一种基于型腔气压动态控制的微注塑成型装置及方法

摘要

本发明公开了一种基于型腔气压动态控制的微注塑成型装置及方法,装置包括基于型腔气压动态控制的微注塑成型装置，它包括动模和静模，在所述的动模的中间设置有动模镶块，在所述的静模的中间设置有静模镶块，在静模镶块以及动模镶块上分别开有模仁腔，在静模镶块的所述的模仁腔内设置有静模模仁，在模仁中开有模芯内气腔，模芯内气腔和动模内气腔相连通，所述的动模内气腔的动模气腔口和静模内气腔的静模气腔口分别通过安装有电磁阀的管路与气泵相连，所述的气泵与安装动模和静模用的注塑机的控制系统相连。本结构和方法促进了聚合物熔体的填充质量并促进了脱模效果。

说明书

技术领域

本发明涉及一种聚合物微注塑的装置及方法，尤其涉及可用于高深宽比聚合物材料微结构器件的微注塑成型加工装置及方法。

背景技术

随着微纳米技术的发展，微型元件被广泛应用于生物医疗、电子通信、航空航天等领域。目前，加工微型元件的方法多种多样，但大部分的微细加工方式仍存在很多缺陷，如加工工艺复杂、难以重复批量生产、效率低、成本高等，严重限制了微纳米技术的发展。

为了解决现有微细加工方式的不足，微注塑成型技术应运而生。微注塑成型技术作为一种能够进行重复批量生产，可成形复杂而又有精密微细结构塑件的制造技术，因其制造成本低、生产周期短、重复性好及工艺简单等优点而得到人们的广泛应用。但是，现阶段的微注塑成型技术并不成熟，传统常规注塑理论及工艺不再适用于微注塑成型。传统注塑成型技术的等温充模条件不适用于微注塑成型：随着模腔的减小，聚合物熔体的表面积与体积比快速增加，而其携带热量相对减少，熔体温度迅速降低，导致模具微型腔内聚合物熔体粘度迅速增加，降低了聚合物熔体的流动性能，影响了充模质量；同时，熔体与模腔接触时生成的冷凝层也会进一步阻碍充模。尤其在注塑高深宽比塑件的情况下，微型腔带来的影响尤为严重，高深宽比结构型腔容易造成结构性排气困难，在型腔中易产生困气，阻碍聚合物熔体在型腔中的进一步流动，型腔中压力增大，导致充模不满，影响了制品的形状复制精度。而且，对于高深宽比的塑件来说，在经过注射、保压、冷却阶段后进入脱模阶段时，由于高深宽比塑件具有较大的表面积体积比，脱模时更容易产生较大的摩擦力，因此高深宽比的塑件脱模更 加困难；同时高深宽比成型塑件具有“细而长”的特征，塑件的抗拉强度相对较弱，在脱模时容易发生塑件被拉断情况，不仅破坏了塑件完整性，断裂的塑件堵塞模芯型腔，严重时甚至破坏整个模芯。

目前，各国的研究者和从业人员开展了大量理论研究和工艺尝试，从注塑工艺和注塑方法两方面着手提高高深宽比微结构塑件的注塑成型质量，在注塑工艺方面，提出了通过提高模具温度、聚合物熔体温度、射出速度和射出压力等工艺参数的方法改善充模质量；在注塑方法方面提出了加热辅助、热流道、超声辅助微注塑成型方法等，这些努力在一定程度上改善了高深宽比注塑成型的充模质量，但是为了达到效果都对注塑设备提出了特殊要求，实现难度或者成本较大，而且都没有从根本上解决型腔困气对充模过程的影响，更没有涉及到对塑件脱模质量的改善。

发明内容

本发明的目的在于克服已有技术的缺点，提供一种能够提高了充模质量以及生产效率的基于型腔气压动态控制的微注塑成型装置及方法。

本发明是通过以下技术方案实现的：

本发明的基于型腔气压动态控制的微注塑成型装置，它包括动模和静模，所述的动模和静模闭合时，动模内壁面和静模内壁面相互接触形成分型面，所述的动模与静模的中轴位置相同，在所述的动模的中间设置有动模镶块，在所述的静模的中间设置有静模镶块，在所述的静模的四角处分别开有一个导向柱孔，在所述的动模的内壁面的四角处分别设置有能够一一插入导向柱孔的导向柱，在所述的静模的中间位置开有浇口套，在所述的动模的中间位置开有拉料杆孔，在所述的拉料杆孔内插有拉料杆，在所述的浇口套的出口左右两侧的静模镶块的内壁面上沿静模镶块的横向分别开有静模流道，在所述的动模镶块的拉料杆孔左右两侧的动模镶块的内壁面上沿动模镶块横向分别开有动模流道，在浇口套左右两侧的静模镶块上沿垂直于静模镶块的纵向以及在拉料杆孔左右两侧的动模镶块上沿垂直于动模镶块的纵向分 别开有模仁腔，在静模镶块的所述的模仁腔内设置有静模模仁，在动模镶块的所述的模仁腔内设置有动模模仁，在每一个模仁的内壁面中间开有微结构型腔，动模和静模闭合时，静模流道和动模流道相对设置并且位于静模镶块以及动模镶块同侧的微结构型腔在闭合时相对设置形成模具型腔，在所述的模仁中开有模芯内气腔，所述的模芯内气腔一端通过开在模仁内的流道与微结构型腔连通，设置在动模内的所述的模芯内气腔的另一端和开在动模内的动模内气腔相连通，设置在静模内的所述的模芯内气腔的另一端和开在静模内的静模内气腔相连通，所述的静模流道的一端与浇口套的出口连通并且另一端与静模模仁的微结构型腔相连通，所述的动模流道的一端与浇口套的出口连通并且另一端与动模模仁的微结构型腔相连通，所述的动模内气腔的动模气腔口和静模内气腔的静模气腔口分别通过安装有电磁阀的管路与气泵相连，所述的气泵与安装动模和静模用的注塑机的控制系统相连。

一种基于型腔气压动态控制的微注塑成型方法，它包括以下步骤:

(1)将动模、静模分别固定在注塑机的动模板和注塑机的静模板上；

(2)利用注塑机的模厚调整功能，调整动模和静模至正确的合模位置；

(3)动模和静模合模后，控制注塑机的喷嘴对准静模上的浇口套；

(4)同步启动注塑机的射出装置、静模气泵和动模气泵，将熔融聚合物熔体通过浇口套，经由静模流道和动模流道射入到由静模模仁的微结构型腔和动模模仁的微结构型腔组成的模具型腔中；同时静模气泵和动模气泵按照设定好的压力对模具型腔内进行抽气，在模具型腔内形成负压，然后保压；

(5)保压结束后，关闭静模气泵和动模气泵，冷却模具型腔中的熔融聚合物熔体；

(6)完成冷却后，启动静模气泵和动模气泵，向模具型腔内充气，使模具型腔内压力转为正压，对微结构注塑件端部形成推挤作用，注塑机进入开模阶段，由拉料杆和注塑机的顶出机构将制成塑件取下，制品完成。

本发明的有益效果具体有以下几个方面：

本发明的突出优点是：本发明通过设计的基于型腔气压动态控制的微注塑方法，在高深 宽比微结构注塑过程中的不同阶段根据注塑工艺需求分别对型腔内的压力进行调节：在射出成型阶段通过气泵的抽气动作使高深宽比型腔内形成负压，形成内外更大的压力差，促进聚合物熔体向高深宽比型腔内部的充分流动，提高聚合物熔体的充模效果；而在保压、冷却后的脱模阶段通过气泵的充气动作使高深宽比型腔内形成正压，在已经成型的高深宽比微结构塑件端面形成推挤力，配合注塑机的拉伸脱模力完成脱模，避免注塑机脱模时需要很大脱模拉力，从而破坏高深宽比塑件和模具的现象(塑件拉断、型腔堵塞等)，特别是对强度较弱的聚合物微结构塑件生产具有极好的效果。

附图说明

图1是本发明的基于型腔气压动态控制的微注塑成型装置在注塑机上的安装示意图；

图2是图1所示的本发明装置中的静模立体结构示意图；

图3是图1所示的本发明装置中的动模立体结构示意图；

图4是图1所示的本发明装置中静模和动模合模后的剖面示意图；

图5-1是图1所示的本发明装置中的模仁立体图；

图5-2是图5-1所示的模仁的剖面示意图。

具体实施方式

下面结合附图，对本发明的具体实施方式进行详细说明。

如附图所示的本发明的基于型腔气压动态控制的微注塑成型装置，它包括动模8和静模10，所述的动模8和静模10闭合时，动模8内壁面和静模10内壁面相互接触形成分型面30，所述的动模8与静模10的中轴位置相同，在所述的动模8的中间设置有动模镶块29，在所述的静模10的中间设置有静模镶块22，在所述的静模10的四角处分别开有一个导向柱孔17，在所述的动模8的内壁面的四角处分别设置有能够一一插入导向柱孔17的导向柱9，在所述的静模10的中间位置开有浇口套19，在所述的动模8的中间位置开有拉料杆孔，在所述的 拉料杆孔内插有拉料杆27，在所述的浇口套19的出口左右两侧的静模镶块22的内壁面上沿静模镶块22的横向分别开有静模流道20，在所述的动模镶块29的拉料杆孔左右两侧的动模镶块29的内壁面上沿动模镶块29横向分别开有动模流道28，在浇口套19左右两侧的静模镶块22上沿垂直于静模镶块22的纵向以及在拉料杆孔左右两侧的动模镶块29上沿垂直于动模镶块29的纵向分别开有模仁腔，在静模镶块22的所述的模仁腔内设置有静模模仁21，在动模镶块29的所述的模仁腔内设置有动模模仁26，在每一个模仁的内壁面中间开有微结构型腔34，动模8和静模10闭合时，静模流道20和动模流道28相对设置并且位于静模镶块22以及动模镶块29同侧的微结构型腔34在闭合时相对设置形成模具型腔，在所述的模仁中开有模芯内气腔33，所述的模芯内气腔33一端通过开在模仁内的流道与微结构型腔34连通，设置在动模8内的所述的模芯内气腔33的另一端和开在动模8内的动模内气腔32相连通，设置在静模10内的所述的模芯内气腔33的另一端和开在静模10内的静模内气腔31相连通，所述的静模流道20的一端与浇口套的出口连通并且另一端与静模模仁21的微结构型腔34相连通，所述的动模流道28的一端与浇口套的出口连通并且另一端与动模模仁的微结构型腔34相连通，所述的动模内气腔32的动模气腔口和静模内气腔31的静模气腔口分别通过安装有电磁阀的管路与气泵相连，所述的气泵与安装动模和静模用的注塑机的控制系统相连。如图2和3所示，所述的静模内气腔31通过安装在静模气腔口18的第一电磁阀11和静模气泵2连接在一起，所述的动模内气腔32通过安装在动模气腔口25的第二电磁阀7和动模气泵3连接在一起。

使用时可以通过标准螺栓或者夹紧机构将动模8、静模10分别通过与动模8固定相连的动模压板23以及与静模固定相连的静模压板16固定在注塑机的动模板5和静模板12上，通过注塑机1的动作完成整个高深宽比微结构聚合物器件的微注塑成型加工。注塑机1通过驱动注塑机的动模板5，在导向柱9和导向柱孔17的导向作用下，使动模8和静模10完成合模，并可以由注塑机1的锁紧装置4施加锁紧力，实现锁紧。合模后装置如图4所示。在注塑机1的射出装置14的驱动下通过喷嘴15，熔融聚合物熔体从浇口套19被射入动模流 道28和静模流道20组成注塑流道中，并在注塑机1的射出装置14施加的正压力以及由动模气泵3、静模气泵2在型腔内形成的负压力作用下，流入型腔。第二电磁阀7、第一电磁阀11为二位四通电磁阀，实现各自管路中的气流方向换向。所述的动模气泵3、静模气泵2和注塑机1的控制系统连接在一起，能够根据注塑机1的注塑阶段，控制动模气泵3、静模气泵2根据不同的注塑阶段对型腔内压力进行调节。

图中13是现有注塑机的料桶,24是挡板,该结构采用已有结构即可。

一种基于型腔气压动态控制的微注塑成型方法，它包括以下步骤:

(1)将动模8、静模10分别固定在注塑机的动模板5和注塑机的静模板12上；

(2)利用注塑机1的模厚调整功能，调整动模8和静模10至正确的合模位置；

(3)动模8和静模10合模后，控制注塑机1的喷嘴15对准静模10上的浇口套19；

(4)同步启动注塑机1的射出装置14、静模气泵2和动模气泵3，将熔融聚合物熔体通过浇口套19，经由静模流道20和动模流道28射入到由静模模仁21的微结构型腔和动模模仁26的微结构型腔组成的模具型腔中；同时静模气泵2和动模气泵3按照设定好的压力对模具型腔内进行抽气，在模具型腔内形成负压，然后保压，保压时间和保压压力通过注塑机1来设定；

(5)保压结束后，关闭静模气泵2和动模气泵3，冷却模具型腔中的熔融聚合物熔体。冷却的时间根据塑件性能及聚合物材料种类通过注塑机1设定。

(6)完成冷却后，启动静模气泵2和动模气泵3，向模具型腔内充气，使模具型腔内压力转为正压，对微结构注塑件端部形成推挤作用，注塑机进入开模阶段，由拉料杆27和注塑机的顶出机构6将制成塑件取下，制品完成。

本方法中静模气泵2和动模气泵3和注塑机形成联动，根据注塑机的不同阶段动作动态控制型腔中压力，在注射成型阶段调节型腔内的压力为负压，促进聚合物熔体的填充质量，在脱模阶段调节型腔内压力为正压，在注塑件端面形成推力，促进脱模效果。

实施例1

使用本发明装置及方法对微针阵列进行注塑成型加工，微针阵列为3x3布局形式，每个微针直径φ0.1mm，长度1mm，具体步骤如下：

(1)将动模8、静模10分别固定在注塑机的动模板5和注塑机的静模板12上；

(2)利用注塑机1的模厚调整功能，调整动模8和静模10至正确的合模位置；

(3)动模8和静模10合模后，控制注塑机1的喷嘴15对准静模10上的浇口套19；

(4)同步启动注塑机1的射出装置14、静模气泵2和动模气泵3，将熔融PMMA熔体通过浇口套19，经由静模流道20和动模流道28射入到由静模模仁21的微结构型腔和动模模仁26的微结构型腔组成的模具型腔中；同时静模气泵2和动模气泵3对模具型腔内进行抽气，在模具型腔内形成负压-86KPa，然后保压10s，保压压力90MPa；

(5)保压结束后，关闭静模气泵2和动模气泵3，冷却模具型腔中的熔融聚合物熔体。冷却15s。

(6)完成冷却后，启动静模气泵2和动模气泵3，向模具型腔内充气，使模具型腔内压力转为正压，对微针阵列注塑件端部形成推挤作用，注塑机进入开模阶段，由拉料杆27和注塑机的顶出机构6将制成塑件取下，制品完成。

采用本发明方法和装置生产的微针阵列的微针长度达到完整设计长度1mm，实现了注塑型腔的全部填满，和传统注塑方法比较，注塑长度提高了16％，并且脱模后在显微镜下观察模具型腔内未发现聚合物残留，注塑件未发现微针断裂现象。