外文翻譯--模具設計技術的發(fā)展和微成型工藝的研究 中文版

1、<p>　　模具設計技術的發(fā)展和微成型工藝的研究</p><p><b>　　張建紅 陳歌 謝宏</b></p><p><b>　　袁超譯</b></p><p>　　摘要：微系統(tǒng)技術是跨學科的工程科學。那個微成型活動包括全系列的聚合物成型從產品設計到模具設計和制造和應用創(chuàng)新的注射技術。該成型機，對于模具，材料

2、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，新的模具設計的概念和方法，有必要通過改進以滿足新機器的需求。</p><p>　　關鍵詞：微系統(tǒng)技術；微注射成型工藝</p><p><b>　　1.背景</b></p><p>　　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

3、求。微成型技術，因此可以在不同的學科完全開放新的可能性的許多應用程序。能夠生產可以接受的計量準確度和均勻性非常好的塑料熔體是一個關鍵挑戰(zhàn)中的微成型工藝。在傳統(tǒng)的往復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，它幾乎可以生產零件重量小于0.1克的零件。因為有限制，以減少螺釘尺寸由于螺桿強度和塑料顆粒喂養(yǎng)的考慮，并也因為可能融化回流通中遇到的螺絲渠道當噴油壓力非常高使用。此外，在微型元件成型采用傳統(tǒng)的

4、注塑成型機器，周期通常較長超過必要的時間，因為澆道大小并不總是成正比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有所必需的微成型技術。</p><p>　　為了控制計量的準確性和同質性的極少量熔體微成型， 新一代的機器使用單獨的螺絲單位和一個柱塞噴射系統(tǒng) [ 2 .3 ] ，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，然后進入劑量桶。當熔體中的配料桶達到設定

5、點，將轉入注射桶，該注射液，利用預期要求微注射注塑機，然后注入柱塞熔體到模具腔。這些機器建設者已制定新的制度旨在始終，準確， 快速成型制造零件， 重量不到0.1克[ 4 ] 。隨著期望迅速增長的應用微型注塑零件，機器制造商預測， 市場對微型注塑機將已增加一倍，未來幾年，由于需求的增長，微型傳感器汽車將得到廣泛應用。</p><p>　　微系統(tǒng)技術是跨學科的工程科學。那個微成型活動包括全系列的聚合物成型從產品設計到

6、模具設計和制造和應用創(chuàng)新的注射技術。該成型機，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，新的模具設計的概念和方法，有必要通過改進以滿足新機器的需求。</p><p><b>　　2 目的</b></p><p>　　這個項目的目標是開發(fā)模具設計技術新一代微注射注塑機，并研究成型行為高分子材料微成型系統(tǒng)。</p>&l

7、t;p><b>　　3 方法</b></p><p>　　3.1 微型零件設計</p><p>　　模具設計，研究了兩個微組成部分。一個組成部分是透鏡陣列19 “微型”鏡頭表面設計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12x3x2毫米。這種類型的透鏡陣列是廣泛應用于光學行業(yè)。那個高分子材料選擇這部分聚碳酸酯（ PC ） ，以利用優(yōu)勢，其光學

8、性能，力學性能和工藝性能。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0.55毫米和齒輪壓力角為200 。聚合物材料用于齒輪是聚甲醛。</p><p><b>　　3.2微型模具設計</b></p><p>　　微型模具設計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的設備，包括許多部分需要高品質的鋼材。是否

9、微型元件才能成功壓模，在很大程度上依賴設計和制造的注塑模具。</p><p><b>　　3.2.1模具結構</b></p><p>　　注射噴嘴微注射注塑機通常以這樣一種方式設計，他們能夠快速達到模腔。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。當使用微型模具設計等注塑成型機，模具設計人員必須牢記這一點，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

10、具。 </p><p>　　三板模具設計如 圖4所示，已被用于微型部分研究在這方面的工作。二三板微型模具設計及金屬制品業(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。</p><p>　　由于結構的特點透鏡陣列的設計是不同的透鏡陣列。而對于齒輪模，澆注點設計在另一端的軸。</p><p>　　3.2.2噴嘴

11、聯(lián)系和澆口彈射</p><p>　　在傳統(tǒng)注塑成型機，噴油嘴可以移動前進，并在接觸模具澆道下套管液壓壓力在熔體注射過程中， 指導聚合物熔體熔在模具型腔里。 噴嘴可作為防漏設備，從而提供了熔體通道的最低壓力和散熱損失[ 6 ] 。對于微型成型機械設計與噴嘴如圖1所示 ，噴嘴的位置是固定的一次裝在機器，根據注塑模機械鎖模力噴嘴被迫接觸機器。</p><p>　　兩個模具用于研究，錐面上設計固定

12、板與圓錐噴油嘴表面，因為從圖5可以看出這個數(shù)字，在這個設計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程中形成一個薄盤形澆口。</p><p>　　由于錐面上的固定板模具是擴展到邊緣板，反向圓錐角將形成磁盤形狀澆口。 由于扭轉角的澆口，澆口將被保存在固定板一側時，模具打開，從而打破了部分的臨界線。</p><p>　　3.3流變性能研究和模具澆注系統(tǒng)設計&l

13、t;/p><p>　　微小型成型工藝和微型大小澆口都需要因為這一進程的目標分裂成微觀組成部分。在流經澆口系統(tǒng)聚合物熔體受非常高的剪切速率。雖然處理條件對功能和長壽的最后部分如此嚴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計影響。</p><p>　　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算公式：γw = 32Q/πd3 (1) 體積流率（百萬立方米/秒

14、），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： γw = 8V D2/d3（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)。</p><p>　　圖6中提出的估計剪切澆口利率通過計算系統(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

15、常敏感。對于尺寸用于模具在這方面的工作， 0.3毫米和0.6毫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。</p><p>　　流變學特性的聚合物樹脂用于這方面的工作進行了研究用毛細管流變儀。粘度曲線的聚碳酸酯（ PC ）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。</p><p>　　可以看出從圖7的粘度強烈影響這一過程

16、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力成型。適當選擇和控制的過程溫度變得非常重要的聚碳酸酯樹脂，因為在低剪切率地區(qū)強烈的粘度而受影響的加工溫度。</p><p>　　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PC樹脂，在熔體注射時短熱流道系統(tǒng)的10毫米被用來降低

17、熔體溫度下降。</p><p>　　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，這樣才能實現(xiàn)，方便微腔填補。一個“微型”梯形熱流道系統(tǒng)以高度為0.5毫米，頂端和底部寬度為0.5和0.8毫米分別被選定,如圖8所示。</p><p>　　3.4成型實驗研究利用實驗設計方法<

18、/p><p>　　微注射成型實驗使用兩個微型工具進行了研究。微注射成型機器使用了登菲爾微系統(tǒng)公司50成型機[ 9 ] 。通過用螺釘預緊，機器采用柱塞5毫米直徑的融化注射劑，以實現(xiàn)精確衡量控制熔體準確性，聚甲醛樹脂的粘度曲線如圖7中提出的，分別是實驗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行了研究，并對澆口體重的變化進行了分析職能的工藝條件。</p><p>　　

19、設計的實驗方法（指定經營實體） 是用來研究如何塑造進程受影響的過程參數(shù)。研究進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數(shù)階乘實驗設計和生成進行微透鏡陣列。那個參數(shù)研究包括計量大小，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)值中使用實驗研究</p><p><b>　　4結果與討論</b></p><p>　　4.1成

20、型工藝和模具組件</p><p>　　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，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計。</p><p>　　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

21、與亞軍重量/重量比部分約1.3 。部分重量型齒輪然而只有8毫克，遠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12.5 。</p><p>　　微型部分成型是轉輪系統(tǒng)的一般功能，尤其是當一個大噴射系統(tǒng)使用。為了微注塑機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，總熔化量注入每個成型周期

22、僅150立方毫米。 這是只有15 ％的注射機能力。雖然可以使用小澆口和比例較低的機器的能力，還有其他考慮，例如熔體停留時間和材料退化。</p><p>　　4.2部分重量和澆口重量</p><p>　　微注射成型工藝采用柱塞噴射系統(tǒng)， 熔體計量設置是一個影響零件質量的關鍵因素 。這是因為在這個過程中聚合物熔體倒流是不可能的，無論是根據或以上的要求，將注入熱流道系統(tǒng)和模具腔。</p&g

23、t;<p>　　圖11中提出的實驗結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，即當超過所需的聚合物熔體供應注塑桶，很容易包到熱流道系統(tǒng)。</p><p>　　4.3工藝參數(shù)的影響零件質量</p><p>

24、;　　為了探討注射液速度快，實驗進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 。</p><p>　　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。</p><p>　　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。論另一方面，澆口重量非常高等這些條件。這是因為熔體在熱流道系統(tǒng)

25、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。</p><p>　　微型齒輪成型，試驗進行了不同計量大小設置的研究計量尺寸和重量上的一部分轉輪重量。圖13中顯示的結果的一部分和澆口測量作為一個功能的計量大小。它可以必須指出，低熔體計量這兩個部分的重量和亞軍線性增加體重的計量大小。但是，在計量規(guī)模達到約210立方毫米， 幾乎沒有增加觀察到齒輪

26、部分體重。另一方面，澆口被發(fā)現(xiàn)體重進一步增加甚至在穩(wěn)態(tài)部分重實現(xiàn)。這是因為任何回流聚合物熔體是不可能的柱塞噴射過程。一旦型腔充滿，任何進一步的計量增加將造成更大的澆口。理想計量大小，因此應提供足夠的聚合物熔體填補腔。</p><p><b>　　5結論</b></p><p>　　微成型過程中，為不同的產品設計和聚合物材料，不同的模具系統(tǒng)可用于更好地融化流和空腔填補。

27、材料與剪切敏感粘度，一個小熱流道系統(tǒng)可以產生高剪切，以減少熔融粘度，方便微腔填補。溫度敏感材料，短期熱流道系統(tǒng)應使用，以盡量減少熱損失。</p><p>　　微注射系統(tǒng)， 螺絲桶和柱塞噴射系統(tǒng)，模具分型線可設計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。這可能是實現(xiàn)了設計一個磁盤形空間的前端的噴嘴扭轉錐度。前進運動能力

28、的注射柱塞可以用來退出澆口的塑造。 </p><p>　　工藝參數(shù)，具有最顯著的影響，同時轉輪重量和體重的一部分計量大小。影響的澆口體重更為明顯對部分重量，尤其是當超過計量設置使用。 控制體重更是復雜和涉及其他工藝參數(shù)，如注射速度及模具溫度.</p><p><b>　　6工業(yè)意義</b></p><p>　　小型化的趨勢已帶來的需求越來越多小

29、型精密成型塑料組成部分，特別是在醫(yī)療和信息技術。印第安納州為了迎接挑戰(zhàn)走向小型化，新的一代注塑機使用一個單獨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。</p><p>　　微型模具設計與制造是一個挑戰(zhàn)生產微型元件符合嚴格的三維和功能要求。新模具設計概念和方法都必須通過以滿足需求的新機。開發(fā)的技術為微型模具的設計和微成型進程將使成型行業(yè)迅速拿起微成型技術-的關鍵技術為廣泛應用的MEMS器

30、件。</p><p><b>　　參考資料</b></p><p>　　1. Kukla, C., Loibl, H., Detter, H., and</p><p>　　Hannenheim, W., “Micro-Injection</p><p>　　Moulding”, Kunststoffe, Septemb

31、er 1998.</p><p>　　2. M. Ganz, Microsystem – the innovative</p><p>　　solution for microprecision parts, in</p><p>　　Polymer Process Engineering 99 (Editor:</p><p>　　P. D

32、. Coates), IOM Communications Ltd,</p><p>　　UK (1999).</p><p>　　3. Boy begins micro beta tests, Plastics &</p><p>　　Rubber Weekly, May 7 (1999).</p><p>　　4. N. Spar

33、row, “The Microtechnology</p><p>　　Revolution”, European Medical Device</p><p>　　Manufacturer, March/April (1999).</p><p>　　5. J. Zhao, R. H. Mayes, Chen Ge, and Chan</p><

34、;p>　　Poh Sing, “Micro Injection Moulding</p><p>　　Process”, Proceedings of the 18th Annual</p><p>　　Conference of the Polymer Processing</p><p>　　Society, June, 2002.</p>

35、<p>　　6. Donald V. Rosato, and Dominick V.</p><p>　　Rosato, “Injection Molding Handbook (2nd</p><p>　　Edition)”, Kluwer Academic Publishers,</p><p>　　USA, 1999.</p><

36、p>　　7. M. T. Martyn, B. Whiteside, P. D. Coates,</p><p>　　P. S. Allan, and P. Hornsby, Studies of the</p><p>　　Process – Property Interaction of the</p><p>　　Micromoulding Proces

37、s”, Proceedings of</p><p>　　the 18th Annual Conference of the Polymer</p><p>　　Processing Society, June, 2002.</p><p>　　8. F. N. Cogswell, “Polymer Melt Rheology”,</p><p&

38、gt;　　Woodhead Publishing Ltd., Cambridge,</p><p><b>　　1994.</b></p><p>　　9. Battenfeld GmbH, Microsystem 50</p><p>　　Operating Manual, Kottingbrunn, Austria,</p>

39、<p><b>　　(2000).</b></p><p>　　10. L. Weber and W. Ehrfeld, “Micro-Moulding</p><p>　　– Process, Moulds, Applications”,</p><p>　　Kunststoffe 88 pp. 1791-1802 (1988).&

40、lt;/p><p>　　11. J. Zhao, G. Chen, H. Xie, and P. S. Chan,</p><p>　　“Effects of process parameters on micro</p><p>　　molding process”, Polymer Engineering &</p><p>　　Sc