超声辅助注塑微结构方向调控与工艺优化

Directional Control of Microstructures and Process Optimization of Ultrasonic-assisted Injection Molding

摘要

针对微注塑成型中微结构复现性差的问题，提出基于超声振动辅助微注塑成型中微结构的调控策略，通过振子与型腔一体化集成实现超声能量向模腔微区的定向富集。基于聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）材料开展多参数实验，探究超声功率、注射压力及速度对纵横微沟槽成型的影响。结果表明：无超声时，纵向微沟槽开口宽度（166~213 μm）优于横向（170~267 μm）；施加超声后，横向微沟槽开口宽度显著降低（最低为167 μm），但纵向宽度增大（最高为224 μm）。注射压力提升至85 MPa可抑制超声对纵向结构的负面影响，最佳工艺组合（超声功率350 W、注射速度102 cm³/s、注射压力85 MPa）的纵、横微沟槽开口宽度分别为172 μm与168 μm。机理分析表明，超声振动通过降低熔体黏度与调控分子链取向改善横向填充，但加剧纵向熔体滞留。研究为微结构注塑工艺优化提供了实验依据。

Abstract

To address the issue of poor microstructural replicability in micro-injection molding, the study proposes a regulation strategy for microstructures based on ultrasonic vibration-assisted technology. By integrating the ultrasonic vibrator with the mold cavity, ultrasonic energy is directionally concentrated into micro-cavity regions. Multi-parameter experiments were conducted using polymethyl methacrylate (PMMA) to investigate the effects of ultrasonic power, injection pressure, and injection speed on the formation of longitudinal and transverse microgrooves. The results demonstrate that: Without ultrasonic vibration, the opening width of longitudinal microgrooves (166~213 μm) is superior to that of transverse microgrooves (170~267 μm). Under ultrasonic vibration, the opening width of transverse microgrooves is significantly reduced (minimum 167 μm), while the longitudinal width increases (maximum 224 μm). Increasing injection pressure to 85 MPa effectively mitigates the adverse effects of ultrasound on longitudinal structures. Under the optimal parameter combination (350 W of ultrasonic power, 102 cm³/s of injection speed, and 85 MPa of injection pressure), the opening widths of longitudinal and transverse microgrooves stabilize at 172 μm and 168 μm, respectively. Mechanistic analysis reveals that ultrasonic vibration enhances transverse filling by reducing melt viscosity and regulating molecular chain orientation, but exacerbates longitudinal melt retention. The research provides experimental validation for optimizing microstructural injection molding processes.

Graphical abstract

关键词

注塑成型 / 超声振动 / 微注塑成型 / 微结构

Key words

Injection molding / Ultrasonic vibration / Micro injection molding / Micro-structure

随着微机电系统技术(MEMS)的快速进步，集成微型结构的精密制件已在光学器件、生物医学及微型机械系统等领域实现规模化应用^[1-3]。采用注塑成型技术制备微结构塑件时，注塑制品的成型质量在很大程度上取决于模具型腔微结构的设计与注塑工艺参数(模具温度、聚合物熔体温度、注射速度、注射压力、保压压力等)^[4-9]。微注塑成型工艺中，型腔内的微尺度结构易导致聚合物熔体流动受限，致使制品微特征复刻性下降，最终降低整体成型品质。研究证实，适度提高加工温度可有效降低熔体黏度，进而增强其微填充性能，当型腔温度接近聚合物的玻璃化温度时，能够显著提高制件的微结构复制精度^[10-11]，但会导致注塑制品冷却缓慢，从而延长成型周期，并且容易使注塑制品的宏观表面产生缩痕，影响外观^[12]。在微注塑成型过程中，引入超声振动可以促进高分子的运动，提高聚合物熔体温度，从而降低聚合物熔体黏度，提高聚合物熔体的流动性^[13-15]。超声参数的选择，则需要根据具体的成型条件而定。SATO等^[16]用聚苯乙烯(PS)材料进行光栅制件的超声辅助注塑成型实验，超声振动频率为19 kHz，最大功率为1 200 W，最大振幅为11 μm，对注射阶段施加超声振动，发现制件的微结构复制率随着超声振动时间的增加而提高。魏灵娇^[17]测量了低密度聚乙烯(LDPE)在超声功率为300、500、800 W时的黏度，发现超声功率越大，聚合物熔体的温度升高越明显。XIE等^[18]利用聚丙烯(PP)材料研究超声施加时间与超声功率(400、600、800 W)对高模温(150 ℃)注塑时熔接痕强度的影响。结果表明：对整个注塑过程施加超声时，熔接痕强度的提升幅度会比充模保压阶段（从开始注料到保压结束）施加超声效果更为显著，并且超声功率为400 W时熔接痕强度提高的幅度最大。在超声波辅助微注塑的研究中，超声振动的施加位置多种多样。具体而言，超声振动可作用于塑化单元^[19-21]，也可应用于模具的流道，或者模具型腔中微结构镶块的侧面^[22]和对面^[23]。此外，通过将超声振子与微结构镶块进行螺纹连接、焊接或黏接，还可以将超声振动直接施加于模具型腔的微结构镶块。

受限于注塑模具的空间约束，超声振子的输出功率及振幅需适配有限安装条件。为实现振动能量对塑件微成型的定向强化，本研究基于电火花加工技术，创新设计了钛合金变幅杆端面微凸起拓扑构型，并将其集成于模具型腔作为振动功能单元。在超声场作用下，聚合物熔体呈现双重响应机制：(1)高频振动促使大分子链解缠结，降低局部剪切阻抗。(2)空化-热效应耦合实现机械能向熔体内能转化，抑制近壁区熔体冷却速率。上述综合耦合机制能够有效维持近模壁熔体的低黏度流动态，显著提升微腔填充完整性。

1 注塑成型实验

1.1 制件及材料

注塑成型材料选择聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)。PMMA由于透光性好，适宜用于成型光学制件。本实验选用锦西化工研究院有限公司的牌号为YB-M-6的PMMA。图1为超声振子在型腔中的位置。从图1可以看出，超声振子设于型腔的中心，超声振子的端面加工有平行于进料方向的纵向微结构以及垂直于进料方向的横向微结构。注塑制品的尺寸为长46 mm、宽46 mm、厚2 mm。超声振子的端面(直径20 mm)与型腔的底面平齐。

1.2 实验模具及成型工艺

图2为超声波辅助微注塑成型模具的结构。从图2可以看出，型腔的微结构位于超声振子的上表面，超声振子与动模镶块组成动模一侧的型腔。

超声振子的材料为钛合金。采用电火花方法加工超声振子的上表面微结构，图3为超声振子表面的微凸起。得到的微凸起的横截面尺寸为高度100 μm、顶部宽度125 μm、根部宽度(包括根部圆角)156 μm。

由于PMMA材料的吸湿性较大，因此在注塑成型前需对其进行烘干处理。PMMA的干燥温度为85 ℃，干燥时间为4 h。固定的工艺参数为：PMMA熔体温度240 ℃，模具温度55 ℃，超声施加时间(从注塑机喷嘴射料开始)4 s；变化的工艺参数为：注射压力分别为55、85 MPa，注射速度分别为56、78、102 cm³/s，超声功率分别为350、650、1 000 W。1 000 W。

1.3 测量仪器与方法

在注塑实验的工艺参数每次发生改变时，将前5个塑件舍弃，待注塑机工作稳定后，再取5个塑件作为实验样件，对这5个塑件的微沟槽开口宽度取平均值。对不同注塑工艺参数得到的塑件进行切片，采用万能工具显微镜进行观察并拍摄塑件的微沟槽的横截面照片，图4为塑件切片的微沟槽检测图像。实验发现，型腔微结构凸起的根部难以完全充填，导致塑件微沟槽的开口处的圆角大于型腔微结构凸起的根部圆角，也就是塑件微沟槽的开口宽度大于型腔微结构凸起的根部宽度，并且塑件微沟槽的开口宽度随工艺参数的变化较大；塑件微沟槽的深度和沟槽底部宽度的成型质量则比较稳定，受各工艺参数的影响不大。因此着重讨论工艺参数对塑件微沟槽开口宽度的影响。

2 结果与讨论

2.1 超声振动对纵向微沟槽开口宽度的影响

表1和表2分别为注射压力55 MPa和85 MPa时塑件的纵向微沟槽的开口宽度平均值随注射速度与超声功率的变化情况。从表1可以看出，无超声且注射压力较低(55 MPa)时，纵向微沟槽的开口宽度随注射速度的提高而增大，即微结构的复制度下降，成型质量变差，说明聚合物熔体充模速度的增加只是促使聚合物熔体快速地沿着惯性的运动方向向前铺展，快速地略过了对型腔纵向微结构的充填。当聚合物熔体到达流动路径的末端、完成对型腔宏观区域的充填以后，型腔压力虽升至峰值，但仍不足以驱使因温度下降而黏度激增的聚合物熔体进入型腔微结构处的空间。此外，随着超声功率的增加，纵向微沟槽的开口宽度的变化总体上为增大趋势，说明超声的引入对纵向微沟槽的成型质量有不利影响。这是因为高分子的取向通常与聚合物熔体的流动方向一致，纵向微沟槽的高分子取向为沿着长度方向、与微沟槽的横截面垂直，所以垂直于型腔中面的超声振动无法改变纵向微沟槽的高分子取向状态，而且会将沿微沟槽长度方向排列聚集的高分子长链推离型腔的纵向微凸起，使得成型制品的纵向微沟槽的开口宽度增大。施加超声时，当注射压力为85 MPa、注射速度为102 cm³/s、超声功率为350 W时，成型效果较为理想，所得到的纵向微沟槽开口宽度平均值为172 μm。这表明提高注射压力可以使纵向微沟槽的开口宽度明显减小，增加注射压力对微结构充填的促进作用占据了主导地位，超过了注射速度提高对型腔纵向微结构充填的不利影响。

2.2 超声振动对横向微沟槽开口宽度的影响

表3和表4分别为注射压力分别为55 MPa和85 MPa时塑件的横向微沟槽(型腔结构与充模流动方向垂直)的开口宽度随注射速度与超声功率的变化情况。从表3和表4可以看出，无超声时，横向微沟槽的成型质量低于纵向微沟槽，而提高注射速度能够减小横向微沟槽的开口宽度，因为横向微沟槽的两侧成型不是同时进行的。聚合物熔体是先对型腔横向微凸起靠近浇口的一侧进行充填，聚合物熔体越过型腔的横向微凸起以后，并未立即对型腔横向微凸起远离浇口的另一侧进行充填，而是沿着原来的流动方向前进，在完成对型腔宏观结构的充填、进入保压阶段时，聚合物熔体才在骤然升高的型腔压力作用下对型腔横向微凸起远离浇口的那一侧继续进行充填，注射速度的提高促进了聚合物熔体在尚有流动能力的状态下返回充填型腔横向微凸起远离浇口的那一侧的根部。提高注射压力能够使横向微沟槽的开口宽度得到明显减小，并且注射压力的提高使得注射速度对横向微沟槽开口宽度的影响变得微弱，再次证明增加注射压力对微结构充填的促进作用占据了主导地位。此外，超声的引入对塑件横向微沟槽的成型质量有显著的改善作用，这可能是因为超声振动改变了塑件横向微沟槽的高分子取向状态。垂直于型腔中面的超声振动使原本沿着聚合物熔体的流动方向取向的高分子链变得弯曲、贴合型腔横向微凸起的轮廓，从而改善了塑件横向微沟槽的成型质量。施加超声时，在超声功率650 W、注射速度102 cm³/s、注射压力85 MPa的条件下，成型效果最好，所得到的横向微沟槽的开口宽度为167 μm，小于此时的纵向微沟槽开口宽度(180 μm)。

3 结论

通过超声振子与型腔一体化模具创新设计，实现了振动能量向模腔微结构区的精准调控。多工况对比实验表明：无超声作用时，熔体流动各向异性导致纵向微沟槽成型质量优于横向结构，提高注射压力至85 MPa可使两类结构开口宽度降幅达15%~28%；垂直型腔中面的超声振动显著改善横向微沟槽成型质量，但导致纵向结构开口宽度增大(最高224 μm)，主因熔体滞留效应与分子链取向干扰；工艺协同优化表明，350 W超声功率联合高速注射(102 cm³/s)与高压保压(85 MPa)可实现纵横微沟槽开口宽度同步收敛至172 μm与168 μm，满足精密注塑需求。未来，需要结合微观表征手段(如X射线衍射、分子动力学模拟)进一步揭示超声振动对熔体界面行为的调控机制，并拓展至多材料体系验证工艺普适性。

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基金资助

国家自然科学基金(52075076)