合物融解和模子让为 30 s 变冷 静在填装的阶段以后 。 图 5 显示典型的压力对时间和对应的流速对造型过程的时间关系。对于微造型过程，射入压力、模子温度和射入速度被认可作为驾驶的参量。 被铸造的微结构深度对开头比率被用于测量造型结果的质量 。 一个更高的深度对开头比率意味更好的填装的状态和铸造的质量 。 图 5、 典型的压力对时间和对应的流速对在注塑模型过程期间的时间关系 图 6、 造型 写器发生 (射入压力 45 子温度 25 C) 空隙出现在造型过程 中 扮演主角 。 聚合物的预热在造型过程之前的减少空隙的陷害的机会。 常规通 风口方法是难为微注塑模型使用由于高可能性的不受欢迎结构 在被铸造的组分上的变化。因此 ， 推荐一个撤出的模子得到一个好复制过程。在首先模子试验 ， 普通射入造型参量是使用并且没有另外控制激活了单位。造型结果在表 6 显示。能被看见 ， 造型结果有意味的一个小深度对开头比率聚合物融解不可能填装微铸造洞。在这种情况下，聚合物微结构不可能顺利地被复制 。 在做更多模子试验之前改进造型结果，模仿工具被用于了解聚合物融解流程行为在微铸造洞的可行的修改的能改进造型结果。 7 五、 模 拟 它 是知名的计算机辅助工程 (能改进累试法技术，并且 计算机模型可以被依靠预言流程行为和铸造结果。 理论上， 析提供是有用的在设计零件，模子和铸造过程的洞察。通过使用重复和评估供选择的设计和材料的 析，工程学技术秘诀以设计指南的形式可以是建立的相对地快速的和有效地 。 术 发的件被使用作为数字计算工具。模子填装的过程由 前面的部分塑造塑造描述。数值解根据一个杂种有限元素或有限差分法为压力解决、流程和温度领域和控制体积方法到轨道移动的融解前面。一个有限元素滤网被用于接近与凸面微结构的圆形状基座平板在一个表面，如图 7 所显示。这 个有限要素模型由 6008 个结、 2672 个二维 (第 2 个 )三角元素和 4607 一维 (1D)部分赛跑者元素组成。第 2 个三角元素，忽视剪和冷却从侧面墙，被用于塑造基体板材。 1D 部分赛跑者元素，考虑剪和冷却从所有接触面，被用于塑造在表面的微结构。以下条件在这工作被考虑控制和调查注塑模型过程： *填装的时间或射入压力。为了引起在零件中的一致的分子取向，推荐维护恒定的速度在融解前面 。 然而，仅先进的注塑模型机器有能力正确地达到这必需的速度外形。在 装的时间或射入压力可以被用于控制处理顺序。 *模子温度。被相信表 面效应将控制流程行为在微小等级，并且融解温度是确定可变的物产例如黏度、比热和导热性的钥匙。然而，高温也许导致聚碳酸酯纤维的退化，因此一个被预定义的最大的允许的融解温度用于模仿过程 19。 *基座平板的厚度。基座平板被使用支持微结构，并且基座平板的厚度将影响聚合物融解平衡和被铸造的结果的质量。 由于基座平板的厚度大于微铸造洞的单独开头，犹豫的问题发生，要求仔细的思考控制被铸造的结果的质量。 *对开头比率的深度。微铸造洞的维度确定流程抵抗和热传递作用。在本文，对造型结构的开头比率的深度 (无维 )被用于描述造型过程 的质量。 *辐形地点。一致地引起微结构在基座平板的表面中是中意的。在本文，远离基座平板的中心的辐形地点 ， 是输入的问题的聚合物融解，被用于调查注塑模型过程的均一的质量 。 8 图 7、 限要素模型 辐形地点 (图 8、 铸造质量的模仿结果对有各种各样的洞大小的辐形地点 (模子温度 25 C，填装的时间 1.5 s) 几个模仿结果得到了。与 100 m 开头的方形的空洞 ， 200 m ， 300 m 和 400 m 被用于调查注塑模型过程。 首先， 简单的案件被用于调查使用传统注塑模型技术的可能性制造微结构。在这种情况下没有使用冷却或加热系统，以便模子温度最初合计周围温度 。 这个案件的结果在表 8 显示填装的时光的 1.5 s 是应用的地方。能被看见，被铸造的微结构深度对开头比率是小和不一致的。 被铸造的微结构在中心地区有更大的深度对开头比率，因为地方熔化温度，并且接近聚合物融解入口的压力高于其他区域并且促进聚合物融解的更好的装填。在另一只手上，被预言接近边缘的聚合物微结构也有大深度对开头比率。当聚合物融解前面击中模腔的附上的边缘时，这认为是反压力的结果。如果造型 过程被优选，深度对开头比率应该是 非均质性的 9 蚀刻方法铭刻的洞的。通常 ， 因为它要求较少压力按聚合物融解入这些洞，与大开头的洞有高有效肤深。因为不足的材料被注射了入洞如显示，填装的过程是残缺不全的。残缺不全的装填也许由不足的机器射入压力 (起因于高融解抵抗和一个有限的流程道路 )或聚合物融解的预备的成熟固体化造成。在聚合物融解进入洞由于高表面对容量比率如被观察在第一次模子试验导致短球之后，现象温度在微铸造洞的聚合物融解可能迅速地减少。玻璃转化温度聚碳酸酯纤维约为 145 C 和熔化的温度是 225 C 使用加热器 保留在玻璃转化温度之上的模腔温度可能帮助解决固体化问题。然而，它将增加周期并且减少效率 。 辐形地点 (图 9、 铸造质量的模仿结果对有各种各样的填装的时间的辐形地点 (模子温度 100 C)和与 1.5 s 填装的时间的被测量的结果 10 辐形地点 (图 10、 铸造质量的模仿结果对有各种各样的模子温度的 (填装的时间 1.5 s)辐形地点 其他因素包括填装的时期和基座平板的厚度被调查。图 9 显示在填装的时间之间的模仿结果并且深度 对开头比率。正如所料，更短的填装的时间，意味更大的射入压力和更加快速的射入速度，将引起微结构以更大的深度对开头比率。另一可能的修改是改变基座平板的厚度。如果基座平板的厚度是小的，凭模仿结果，高射入压力需要推挤聚合物融解。 这修改仍然不做完善的复制。改进造型过程的下一个步骤将增加造型温度。当填装的时间被保持恒定在 1.5 s 时，图 10 显示在模子温度和深度对开头比率之间的模仿结果。象能被看见，模子温度增量不巨大增加深度对开头比率，如果模子温度高于玻璃转化温度是低的或。模子温度何时是在 200 C 如模仿结果所显示，聚 合物融解可能完全地填装洞在 1.5 s。理论上，如果模子温度超出聚合物的玻璃转化温度，变硬的层数不会引起，并且聚合物融解可能完全地填装洞，如果适当的射入压力和填装的时间是应用的 。 然而，因为聚合物融解黏度是相对地大，当它的温度上面玻璃转化温度时，必需的射入压力是庞大的或填装的时间是极端长的 。 根据模仿发生，模子温度 30 C 到 40 C 高于玻璃转化温度为复制过程建议使用。并且显示在模仿比那些发生，在造型结果的改善在接近边缘的区域是较少在其他区域。由于黏度重大减退在模子高温，入空洞显著减少驾驶的聚合物融解必需的压力。一 次模子温度超出某一极限，聚合物融解能填装在表面的所有微铸造洞。当温度成为统治因素，反压力的问题变得较不重要 。 被相信温度很远从基座平板的中心将是更低的与中部比较。结果，深度对开头比率变得小如模仿结果所示。当模子温度高于聚合物的玻璃转 11 化温度时，分析被简化通过使用假设的一个等温模型，聚合物融解温度是固定的在模子温度在填装的阶段期间。这个等温假定由一个非等温模型核实，并且模仿结果表示，这两个模型之间的区别是少于 10%在预言深度对开头比率的最坏情况。结果，能量方程可以被省去，并且流程行为可以通过解决二非线性和被结合的 等式得到而不是三。 图 11、 造型 写器发生 (射入压力 45 子温度 100 C) 辐形地点 (图 12、 铸造质量的测量结果对有各种各样的模子温度的 (射入压力 45 形地点 六、 实验结果和讨论 如被谈论以前，温度控制单位发现最有效的在达到好造型结果。 所以，加热器能够维护模子温度在模子插入物的后侧方登上控制模子温度。在加热器被设置在 100C 之后，图 11 显示模子试验的结果 。 能被看见，大微结构 (与开 头大于 100 m) 有意味着的公寓而不是曲面聚合物融解可能流动深入微铸造洞和复制洞的金字塔形形状。在另一只手上，小微结构 (与开头小于 00 m) 有更好的 (但是仍然弯曲 ) 复制结果与 12 早先结果比较。被复制的微结构深度对开头比率被测量使用白色光干涉仪 (T 3300 描出的系统 )，并且结果在表 8， 9 和 12 显示。 比较图 8 和 9 表明一般趋向，有更高的深度对开头比率在中心和边缘附近，由与 20%到 40%过高估计的模仿结果预言大概由于横跨模子的温度变异。 图 12 对辐形地点比较被测量的深度对开头比率在25 C 和 100 C 和核实提高造成的作用模子温度，当模仿结果建议。 如预言由模仿发生，聚合物融解不可能完全地填装微铸造洞。基于图 10，模子温度高于 200 C 应该完全复制的。然而，在这次原型示范，使用的热化小条无法维护这样高温。所以，其中一种未来工作是有达到一个更加老练的取暖设备和模子的设计优化铸造的结果的一个更高的模子温度。 在另一只手上，高模子温度也将增加必需的冷却阶段。一个冷却系统可能有效地减少整体温度和减少冷却时间。 另一个问题是在被铸造的聚合物结构困住的气泡。在模子装填期间，在常规造型过程中，通风孔槽孔促进空气的逃命在模子 的。 然而，这些槽孔是接近微结构的大小，因此他们将由适应的微造型过程和失败填装放气被困住的空气。所以，经常被建议应该为微注塑模型过程修建搬空系统。 七、 结论 聚合物微结构的复制的一个常规注塑模型技术被调查。根据模仿和实验性结果，与一个具体程序控制的战略的一个常规注塑模型过程在微结构的制造可以被申请。由于洞的大表面对容量比率，在它到达洞的入口之后，聚合物融解的温度迅速地减少。如果模子温度低于转变温度聚合物，界限固体化将防止融解流动入洞。 这种现象造成在初步造型结果的低深度对开头比率。首先，在填装的阶段期间，模子温 度高于转变温度一定依然是聚合物减少黏度。在这种情况下，变硬的层数不会引起，并且更久的填装的时间和更低的射入压力可以被使用减少剩余应力。其次，真空在微铸造洞更喜欢避免可能的气阱。 另外，必须根据模子设计适当地也控制参量例如射入速度，射入压力，举行压力，冷却时间和融解温度，完成最佳性能。