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1、外文资料名称：Implementation and analysis of polymeric microstructure replication by micro injection molding外文资料出处：JOURNAL OF MICROMECHANICS AND MICROENGINEERING 附 件： 1.外文资料翻译译文 2.外文原文 指导教师评语： 签名： 年 月 日对由微注塑模型的聚合物微结构复制的实施和分析苏玉川，Jatan Shah，林立伟宗建海译摘 要：本文提出一个常规注塑模型过程的适应对聚合物微结构的许多复制与适当的模子设计和程序控制。使用与在表面被铭刻的微结构的
2、硅片当模子插入物，我们顺利地预言了，改善，并且发生优选复制。聚合物融解流程行为在微铸造中描绘的是模仿和实验。在各种各样的过程参数之中，温度被辨认作为果断地确定射入被铸造的微结构的质量的关键系数。基于收集的实验性和模仿结果，工艺过程最佳化执行改进复制质量和建立潜在的应用的指南。由于它的高速和低成本，注塑模型过程的适应对模型将导致MEMS应用的有为的技术。关键词：注塑模型；聚合物微结构；微结构；聚合物；过程参数；MEMS应用一、介绍由于他们独特的物产，聚合物越来越用于各种各样的应用包括宏指令和微设备。为了扩展被归档MEMS对基于聚合物的设备，介绍聚合物微结构的制造的有效的技术在低成本和与高精度是重
3、要的。近年来，聚合物微结构复制的一定数量的技术提议，包括LIGA过程1，2那个热的装饰3或注塑模型4复制聚合物微结构的用途。使用X-射线石版印刷制造的模子插入物，LIGA过程提供可能性给制造微结构任意侧向几何和高深度为从各种各样的材料的高长宽比设备例如金属、聚合物和陶瓷由各种各样的造型过程。在不同的造型技术之中，注塑模型是最突出一个与低成本和大量生产的高精度的好处。通过使用特别注塑模型过程5-12和常规CD射入造型技术13，14聚合物微结构的复制的成功的结果达到了。然而，聚合物融解流程行为在微铸造洞的不充分地被了解。被相信由于大表面对容量比率，表面效应将控制流程行为在微小等级15。本文打算调查
4、聚合物融解流程行为在微铸造洞的和确定必要的战略适应聚合物微结构的复制的传统注塑模型过程。首先，使用模仿软件C-MOLD16常规注塑模型过程的直接应用在聚合物微结构的复制的被分析。过程参数的不同的组合然后被模仿调查聚合物融解流程行为，过程参数和被铸造的微结构的质量的之间关系。使用这些结果，最重大的参量可以被辨认，并且可能的处理策略可以提议和被模仿测试可行性。终于，这些战略在模子试验被运用评估他们的有效性。 图1、流动在一个稀薄的洞的聚合物融解概要2、理论模型因为多数射入被铸造的聚合物零件使三维(3D)配置复杂化，并且聚合物融解留变反应通常是非牛顿学说和非等温，分析填装的过程没有简单化，是极端难的
5、。Hieber和沈介绍的广义Hele萧伯纳(GHS)流动模型17如图1所显示，是为在一个稀薄的洞的非等温，非牛顿学说和无弹性的流程提供被简化的治理的等式的最共同的略计。GHS的做法流动模型是（1）洞的厚度小于其他维度。（2）朝厚度的方向速度组分被忽略，并且压力是仅x和y的作用。（3）流程地区认为惯性和引力小于黏性力的充分发展的Hele萧伯纳流程。（4）流程动力学剪被控制，并且剪黏度被采取是温度和剪率受抚养者。详细的派生由Hieber和沈开发了，并且这些假定很好申请微注坯模型过程。由于这些假定和忽略压缩性在填装的阶段期间，动量等式在解析座标系统减少对17 (1)那里 Vx和 Vy在x的速度组分并
6、且y方向，分别; P (x， y)是压力， (， T)是剪黏度， 是剪率，并且T是温度。在当前假定外，给 (2)申请润滑略计，厚度平均的连续性等式发生 (3)那里vx和vy是在z的平均的速度和b是厚度的一半。在几衍生物步以后，聚合物融解的流程的治理的等式可以减少到庆祝的雷诺兹等式 (4)那里S是被定义的流程导率 (5)速度和剪率可以获得 (6)由于在模子和聚合物融解之间的温度区别和在流程里面的黏热化，填装的过程应该对待非等温案件。朝流程的方向热量传导被忽略根据假定厚度2b小于另外两个维度。能量方程在融解区域成为 (7)是黏热化期限和，cp和k分别为密度、比热和导热性。简而言之，假设，速度和温度
7、是相称的在z方向，速度在模子表面的聚合物融解是零在填装期间，并且温度模子在Tw依然是。给边界条件 (8)能被看见，这个模型的等式是非线性和结合。分析解决这些等式是难的。在本文，使用数字的模仿软件C-MOLD 解难题者 基于 在杂种 有限元素或有限差分法 使用解决GHS模型的压力、速度和温度领域。由于这些略计， GHS模型不可能预言确切的流程字段在推进的流程前面附近或在模子的边缘。 这在预言也许导致错误流程行为在微小等级模腔附近。三、设计和生产造型用具 铝模子为复制过程是制作的。简图和铝模子的照片，包括洞和核心一半，显示在图 2。洞一半合并的洞一个模子插入被保留。一4英寸使用与大块机器制造的微结
8、构的硅片，模子插入物。 图2、注塑法设定图3显示被铭刻有110个m.The方形的洞的洞深度有320 m开头微的硅铸造插入，160 m，80 m和40 m和通过非均质性的硅蚀刻被铭刻在TMAH (四甲基氨盐基氢氧化)。在造型过程期间，加热器在注塑法被安装控制温度。要有更好的导热性和更短的冷却时间，我们使用也是更加容易制造和修改的铝模子。另外，在适当的绝热和一个冷却系统，热扩散引起的尺寸变异的问题可以是受控的，并且铝模子可以使用作为为复制过程的一个更加经济的工具。通过使用排斥系统，被铸造的组分可以手动地被去除从模子或。不同于在早先文学描述的过程，担当模子插入物的硅片在模腔安置。使用作为模子的硅片插
9、入物有短的周转时间的好处。另外，硅模子插入物的穿戴是小与一个传统镍工具18比较。然而，硅模子插入物比镍一易碎。在造型过程期间，要避免薄酥饼的破损，硅片边缘应该匹配洞界限。模子插入物和洞之间的一个空白可能允许聚合物融解变硬内，从洞最终将举薄酥饼在薄酥饼的破损的模子开头和结果期间。 图3、在硅模子插入物的微结构 图4、Arburg万能选手221M 350-75注塑模型机器四、实验 Arburg万能选手221M 350-75常规注塑模型 机器，显示在图 4，与一个唯一洞，冷的赛跑者模子被使用。为模子试验用于的材料是贝尔Makrolon 2205聚碳酸酯纤维(个人计算机)热塑性树脂。由于它优秀光学，化
10、工和机械性能，个人计算机可以用于应用例如医疗仪器、生物化学的传感器和数据存储系统。聚合物被注射入模腔以范围从40的压力到50 MPa。融解温度在哺养的区域被维护在大约300C。模子温度是由加热器控制的并且被维护在温度更低比200C。造型过程的周期是65 s，并且聚合物融解和模子让为30 s变冷静在填装的阶段以后。图5显示典型的压力对时间和对应的流速对造型过程的时间关系。对于微造型过程，射入压力、模子温度和射入速度被认可作为驾驶的参量。被铸造的微结构深度对开头比率被用于测量造型结果的质量。一个更高的深度对开头比率意味更好的填装的状态和铸造的质量。 图5、典型的压力对时间和对应的流速对在注塑模型过
11、程期间的时间关系 图6、造型SEM微写器发生(射入压力45 MPa，模子温度25C)空隙出现在造型过程中扮演主角。聚合物的预热在造型过程之前的减少空隙的陷害的机会。常规通风口方法是难为微注塑模型使用由于高可能性的不受欢迎结构 在被铸造的组分上的变化。因此，推荐一个撤出的模子得到一个好复制过程。在首先模子试验，普通射入造型参量是使用并且没有另外控制激活了单位。造型结果在表6显示。能被看见，造型结果有意味的一个小深度对开头比率聚合物融解不可能填装微铸造洞。在这种情况下，聚合物微结构不可能顺利地被复制。在做更多模子试验之前改进造型结果，模仿工具被用于了解聚合物融解流程行为在微铸造洞的可行的修改的能改
12、进造型结果。五、模拟它是知名的计算机辅助工程(CAE)可能改进累试法技术，并且计算机模型可以被依靠预言流程行为和铸造结果。理论上，CAE分析提供是有用的在设计零件，模子和铸造过程的洞察。通过使用重复和评估供选择的设计和材料的CAE分析，工程学技术秘诀以设计指南的形式可以是建立的相对地快速的和有效地。AC技术C-MOLD开发的CAE软件被使用作为数字计算工具。模子填装的过程由GHS在前面的部分塑造塑造描述。数值解根据一个杂种有限元素或有限差分法为压力解决、流程和温度领域和控制体积方法到轨道移动的融解前面。一个有限元素滤网被用于接近与凸面微结构的圆形状基座平板在一个表面，如图7所显示。这个有限要素
13、模型由6008个结、2672个二维(第2个)三角元素和4607一维(1D)部分赛跑者元素组成。第2个三角元素，忽视剪和冷却从侧面墙，被用于塑造基体板材。1D部分赛跑者元素，考虑剪和冷却从所有接触面，被用于塑造在表面的微结构。以下条件在这工作被考虑控制和调查注塑模型过程：*填装的时间或射入压力。为了引起在零件中的一致的分子取向，推荐维护恒定的速度在融解前面。然而，仅先进的注塑模型机器有能力正确地达到这必需的速度外形。在C-MOLD，填装的时间或射入压力可以被用于控制处理顺序。*模子温度。被相信表面效应将控制流程行为在微小等级，并且融解温度是确定可变的物产例如黏度、比热和导热性的钥匙。然而，高温也
14、许导致聚碳酸酯纤维的退化，因此一个被预定义的最大的允许的融解温度用于模仿过程19。*基座平板的厚度。基座平板被使用支持微结构，并且基座平板的厚度将影响聚合物融解平衡和被铸造的结果的质量。由于基座平板的厚度大于微铸造洞的单独开头，犹豫的问题发生，要求仔细的思考控制被铸造的结果的质量。*对开头比率的深度。微铸造洞的维度确定流程抵抗和热传递作用。在本文，对造型结构的开头比率的深度(无维)被用于描述造型过程的质量。*辐形地点。一致地引起微结构在基座平板的表面中是中意的。在本文，远离基座平板的中心的辐形地点，是输入的问题的聚合物融解，被用于调查注塑模型过程的均一的质量。 图7、 C-MOLD有限要素模型 辐形地点(mm)图8、铸造质量的模仿结果对有各种各样的洞大小的辐形地点 (模子温度25C，填装的时间1.5 s) 几个模仿结果得到了。与100 m开头的方形的空洞，200 m，300 m和400 m被用于调查注塑模型过程。首先，简单的案件被用于调查使用传统注塑模型技术的可能性制造微结构。在这种情况下没有使用冷却或加热系统，以便模子温度最初合计周围温度。这个案件的结果
