聚合物微成型模具設計及制造技術分析

摘要：隨著機械設備向高精尖方向發展，對模具的制造提出了更高的要求。該零件具有表面光滑、結構多樣、內部構造精細、體積小等特點，并有完善的設計體系指導。基于高分子微成型模具設計與制造技術的發展，促進了精密零件批量生產，降低了生產成本，滿足了醫療、衛生、生物、光學等行業對精密零件的高要求，從而促進了我國精密制造行業的發展。本文首先對聚合物微成型制品的類型進行了介紹，之后對聚合物微成型模具設計與制造技術進行了深入分析。

關鍵詞：聚合物微成型模具;技術分析;相關設計

引言

伴隨著現代化工業和制造業的發展，對模具的需求也在不斷增加。為適應模具設計制造的需要，聚合物微成型材料以其密度小、比剛度高、生物相容性好等優點，逐漸成為模具制造中的首選材料，在材料的推動下，其應用前景十分廣闊。此外，由于材料與技術的發展，模具設計與制造已邁向新的高度，針對聚合物熔體跨尺度流動的理論及加工方法尚不完善，對聚合物微制品的成型質量產生了一定的限制。所以，探討和分析聚合物微成型模式的設計和制造工藝，對提高微成型制品的質量具有重要意義。

一、聚合物微成型制品的類型

目前，聚合物微成型技術主要是為廣大工業制造企業和產品設備加工企業提供低成本、高精度、大批量生產的微制品成型技術。聚合物微成型技術主要包括注射成型、微熱壓成型、微擠出成型三種工藝，所生產的微產品主要有以下三種類型：一是生產體積小、質量好的模具產品，通常工業成品的體積小于1mm，主要應用于微型機械制造系統，如微齒輪、透鏡及微螺栓螺母等;二是生產的成品尺寸在1厘米以內，且成品表面具有細微的特征，如生物醫學領域和光學領域使用的介入導管、微光柵等產品;三是所生產的產品沒有明確的尺寸規格和特征要求，但局部要求尺寸精確到微米，例如高精度方面出現非球面鏡片。

二、聚合物微成型模具設計與制造技術分析

（一）微注射成型模具的設計與制造技術

微量注塑模具對精度的要求非常高，其設計質量直接影響到后期產品的質量和成本，其關鍵技術有以下三種：一是變溫模具設計，采用變溫模具設計，可有效避免因模具溫度過高而造成模具內部變形;二是采用真空排氣系統設計，排除動、定模間殘留大量空氣，使模具處于封閉狀態;三是采用脫模機構設計，脫模是模具制造的重要環節，模具成型質量與脫模工藝密切相關。在此階段，主要采用間接脫模，通過流道和澆口進行脫模，有效地保證了模具表面的平滑度。對微注射成型模具的制造，采用了以下三種工藝方法：（1）微機械加工技術，它不僅能加工多種材料，而且還能在10微米至10 mm范圍內切割各種形狀和特征的模芯：（2）采用微細電化學、電火花等加 L技術加工精度在100 nm以下的模具產品，甚至是可加工幾十微米大小的醫療器械產品;（3）采用 LIGA加工技術加工精度在10 nm以下的模具產品[1]。

（二）細胞皿超聲振動微注射模設計與制造

以高分子微成型模具設計和制造技術為基礎的細胞皿微型產品在生物工程研究應用領域中得到了廣泛的應用，其結構尺寸較小，單位為微米級，整體呈方盒狀結構，箱內分布著許多方形微槽，在微槽的底部，分布著微圓柱形通孔。根據細胞皿自身性能的需要，要求自身熔融結晶應保持均勻分布，以提高其力學性能，而熔融結晶的分布溫度直接決定熔融結晶的分布溫度，因此要求熔融結晶具有良好的均勻度。所以在變模溫系統的溫度調節上，可采用油、水、電相結合的方式，在靠近型腔兩側對稱的地方，設置一個加熱棒，在微型腔的四周，做熱油道的設置，熱油道與加熱棒之間，進行冷卻水道的設置，此設置方式的基本工作原理為：在細胞皿注射成型前，在熱油的影響下，促使模具溫度保持恒定，模具的溫度即為脫模溫度，然后用電熱棒，通過加熱處理，待溫度升到設定值后，就會觸發溫度傳感器，由溫度傳感器切斷電源，再進行熔料注射，注射完成后，需要熔料冷卻，應保持油溫不變，斷開電熱棒的電源，打開冷卻裝置，模具迅速冷卻[2]。

在連續成型過程中，需要結合脫模實際，靈活地調節加熱和冷卻開關，才能實現對模具快速加熱和冷卻的控制，適用于微注射成型。若存在抽真空現象，將對產品的整體成型質量產生很大影響，如果在熔體進入型腔之前沒有排除氣體，將對產品的質量產生嚴重威脅。為了避免這個問題，應該立足于細胞皿模具型腔的兩邊，通過排氣孔設置，并與真空泵連接，在熔體充填之前，可以將型腔抽入真空。同時，通過采用耐高溫硅膠封口，將超聲波振子分型面等部位封口，使之具有良好的真空度。相反。因微制品尺寸小，整體強度較弱，在制品冷卻后，由于型芯間有較強的包緊力，如果直接將制品推出制品中，極易損壞制品。為此，可以在澆口的兩側，采用推桿的對稱布置，利用推桿推動流道凝結料，可以使產品順利地從模具中帶出，完成脫模。模腔內超聲外場施加方式比較豐富，一種是圍繞鑲塊，做好超聲振動施加，另一種是直接立足于流道內熔體之上，進行超聲振動施加，在選擇振動方向時，可采用垂直方向。為了保證超聲波振子具有良好的安裝和使用效果，應選擇第二種方法。采用凸緣法蘭在動模板下固定超聲波振子，可在法蘭盤上設置推桿孔，以避免模具開閉過程中受到干擾。

（三）五腔異徑導管微擠出模具設計與制造

五腔異徑導管在醫學外科領域應用較廣泛，可將各種手術器械、輔助器具等直接送到病變部位，在輔助外科治療過程中起著重要作用。在現實角度來講，五腔導管具有一定的不均勻特點，而且還需要使用復雜細小材料進行補償和橫截面攔截，在模具橫截面積逐漸減小的情況下，需要增加零件裝配效率，由此，還可以根據脹大比和拉伸比，適當增大模具成型段的截面尺寸，同時，一定要重視橫截面積和溶體流量之間的關系，對于等效半徑方案需要進行合理應用，只有這樣才能達到優化成型長度的目的。由于產品類型較多，只有使用十字結構的模具才能確定形態。若想預防出現模具扭曲方面的問題，那么可以使用良好的擠壓設計方案，對于設計流程和方案需要逐漸進行完善，合理減少流動平衡段長度。對模具中的大多數零件，可以采用傳統的機械加工方法進行加工，但由于模具芯棒的微細特征比較明顯，跨度較大，局部尺寸較小，細小，且形狀比較復雜，精度要求也很高，所以在此基礎上，可以選擇采用微細電火花成形電極端面一次性蝕除技術對芯段結構進行加工。在注氣孔的加工中，采用微細電火花步進式加工工藝，科學合理地設計模具流道結構和成型段截面，成功地設計制造了五腔異徑導管微擠出模，有效地提高了模具整體性能。

三、結論

綜上所述，本文首先對聚合物微成型制品的類型進行了介紹，之后對聚合物微成型模具設計與制造技術進行了深入分析，通過研究方式得出，由于現代技術的進步，先進的機械設備層出不窮，對模具的設計制造提出了更高的要求，而聚合物微成型制品的研制和應用，為工業制造產品的開發提供了物質基礎。高分子微成型制品雖然開發時間短，設計制作方法不夠完善，但在不斷探索過程中，為其在生物、光學、通訊等領域提供了大量的小尺寸、高精度的產品，滿足了其生產制造的需要。隨著時間的推移，科技的發展，其生產工藝也越來越完善，以適應市場的發展變化和需求，推動著模具設計制造行業的發展和進步。

參考文獻：

[1]徐石交.聚合物微成型模具設計及制造技術分析[J].山東工業技術，2019（10）：66.

[2]王敏杰，趙丹陽，宋滿倉，于同敏.聚合物微成型模具設計與制造技術[J].模具工業，2017，41（05）：7-16+21.

作者簡介：

仵向龍（1987-），男，陜西渭南人，本科，工程師，從事（復合材料）成型模具設計研究。