加工型腔结构对微注塑成型脱模力的影响外文翻译资料

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加工型腔结构对微注塑成型脱模力的影响

Marco Sorgatolowast;, Davide Masato, Giovanni Lucchetta

意大利威尼斯帕多瓦大学工业工程系

摘要：微注射成型过程中脱模阶段产生的摩擦力主要由模具表面光洁度决定，影响着发生在聚合物-刀具界面的摩擦现象。本文研究了用两种不同加工工艺(即微铣削和微电火花加工)加工型腔表面，在保证相似Ra值的前提下对顶出力的影响。然后分析不同表面形貌参数与顶出力之间的关系，以确定最适合描述工件-模具界面处摩擦的参数。实验结果表明，模具表面织构与模具温度、保压压力等微观注塑工艺参数之间存在较强的交互作用，有利于复制。不同的加工工艺产生的两种模具纹理具有相似的Ra值，但它们对摩擦的影响只能用其他几个表面形貌参数来适当描述。

关键词：模具结构 地形参数 微注射成型 弹射力

1. 介绍

在微注射成型（mu;IM）中，复杂部件(例如微流体装置)的几何和尺寸精度可被在脱模阶段期间产生的摩擦力严重损害[ 1 ]，所产生的应力可引起零件及其特征的变形甚至断裂[ 2 ]。

微注射成型应用的工具通常是通过微铣削（mu;M）和微电火花加工（mu;EDM）加工而成的，它们都产生了独特的模具形貌[ 3,4 ]。通过微铣削产生的间歇性毛刺和通过电火花加工产生各向同性的坑形成不同的型腔表面纹理，这些纹理可以不同的影响喷出周期[ 5]。据布里斯科表示，聚合物与模具表面之间的摩擦功在两个区域耗散：一个是界面区，另一个是暗区[ 6 ]。由于前面发生的不影响后面发生的现象，总摩擦力是由两个非相互作用的成分引起的，分别与粘着和变形有关：

F = F_adhesion F_deformation

粘附力是一种表面效应，它发生在不超过分子尺寸的深度。它可以被描述为以下几种机制的组合：化学粘附，静电粘附和毛细吸引[ 7 ]。变形项是由模具表面和成型件之间的机械联锁程度控制的整体效应。复制过程后，当部分被排出，它必须变形足够（模具钢具有更高的刚度）使脱模发生。有两种不同类型的变形摩擦机制：犁削和滞后[ 8 ]。犁削与由太粗糙引起的亚表面层的塑性变形有关。另一方面滞后是由聚合物的弹性或粘弹性特性引起的，它的发生是由于喷出的聚合物粗糙模具表面的凹痕会后续恢复。文献报道的研究表明，在注塑成型中，部分模具界面的摩擦力取决于聚合物类型[ 9 ]，模具材料或表面涂层[ 10 ]，工艺参数[ 11 ]和腔表面光洁度[ 12 ]。特别地，Sasaki等人将空腔表面粗糙度与不同聚合物的弹射力相关联[13]。以PP为例，当Ra从0.689 m降低到0.212 m时，弹射力下降了约50%（从约400 N到约200 N），而核心粗糙度（即变形力）的刮擦作用被认为是弹射力下降的主要原因。然后，在最小值（即100 N为0.212mu; m）之后，弹射力在Ra的较低值(即小于0.026mu;m)处开始迅速增加，达到最大值约1500 N。同样，PET(弹射力范围:400 - 1100 N)和PMMA(弹射力范围:600-1100 N)的表面粗糙度的最优值，对应最小的弹射力(即PET 300和PMMA 400)。Correia等人在钢工具和PP板之间用EDM (0.039mu;m lt; Ra lt; 1.952mu;m)进行脱机摩擦学测试 [14]。结果表明，摩擦系数的最小值为Ra值为0.5mu;m左右。Majewski等人也使用了相同的参数，相比于不同表面光洁度对脱模力的影响，冷锻直接金属激光烧结工具(0.1mu;m lt; Ra lt; 17.8mu; m) 可用传统的加工工艺如车削(0.5mu;m lt; Ra lt; 4.2mu;m)和电火花加工(1.7mu;m lt; Ra lt; 5.2mu;m).获得。

通过控制模具表面光洁度来优化脱模阶段是注塑工艺优化的一个关键环节，特别是在界面相互联系更紧密的微观尺度 [ 15 ] 以及产生表面涂膜的加工技术[16]。RA在模具表面质量的确定和控制方面的应用得到了文献的广泛应用，并与工业实践相一致，它是主要且通常唯一使用的粗糙度参数[ 17 ]。尽管现有的参数的范围很广，但塑料工业协会也在美国建立了塑料行业的抛光标准，仅根据Ra值指定了模具表面光洁度要求[ 18 ]。然而，当考虑到不同的技术可用于微模具制造，RA可能被证明太笼统而不能描述揭示了顶出摩擦的现象的复杂性。此外，以前的研究已经调查了不同粗糙度值的模具形貌特点对弹射阶段的影响，但它们是用同样的切削技术加工的，因此它们具有相同的“过程足迹”。如Parenti等人所描述的，表面足迹被定义为在产生的表面上加工过程留下的技术特征，它可以影响其功能[16]。特别地，在微注射成型中，模具表面光洁度与脱模性之间的关系是复杂的，并且仅考虑Ra不能适当地控制的。实际上，该参数表示轮廓上粗糙度幅度的平均估值。然而，尽管该参数代表随机表面粗糙度，但该参数并不提供关于所考虑轮廓的形状、不规则性和空间分布的任何信息。为了最准确地确定不同生成的模具外形与顶出力相关联的参数，在本工作中，分别通过微铣削和微电火花加工生成具有相似Ra值的两个型腔表面。除了Ra外，还考虑了多种形貌参数，对两腔表面的织构进行了全面表征。然后将表面特性与它们对顶出摩擦的影响相关联，作为脱模力的实验值来评价。通过改变主要工艺参数，进行了注射成型实验活动，以研究不同腔结构与注射成型工艺条件之间可能的相互作用。

图1.研究部分的设计。所有尺寸均以毫米表示。

1. 方法学
   1. 零件设计

本研究中考虑的部分是直径为18 mm和厚度为2mm的圆盘(图1 )。六个直径为400 m且无拔模的通孔位于具有3.5 mm侧边的中心正六边形的顶点处。该特定设计展示了多层微流体装置的典型几何形状和特征，且其允许隔离模芯外形对脱模力的影响[ 24 ]。

• 1. 模具加工

采用微铣削(mu;M-Kugler，microster 5X )和微电火花加工(mu;EDM -Sarix，SX - 200 )分别实现了两组不同的型芯。每组包括由mu;M或mu;EDM机加工的六个模芯。通过初步试验优化了两种工艺的切削策略，得到了两组型芯的相似Ra值。使用切削直径为0.7 mm ( Dcap )的牛鼻工具( Kyocera，1625 )进行微铣削操作。切削速度( VC )设定为60.5 m / min，每齿进给( FZ )为0.01 mm。采用轴向切削深度( AP )为0.07 mm的恒定降压方法来加工型芯。对于EDM工艺采用相同的加工策略，使用直径为300 m且增量深度固定为恒定值0.8mu;m的碳化钨电极。表1报告了用于mu;EDM工艺的工艺参数。电极磨损用线性方法补偿，即在工件沿着刀具路径行进一定距离之后将其供给到工件中。

表1

电火花加工中采用的工艺参数

图2.(a) 扫描区域的示意图；(b) 微电火花和微机械加工表面的形貌。

• 1. 型芯特性

用三维光学剖面仪( Sensofar，Plu Neox )以20X物镜在共焦模式下对加工后的型芯表面纹理进行了表征。如图2 ( a )所示，为了评价加工表面的纹理，考虑在圆周方向上均匀分布在侧表面上的4个投影面积1.5 mmtimes;85.5mu; m，获得每个芯的形貌。

沿着喷射方向为每个获取区域提取三个粗糙度轮廓( 1.2 mm长) (图2 ( b ) )，并且使用多项式拟合去除形状误差。然后，对于每个轮廓，应用0.8 mm高斯滤波器和0.08 mm高斯滤波器对电火花加工的型芯进行粗糙度参数评估，其中0.08 mm高斯滤波器对mu;M加工的型芯进行粗糙度参数评估。根据周期轮廓(mu;M )和非周期轮廓(mu;EDM )标准的不同指示，为两种加工技术选择了不同的高斯滤波器。分析所考虑的粗糙度轮廓是从每个采集中的相同位置获得的。为了将型芯结构对顶出力的影响与其他可能的几何差异隔离开来，还使用计量X射线计算机断层摄影( CT )系统( Nikon metromics，MCT 225 )对机加工型芯进行了分析。通过在3D体积数据集上拟合最小二乘圆柱体来评估岩心的直径和几何误差[ 22]。测量结果表明，芯的平均直径为401.5 mu;m (标称直径: 400 mu;m )，标准偏差为3mu;m。此外，与圆柱形的平均偏差约为10mu;m，标准偏差为2mu;m。

• 1. 制造装置

具有47克/ 10分钟( 200 )熔体流动指数( MFI )的商业环状烯烃共聚物( COC - TOPAS，0511 - 10 )℃/ 5千克ASTM D1238 )，玻璃化转变温度( Tg )为137℃用于在最先进的IM机器(巴顿菲尔，微功率15 )上进行实验。选择具有高生物相容性和透明性的聚合物是因为其广泛用于制造生物医学产品(例如微流控芯片上实验室装置)。利用标准的Hasco K模块系统实现了为实验设计的模具组件。如图3所示，将不同的模芯安装在模具的移动半部上。为了保证模具温度的稳定，模具加热系统采用了四个电子模块，每个模块两个，两个热电偶。利用直径为2mm的三个顶杆实现了凝固件与工具的分离，顶杆的中心均匀分布在直径为15.5 mm的圆周上。

图3. 模具型腔和可互换嵌件的设计。

图4.移动模具组件的一半，推出设置的细节和力传感器的位置。

• 1. 脱模力在线监测。

如图4所示，使用放置在顶出销后面的Kistler 9223A压电力传感器进行脱模阶段的监测。喷射机构的设计和传感器的位置允许获取由所有喷射器施加的总力。弹射力信号是使用电荷放大器( Kistler，类型3011 a )转换的，使用国家仪器NI 9205模块和NI cDAQ - 9172数据采集单元采集。为了避免任何数据丢失并适当地监测力信号，以60 kHz的采样率采集10个样本，这对应于大约0.02 ms的采样间隔。

• 1. 试验设计

采用二级四因素实验设计( DoE )方案，通过改变主要工艺参数，研究了不同芯材织构与IM工艺条件之间可能存在的相互作用。基于来自先前研究的知识选择三个IM参数[ 23]:模具温度( Tm )、注射速度( Vinj )和保持压力( Ph )。事实上，这些是决定聚合物复制模具结构能力的主要因素。还考虑到加工技术作为因素，设计了全析因方案(表2 )。在DoE中引入“加工工艺”定性因素，可以统计分析型芯形貌对脱模力的影响，从而隐含地将该DoE定性因素与除Ra之外的某些特定粗糙度参数相关联。

脱模信号(图5 )的特征在于在行程的开始处力的快速增长直到其达到峰值，峰值表示克服初始静摩擦所需的力。DoE计划的响应变量是脱模峰值力信号( Fpeak )，因为它是在脱模阶段对模制部件施加应力的最大载荷。

通过对夹紧和喷射单元进行几次干燥循环，初步验证了喷射系统的稳定性。喷射器循环100次(喷射器行程: 3 mm；脱模速度: 10 mm / s )，允许评估脱模力获取设置的功能性和鲁棒性。循环在120℃的模具温度下进行。这是在以下IM实验中设置的最大值。获得的干循环信号表明，脱模力在约50个循环后达到稳定值。此外，在mu;M和mu;EDM加工的两组型芯上，干脱模力峰值的稳定值约为10N (标准差为0.2N)。因此，在与不同加工的芯组进行比较时，忽略了干燥力。

为了保证注射过程和在线监测系统的稳定性，在进行DoE实验的同时，在第一次注射力获取之前进行了10个成型循环。然后，对于实验计划的每次运行收集5次采集，每5个循环收集1次。通过将排出器参数(即行程和速度)保持在为夹紧和排出单元的干循环设置的相同值来执行模制实验。因此，记录的喷射力脉冲的持续时间约为0.3s。

表2为微注射成型实验设计的实验设计方案。

图5. 获取的喷射力信号的演变。

表3. 加工型芯轮廓粗糙度参数的平均值和标准偏差，根据[ 20，21 ]进行评估。这些值是在72个轮廓上计算的: 3个轮廓面积、4个每个芯面积和6个每个腔芯面积。

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