塑件矩形微沟槽的超声辅助注塑成型质量研究

摘要

随着微机电系统技术的快速发展，微注塑制件凭借生产周期短、性能优良、成本低等优点广泛地应用于生物医学、环境工程、检测技术等领域。在微注塑成型中，聚合物熔体在型腔微结构处的流动性差，导致成型制件的矩形微沟槽复制精度不高，产生较大开口圆角，影响制件的成型质量。本文以微流控芯片的矩形微沟槽为研究对象，将超声引入微注塑成型，探究超声对矩形微沟槽成型质量的影响。 首先，根据制件的平板状结构，设计了型腔两侧分别为镍板微凸起结构和超声工具头的超声辅助注塑成型模具。根据变幅杆的半波谐振长度，考察单一形状与复合形状的变幅杆在本模具中使用的合理性；通过模态分析，确定变幅杆和工具头的相近固有频率，将其作为超声系统的工作频率；分别对压电陶瓷和变幅杆进行自振分析、谐振分析，得到压电陶瓷的振幅以及变幅杆的放大倍数，从而求得超声系统的理论频率和振幅；对超声系统进行受力分析；使用该超声系统参数，进行了PMMA熔体的空化数值模拟。 其次，设计了5因素（注射速度、注射压力、熔体温度、超声功率和超声时间）和3水平的注塑成型正交实验。根据实验结果，分析了注塑成型参数与超声参数对制件微沟槽复制度的影响，得出最佳成型参数组合。在此基础上，设计了单因素实验，研究超声功率与制件不同方向、不同位置的微沟槽成型质量之间的关系。 最后，对超声辅助注塑成型模具进行改进，设计了反射式观察的可视化模具结构。模具型腔两侧分别为可视化窗口和采用电火花加工、具有微凸起结构的超声工具头。对可视化窗口中的石英玻璃进行了受力分析。根据注塑机的操作空间，搭建了包括同轴照明长距离显微镜和高速摄像机的观测平台。根据可视化实验，分析了在超声作用下聚合物熔体在含有纵向和横向两种微结构的型腔中的充填情况，验证了充填未完成区域的宽度为制件微沟槽的开口宽度，并绘制了充填过程中制件微沟槽开口宽度随时间的变化曲线，分析了制件微沟槽的动态成型过程。

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摘 要

Abstract

1 绪论

1.1 课题的研究背景与意义

1.2 国内外研究概况

1.2.1 微流控芯片和微注塑成型的研究概况

1.2.2 超声波辅助微注塑成型的研究概况

1.2.3 可视化技术在注塑成型中的研究概况

1.3 课题研究内容

2 超声辅助注塑成型模具设计

2.1 注塑成型模具设计

2.1.1 模具型腔设计

2.1.2 模具整体结构

2.2 超声系统设计

2.2.1 超声系统的振动模式和作用方向

2.2.2 超声振子设计

2.2.3 超声系统的有限元分析

2.2.4 超声系统测试

2.3 超声空化分析

2.4 本章小结

3 模具微结构与超声系统位于型腔两侧的注塑成型实验

3.1 注塑成型实验条件

3.1.1 注塑材料

3.1.2 实验设备

3.2 基于Moldflow的模流分析

3.3 注塑成型实验

3.3.1 正交实验

3.3.2 单因素实验

3.4 本章小结

4 超声辅助注塑成型可视化实验

4.1 可视化系统设计

4.1.1 可视化实验设备

4.1.2 可视化结构设计

4.1.3 型腔微结构镶块设计

4.1.4 可视化结构受力分析

4.1.5 可视化平台设计

4.2 可视化实验

4.2.1 参数选择

4.2.2 可视化充填过程

4.2.3 充填过程的动态分析

4.3 型腔微结构位于超声工具头表面的注塑成型实验

4.4 本章小结

结 论

参 考 文 献

攻读硕士学位期间申请专利情况

致 谢

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