一种用于注塑成型带微柱三维部件的软模具工艺链

摘要

本文介绍了一种利用增材制造（AM）技术制备具有表面微结构复杂几何形状注塑模具嵌件的工艺方案。

摘要

本文旨在介绍一种采用增材制造（AM）技术的软模具工艺链方法，用于制造具有微表面特征的注塑成型镶件。软模具镶件通过数字光处理（vat光聚合）技术制造，所用光敏聚合物可耐受相对较高的温度。此处制造的零件具有四个夹爪，夹角为60°。微米级柱状结构（直径200 µm，高径比为1）以两列形式分布在表面。采用聚乙烯（PE）对软模具镶件进行注塑成型，以制备最终零件。该方法表明，利用增材制造的镶件，可在复杂几何形状的注塑零件上实现微结构成型。与基于计算机数控（CNC）加工的传统模具工艺相比，该方法显著缩短了加工时间并降低了成本。微特征的尺寸受所采用的增材制造工艺影响。镶件的使用寿命决定了该工艺更适用于试生产阶段。同时，镶件制造的精度也受限于增材制造工艺本身。°微柱（Ø200 µ微柱（Ø200 µm，长径比为1）以两行形式分布在表面。采用聚乙烯（PE）对软模具镶件进行注塑成型，以制备最终零件。该方法证明，通过增材制造的镶件，可在复杂几何结构上获得具有微结构的注塑成型零件，具备可行性。与基于计算机数控（CNC）加工的传统制模工艺相比，该方法显著缩短了加工时间并降低了成本。微结构的尺寸受所采用的增材制造工艺影响。镶件的使用寿命决定了该工艺更适用于试生产。同时，镶件制造的精度也受限于增材制造工艺。

引言

所提出的方法旨在通过软模具工艺制造具有微结构特征的复杂表面， 即， 利用聚合物增材制造技术来生产用于聚合物注塑成型的嵌件。换句话说，通过聚合物嵌件注塑成型具有功能表面的聚合物部件。

表面功能可通过微结构特征实现；例如，Doan 等¹ 和 Luchetta 等² 在细胞生物学领域展示功能性表面，以及胡 等³ 展示了光学元件的一个示例， 等等。 一种被广泛研究的表面微结构——微柱，可有效促进细胞增殖。若微柱以特定方式排布，还可增强增殖组织与表面之间的结合力。^4,5.

聚合物对微结构特征的复制已被广泛研究，多种工艺可实现精确成型⁶。例如，Metwally et al. 报道了在平面表面复制微米及亚微米结构特征时，成型件与模具之间具有很高的保真度⁷。

制造微柱或微结构的方法已有多种，但大多数方法仅适用于平面或具有恒定曲率的表面。例如，Nian et al.⁸ 证明了可通过热压印在曲面上实现微结构。然而，这些方法不适用于大多数实际器件所需的三维复杂曲面。显然，在表面具有微结构的三维型腔的制备对现有技术提出了挑战；同时，若在复杂表面上的高长径比微柱与脱模方向不垂直，则脱模过程可能失败。Bissacco et al.⁹ 采用三维模具嵌件，通过注塑成型复制出亚微米级结构；在他们的研究中，通过铝阳极氧化工艺制备了特定的低长径比亚微米结构，并成功在复杂部件上用聚合物进行了复制。

研究人员已尝试将增材制造技术引入聚合物复制的工艺链中，以实现设计的表面纹理。Lantada 等 描述了一种工艺链，该工艺链从增材制造原型开始，随后采用涂层技术制备用于注塑成型的金属模具嵌件¹⁰。已证明通过增材制造生产的聚合物零件可直接用作模具嵌件^11,12，即本方案中所介绍的软模具工艺。

在我们之前的研究中，我们证明了通过注塑成型可在垂直壁上成功脱模直径为 Ø4 µm、高度为 2 µm 的 PEEK 柱状结构¹³。在本方案中，所研究的产品是一个带有四个齿状结构的环，每个齿状结构的角度均为 60°。Zhang et al.¹⁴ 曾对该产品进行过研究，其中通过引入预制的镍板来形成微结构，并在齿状结构上采用硅橡胶注塑成型获得了直径为 Ø4 µm、高径比为 0.5 的微柱结构。

在本方法中，可通过基于软模具的工艺链在复杂表面上获得微细特征。钢制模具型腔被一组基于光固化 vat 聚合的增材制造（AM）技术制成的嵌件所取代。与金属增材制造相比，基于光聚合的增材制造技术能够实现更高的精度¹⁵。此外，与基于数控加工的传统制模工艺相比，该方法显著缩短了加工时间并降低了成本。根据最近的一项案例研究¹⁶，在热成型中采用软模具可使成本降低 91%，耗时减少 93%。该工艺适用于需要高设计灵活性和中等生产批量的产品。已有研究证明，由碳纤维增强光敏树脂制成的嵌件在聚乙烯注塑成型中可承受多达 2500 次循环，之后才出现明显的模具劣化¹⁷。注塑材料的选择受限于所选嵌件光敏树脂的热性能；高熔点聚合物可能无法在光敏树脂型腔中使用。本研究中选用聚乙烯（PE）进行注塑成型测试。

方案

1. 通过增材制造（AM）制备插入件

1. 使用计算机辅助设计软件设计所需的型腔（参见补充材料中本研究所用文件）。
   注意：直接在构建平台上制造嵌件，无需支撑结构，以避免固化过程中嵌件发生翘曲。公差为0.05 mm。
2. 选择适用于光聚合的树脂，特别是能够在注塑成型过程中耐受压力和高温的树脂。
   注意：我们选用的树脂（见材料表）具有56 MPa的抗拉强度、3.5%的断裂伸长率、115 MPa的弯曲强度、3350 MPa的弯曲模量，以及140 °C的热变形温度¹⁸。
3. 将复合光聚合物混合物（专有的甲基丙烯酸甲酯与丙烯酰胺混合物，含基于TiO₂的光引发剂）在湿法实验室瓶式滚筒混合器、烧瓶振荡器或类似的混合装置上充分混合，至少持续30分钟。
4. 准备光聚合设备（体素尺寸为16 µm）：
   1. 对于自下而上的增材制造设备，检查树脂槽涂层是否完好无损，并彻底清洁。
   2. 对于自上而下的设备，检查刮涂系统是否存在任何缺陷。
   3. 检查构建平台，并使用100 µm的测厚箔片调整构建板，以正确校准构建板与树脂槽之间的偏移量。
   4. 如有可能，提前点燃机床光源，使其在开始前达到稳态温度。光源引擎内部温度应为65 °C，树脂槽内部温度应为30 °C。
5. 将几何模型导入作业准备软件，并遵循设备制造商的指导原则¹⁹。
   1. 设置适当的设备参数，以匹配所选光聚合物（根据所用设备设定光照强度和层厚）。
   2. 以设备最高的垂直分辨率进行打印（本研究中为25 µm）。
6. 清洗打印出的嵌件。
   1. 将嵌件置于异丙醇中超声清洗3分钟，彻底冲洗三次，确保打印嵌件表面无残留光聚合物。
   2. 在室温下让溶剂完全挥发，并将嵌件置于干燥器中，在室温下干燥过夜。
7. 使用紫外光脉冲对干燥后的嵌件进行二次后固化处理，每次2000次脉冲，频率为每秒10次脉冲（见材料表）。

2. 注塑成型（IM）

1. 在传统注塑机上安装微注塑模块（参见 材料表）。
   注意：在本例中，注塑模块的螺杆以 45° 角安装，螺杆直径为 8 mm，锁模力为 100 kN。
2. 将嵌件安装到模具板上。

图1：带模具的注塑机。 （a）注塑侧与模板组装完成，插入件由红色圆圈标出。（b）移动侧与带顶出销的模板组装完成，插入件由红色圆圈标出。 请点击此处查看该图的放大版本。

3. 为弥补打印过程中的尺寸差异，需手动对嵌件进行必要的微调，以确保其能够适配模具。
4. 将模具板固定在机器上。
5. 将聚乙烯（PE）颗粒加入料斗中。
6. 设置机器参数：模具温度 T_Mold 为 60 °C，料筒温度 T_Barrel为 175 °C，注射速度 V_injection为 65 mm/s。确保有足够的冷却时间，以便制品能够顺利脱模。
7. 从第1至第5段，将螺杆加热至 31 °C、155 °C、165 °C、170 °C 和 175 °C。当熔体温度达到 175 °C 时，开始精确注塑成型。型腔填满后，保持 300 bar 的保压压力 5 秒，以补偿聚乙烯的收缩。
8. 打开模具，使顶出销将聚乙烯部件从嵌件的可动侧推出。若聚乙烯部件卡在嵌件上，需手动取出部件。
9. 在完成 100 次注塑成型循环后停止机器（一个循环定义为从模具闭合开始至部件被顶出为止）。

3. 质量评估

1. 在注塑成型前，使用激光扫描数字显微镜²⁰测量镶件上孔的直径和深度。需对两个镶件进行测量；在每个镶件上，分别在距离浇口较近和较远的两个区域各测量四个孔。

图2：在镶件的CAD图像上标出的测量区域。 （a）动模侧镶件对应于复制品的背面；（b）注塑侧对应于复制品的顶面。浇口位于中心位置。本研究比较了距浇口距离不同的两个区域：“远离浇口”和“靠近浇口”。（该图改编自Zhang et al. 2017²²）请点击此处查看此图的放大版本。

2. 测量注塑成型所得带追踪齿的柱体的直径和高度。
   注意：将获得的PE部件按每10件分为一批； 即， 1-10 为第 1 批，11-20 为第 2 批，依此类推直至最后一个样品。每批随机选取一个样本，在其正面和背面进行测量；在每一侧，选择距离浇口不同距离的两个区域（“靠近浇口”和“远离浇口”），每个区域测量四个柱体。
3. 在图像处理软件的协助下分析数据²¹ 以获取尺寸数据。

结果

图3展示了通过增材制造（AM）制备的嵌件以及通过注塑成型生产的聚乙烯（PE）部件。图3 (b)中可见，梳齿表面垂直分布着两排圆形孔。嵌件上孔的标称尺寸为直径 Ø200 µm，深度 200 µm，孔中心间距为 400 µm。由于增材制造工艺形成的层状结构清晰可见。在左下排孔处存在一条明显的折叠痕迹，该痕迹是在扫描电镜（SEM）样品制备过程中无意产生的。

脱模过程如图所示 图4. 柱状结构不与脱模方向平行。在所有研究的样品中均未观察到柱状结构断裂现象。图5）。从这一点来看，脱模是成功的。可以明显看出，由于压力下降，远离浇口位置的柱状结构明显低于顶部位置的柱状结构。在直径方面，不同位置之间的差异不如高度差异显著。

图6 和 图7 展示了复制效果在100次注塑循环中的传播情况。复制程度由柱状结构的尺寸与镶件尺寸的比值定义。在100次循环过程中，无论在垂直方向还是侧向复制，各个位置均实现了稳定的工艺过程。注塑成型后，镶件上孔的尺寸未发生变化，进一步证实了这一结论。远离浇口位置的柱状结构高度低于靠近浇口位置的柱状结构，这是因为随着流动长度的增加，聚合物流动时的黏度也随之升高。

注塑成型参数在材料数据表允许的范围内进行调整。在所考察的工艺窗口内，大多数运行次数超过80个循环，表明增材制造嵌件的使用寿命在该工艺窗口内未受到影响。然而，当注射压力较高时，部分测试中注射侧的嵌件出现开裂，这是由于嵌件中心部分较薄所致。

图3：嵌件与复制品。 （a）通过增材制造工艺制成的模具型腔用嵌件；展示了一个通过注塑成型制得的聚乙烯（PE）复制品。参照尺上的刻度为毫米；数字标记为厘米。（b）扫描电子显微镜（SEM）图像显示了嵌件的表面；（c）SEM图像显示了通过注塑成型制得的PE部件的表面。（（a）和（b）已根据Zhang et al. 2017²²修改） 请点击此处查看该图的放大版本。

图 4：成功脱模。 即使柱状结构不平行于脱模方向，脱模仍成功完成。(a) 闭合的模具和 (b) 打开用于脱模的模具。（该图改编自 Zhang et al. 2017²²）请点击此处查看此图的放大版本。

图 5：一个随机齿状结构侧视的扫描电镜图像。 图中标注了四个被研究的位置。（该图改编自 Zhang et al. 2017²²）请点击此处查看此图的放大版本。

图6：柱体高度的复制程度。 柱体高度的复制程度定义为柱体高度与孔洞深度的比值。每批样品中四个位置的复制程度均值被展示出来。每批随机选取一个样品进行测量。四个位置分别为：“背-远”，表示背面远离浇口的位置；“背-近”，表示背面靠近浇口的位置；“顶-远”，表示顶面远离浇口的位置；“顶-近”，表示顶面靠近浇口的位置。（此图改编自 Zhang et al. 2017 ²²）请点击此处查看此图的放大版本。

图7：柱体直径复制程度。 柱体直径的复制程度定义为柱体直径与孔直径的比值。每批样品中四个位置的复制程度平均值被展示出来。每批随机选取一个样品进行测量。四个位置分别为：“背-远”，表示浇口背面远离浇口的位置；“背-近”，表示浇口背面靠近浇口的位置；“顶-远”，表示顶面远离浇口的位置；“顶-近”，表示顶面靠近浇口的位置。（本图改编自Zhang et al. 2017 ²²）。请点击此处查看此图的放大版本。

讨论

该方法适用于制造具有复杂形状的聚合物零件嵌件。它采用一组由聚合物制成的软模嵌件，替代注塑机中的工具钢模具型腔。与传统的金属加工相比，加工时间和成本均有所降低，从而缩短了生产周期。该工艺链适用于中等规模（通过注塑或类似工艺生产1000至10000次循环）但设计变化较大的产品。此外，对于3D打印的嵌件，无需特殊的模具板。标准商用注塑模具板可直接采购并经加工以适配嵌件。

以当前技术水平，软模具的失效源于一种独特的机制¹⁷失效机理已被确定与软模具嵌件的热变形温度相关，而分解则归因于放气现象。因此，最关键的步骤是为通过增材制造生产的嵌件选择合适的树脂。嵌件的热性能和机械性能决定了其使用寿命。 即， 注塑成型过程中所能承受的循环次数。它还决定了可成型聚合物的范围；成型聚合物的模具温度不应高于嵌件材料的热变形温度。

该方案中的第二个关键步骤是插入件的设计。应遵循模具设计的一般规则，避免在3D打印的聚合物插入件上出现机械强度较弱的部分；否则，由于出现裂纹等故障，将会影响模具的使用寿命。

所获得的注塑成型零件的表面质量受限于所采用的增材制造工艺。化学蚀刻等后处理是改善表面质量的可行方案。由于增材制造工艺的影响，表面特征的精度是另一个问题。

该方法将在满足工业需求的新型生产平台上，实现对真实自由曲面进行微结构加工的可能性。因此，该方法有望被应用于下一代医疗设备的相关研究与开发中，特别是需要在复杂形状表面制备微结构的医疗设备或植入式装置¹⁴。该方法可通过显著降低中小批量生产的成本，促进价值创造，并积极缩短介于1至10件个体化设备与真正大规模生产之间的制造周期。它将为高附加值产品和创新设计解决方案开辟新的前景。

材料

本文使用的材料清单

姓名	公司	目录编号	评论
光聚合树脂	EnvisionTec	HTM140 V2
树脂混合装置	IKA	Vortex Genius 3
3D 打印机	Envisiontec	Perfactory 3
紫外光闪光单元	EnvisionTec	Otoflash unit
聚乙烯	lyondellbasell	PE Purell 1840
注塑成型机	Arburg	Allrounder 370A
图像处理	SPIP	6.2.8