Name: 微柱3D 构件注塑成型的软加工工艺链 (视频) | JoVE Journal
Uploaded: 2018-08-04T12:30:00.000+00:00
Duration: 5 min 32 s
Description: 学习利用增材制造技术制作注塑模具嵌件，实现复杂几何表面微结构的精密成型。该方法通过光聚合工艺和激光扫描测量，为制造与聚合物加工领域的软加工研究提供可靠方案。

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本文报道的研究工作是在丹麦创新基金资助的项目“&#34;植入式医疗器械的先进表面处理&#34;”的背景下开展的。作者衷心感谢欧洲创新培训网络MICROMAN“&#34;零缺陷近净成形微制造的过程指纹&#34;”提供的支持，该项目由欧盟“地平线2020”研究与创新框架计划资助。

1. 通过增材制造（AM）制备插入件
<ol>
	<li>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。</li>
	<li>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。</li>
	<li>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。</li>
	<li>准备光聚合设备（体素尺寸为16 µm）：
	<ol>
		<li>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。</li>
		<li>对于自上而下的设备，检查刮涂系统是否存在任何缺陷。</li>
		<li>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。</li>
		<li>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。</li>
	</ol>
	</li>
	<li>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。
	<ol>
		<li>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）。</li>
		<li>以设备最高的垂直分辨率进行打印（本研究中为25 µm）。</li>
	</ol>
	</li>
	<li>清洗打印出的嵌件。
	<ol>
		<li>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。</li>
		<li>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。</li>
	</ol>
	</li>
	<li>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）。</li>
</ol>
2. 注塑成型（IM）
<ol>
	<li>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。</li>
	<li>将嵌件安装到模具板上。</li>
</ol>
<img alt="工业模具装置，标注的注入口，金属加工过程，制造分析。" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/57335/57335fig1.jpg" data-altupdatedat="1788250015000" data-alt="图1"> 
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。 <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/57335/57335fig1large.jpg" target="_blank">请点击此处查看该图的放大版本。</a>
<ol start="3">
	<li>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。</li>
	<li>将模具板固定在机器上。</li>
	<li>将聚乙烯（PE）颗粒加入料斗中。</li>
	<li>设置机器参数：模具温度 TMold 为 60 °C，料筒温度 TBarrel为 175 °C，注射速度 Vinjection为 65 mm/s。确保有足够的冷却时间，以便制品能够顺利脱模。</li>
	<li>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。</li>
	<li>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。</li>
	<li>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）。</li>
</ol>
3. 质量评估
<ol>
	<li>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。</li>
</ol>
<img alt="注塑模具分析示意图；浇口邻近效应；部件设计；动模侧与注塑侧。" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/57335/57335fig2.jpg" data-altupdatedat="1788250015000" data-alt="图2"> 
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）<a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/57335/57335fig2large.jpg" target="_blank">请点击此处查看此图的放大版本。</a>
<ol start="2">
	<li>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。</li>
	<li>在图像处理软件的协助下分析数据21 以获取尺寸数据。</li>
</ol>

<ol><li>Doan, N., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Low-Cost+Photolithographic+Fabrication+of+Nanowires+and+Microfilters+for+Advanced+Bioassay+Devices%5BTitle%5D)+AND+%22Sensors%22%5BJournal%5D)">Low-Cost Photolithographic Fabrication of Nanowires and Microfilters for Advanced Bioassay Devices.</a> Sensors. 15 (3), 6091-6104 (2015).</li>
<li>Lucchetta, G., et al. <a target="_blank" href="https://www.researchgate.net/publication/271833481_Effect_of_injection_molded_micro-structured_polystyrene_surfaces_on_proliferation_of_MC3T3-E1_cells">Effect of injection molded micro-structured polystyrene surfaces on proliferation of MC3T3-E1 cells.</a> Express Polymer Letters. 9 (4), 354-361 (2015).</li>
<li>Hu, H., Tian, H., Shao, J., Ding, Y., Jiang, C., Liu, H. <a target="_blank" href="http://iopscience.iop.org/article/10.1088/0960-1317/24/9/095027/meta">Fabrication of bifocal microlens arrays based on controlled electrohydrodynamic reflowing of pre-patterned polymer.</a> Journal of Micromechanics and Microengineering. 24 (9), 095027(2014).</li>
<li>Kolind, K., Dolatshahi-Pirouz, A., Lovmand, J., Pedersen, F. S., Foss, M., Besenbacher, F. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((A+combinatorial+screening+of+human+fibroblast+responses+on+micro-structured+surfaces%5BTitle%5D)+AND+%22Biomaterials%22%5BJournal%5D)">A combinatorial screening of human fibroblast responses on micro-structured surfaces.</a> Biomaterials. 31 (35), (2010).</li>
<li>Wilkinson, C. D., Riehle, M., Wood, M., Gallagher, J., Curtis, A. S. G. <a target="_blank" href="https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0928493101003964">The use of materials patterned on a nano- and micro-metric scale in cellular engineering.</a> Materials Science and Engineering C. 19 (1-2), 263-269 (2002).</li>
<li>Hansen, H. N., Hocken, R. J., Tosello, G. <a target="_blank" href="https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0007850611002101">Replication of micro and nano surface geometries.</a> CIRP Annals. 60 (2), 695-714 (2011).</li>
<li>Metwally, K., Barriere, T., Khan-Malek, C. <a target="_blank" href="https://link.springer.com/article/10.1007/s00170-015-7602-4">Replication of micrometric and sub-micrometric structured surfaces using micro-injection and micro-injection compression moulding.</a> International Journal of Advanced Manufacturing Technology. 83 (5-8), 779-789 (2016).</li>
<li>Nian, S. -C. <a target="_blank" href="http://www.hanser-elibrary.com/doi/abs/10.3139/217.2790">Novel embossing system for replicating micro-structures on curved surfaces.</a> International Polymer Processing. 29 (3), 364-370 (2014).</li>
<li>Bissacco, G., et al. <a target="_blank" href="http://orbit.dtu.dk/en/publications/application-of-functional-nanopatterning-to-polymer-medical-micro-implants(bfcd89e2-27be-48aa-a5d6-a33ef8125567).html">Application of functional nano-patterning to polymer medical micro implants.</a> Proceedings of the 4m/icomm2015 Conference. , (2015).</li>
<li>Diaz Lantada, A., Piotter, V., Plewa, K., Barie, N., Guttmann, M., Wissmann, M. <a target="_blank" href="https://link.springer.com/article/10.1007/s00170-014-6333-2">Toward mass production of microtextured microdevices: Linking rapid prototyping with microinjection molding.</a> International Journal of Advanced Manufacturing Technology. 76 (5-8), 1011-1020 (2015).</li>
<li>Volpato, N., Solis, D. M., Costa, C. A. <a target="_blank" href="https://www.inderscienceonline.com/doi/abs/10.1504/IJMPT.2016.073616">An analysis of Digital ABS as a rapid tooling material for polymer injection moulding.</a> International Journal of Materials and Product Technology. 52 (1-2), 3-16 (2016).</li>
<li>Mischkot, M., Hansen, H. N., Pedersen, D. B. <a target="_blank" href="http://orbit.dtu.dk/en/publications/additive-manufacturing-for-the-production-of-inserts-for-micro-injection-moulding(9c55c6b1-5641-4654-9b5c-29ebd7ed8f46).html">Additive manufacturing for the production of inserts for micro injection moulding.</a> Proceedings of Euspen's 15th International Conference & Exhibition. , (2015).</li>
<li>Zhang, Y., Hansen, H. N., Sørensen, S. <a target="_blank" href="http://orbit.dtu.dk/files/123116383/Injection_molding.pdf">Injection molding of micro pillars on vertical side walls using polyether-ether-ketone (PEEK).</a> Proceeding of 11th International Conference on Micro Manufacturing. , ICOMM. Orange County, California, USA. (2016).</li>
<li>Zhang, Y., Mischkot, M., Hansen, H. N., Hansen, P. <a target="_blank" href="http://orbit.dtu.dk/files/106717230/Replication_of_microstructures.pdf">Replication of microstructures on three-dimensional geometries by injection moulding of liquid silicone rubber.</a> Proceedings of the 15th International Conference on Metrology and Properties of Engineering Surfaces, ASPE, March 2015. , ASPE. Charlotte, NC, USA. (2015).</li>
<li><a target="_blank" href="http://envisiontec.asia/wp-content/uploads/2016/09/MK-MCS-P3MiniMulti-V01-FN-EN.pdf">Envisiontec Perfactory MML with ERM. Technical Specifications Document no. MK-MCS-P3MiniMulti-V01-FN-EN</a>. , EnvisionTEC GmbH. (2018).</li>
<li>Switching to FDM to Build Thermoforming Molds Reduces Cost From $1200 to $100. , Stratasys. Available from:
 <a target="_blank" href="http://www.stratasys.com/resources/case-studies/commercial-products/xerox-thermoforming">http://www.stratasys.com/resources/case-studies/commercial-products/xerox-thermoforming</a> (2016).</li>
<li>Hofstätter, T., Mischkot, M., Pedersen, D. B., Tosello, G., Hansen, H. N. <a target="_blank" href="http://orbit.dtu.dk/files/124304068/4682.pdf">Evolution of surface texture and cracks during injection molding of fiber-reinforced, additively-manufactured, injection molding inserts.</a> Proceedings of ASPE Summer Topical Meeting 2016: Dimensional Accuracy and Surface Finish in Additive Manufacturing. , (2016).</li>
<li>Perfactory® Material. , EnvisionTEC Gmbh. Available from:
 <a target="_blank" href="https://envisiontec.com/wp-content/uploads/2016/09/MK-MTS-HTM140IndustrialIV-V01-FN-EN.pdf">https://envisiontec.com/wp-content/uploads/2016/09/MK-MTS-HTM140IndustrialIV-V01-FN-EN.pdf</a> (2017).</li>
<li>Software Manual, 2010. , EnvisionTEC Gmbh. Available from:
 <a target="_blank" href="https://digfablab.wikispaces.com/file/view/Getting+started.pdf">https://digfablab.wikispaces.com/file/view/Getting+started.pdf</a> (2010).</li>
<li><a target="_blank" href="http://www.techsansystem.co.kr/image/4100/OLS4100_.pdf">Olympus LEXT OLS4100 laser scanning digital microscope Manual</a>. , Olympus. (2018).</li>
<li>SPIP™ - Analytical Software for Microscopy. , Image Metrology. Available from:
 <a target="_blank" href="https://www.imagemet.com/products/spip/">https://www.imagemet.com/products/spip/</a> (2017).</li>
<li>Zhang, Y., Pedersen, D. B., Gøtje, A. S., Mischkot, M., Tosello, G. <a target="_blank" href="https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S1526612517300993">A soft tooling process chain employing additive manufacturing for injection molding of a 3d component with micro pillars.</a> Journal of Manufacturing Processes. 27, 138-144 (2017).</li>
</ol>

作者无任何利益冲突需要披露。

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。

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。

<table><tbody><tr><td>光聚合树脂</td><td>EnvisionTec</td><td>HTM140 V2</td><td></td></tr><tr><td>树脂混合装置</td><td>IKA</td><td>Vortex Genius 3</td><td></td></tr><tr><td>3D 打印机</td><td>Envisiontec</td><td>Perfactory 3&amp;nbsp;</td><td></td></tr><tr><td>紫外光闪光单元</td><td>EnvisionTec</td><td>Otoflash unit</td><td></td></tr><tr><td>聚乙烯</td><td>lyondellbasell</td><td>PE Purell 1840</td><td></td></tr><tr><td>注塑成型机</td><td>Arburg</td><td>Allrounder 370A&amp;nbsp;</td><td></td></tr><tr><td>图像处理</td><td>SPIP</td><td>6.2.8</td><td></td></tr></tbody></table>

一种用于注塑成型带微柱三维部件的软模具工艺链

A Soft Tooling Process Chain for Injection Molding of a 3D Component with Micro Pillars

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。&#176;微柱（&#216;200 &#181;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。

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。
<img alt="聚乙烯嵌件制造与扫描电镜分析；1毫米嵌件，注塑成型对比。" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/57335/57335fig3.jpg" data-altupdatedat="1788250015000" data-alt="图3"> 
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） <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/57335/57335fig3large.jpg" target="_blank">请点击此处查看该图的放大版本。</a>
<img alt="静力学平衡示意图；桥梁支撑结构中的力分布 (a, b)。" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/57335/57335fig4.jpg" data-altupdatedat="1788250015000" data-alt="图 4"> 
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）<a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/57335/57335fig4large.jpg" target="_blank">请点击此处查看此图的放大版本。</a>
<img alt="薄膜结构的扫描电镜图像；标签指示取向；比例尺 500 μm；材料分析。" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/57335/57335fig5.jpg" data-altupdatedat="1788250015000" data-alt="图 5"> 
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）<a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/57335/57335fig5large.jpg" target="_blank">请点击此处查看此图的放大版本。</a>
<img alt="柱体复制程度图表；IM循环中高度/深度的柱状图，用于数据分析。" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/57335/57335fig6.jpg" data-altupdatedat="1788250015000" data-alt="图6"> 
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）<a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/57335/57335fig6large.jpg" target="_blank">请点击此处查看此图的放大版本。</a>
<img alt="显示IM循环中柱/孔直径比的复制程度的柱状图，数据分析。" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/57335/57335fig7.jpg" data-altupdatedat="1788250015000" data-alt="图7"> 
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）。<a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/57335/57335fig7large.jpg" target="_blank">请点击此处查看此图的放大版本。</a>

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。

本文旨在介绍一种采用增材制造（AM）技术制备注塑成型用软工装的工艺流程方法。

该方法有助于解决制造领域中的关键问题，例如如何缩短试生产过程中的加工时间和降低成本。该技术的主要优势在于，得益于增材制造技术，可在复杂零件的表面实现微细结构。增材制造部分将由高级研究员 David Bue Pedersen 博士以及博士研究生 Federico 演示，技术员 Michael 将负责注塑成型部分。首先，使用计算机辅助设计软件设计嵌件。以下是用于制造具有四个齿的环形模具的可动侧和注塑侧的示意图。齿的夹角为60度。制造公差为0.05毫米。接下来，准备用于光聚合的树脂。将树脂组分在混合装置中充分混合30分钟。进行制造时，选择一种光聚合设备。检查构建平台，并确保设备已正确设置以执行制造步骤。导入设计文件，并以设备最高的垂直分辨率运行构建过程。制备完成后，将打印的插件取出来进行清洗。将其置于异丙醇中，使用超声波清洗机清洗三次，每次三分钟。待溶剂在室温下挥发后，将插件放入室温干燥器中。回收插入片段，并用紫外手电筒照射两次以进行消除。完成后，移除插入片段。这是此时插入片段的一个示例。为评估这些参数，使用激光扫描数字显微镜。在动模侧镶件和注塑侧靠近浇口的位置，测量四个孔的直径和深度。此外，在远离浇口的位置对另外四个孔进行相同测量。这些显微镜图像展示了此阶段可移动侧嵌件和注塑侧嵌件的示例。扫描电镜（SEM）图像展示了表面质量。使用常规注塑成型机进行操作。确保已安装显微注射模块。然后，使用插入件和模具板。接着，将聚乙烯颗粒装入料斗中。在控制面板上设置机器参数，并为待脱模部件预留冷却时间。在第一至第五个阶段加热螺杆。当熔体温度达到175摄氏度时，开始精确注塑成型。型腔填满后，保持300 bar的保压压力5秒。接着打开模具，使顶出销将制品推出。这是使用本方案制备的注塑部件示例。共执行了100个循环。要评估注塑件，请返回激光扫描数字显微镜。表面形成柱状结构。在距离浇口不同距离的两个区域，测量沿追踪线分布的柱状结构的直径和高度。此图为通过增材制造制备的嵌件表面的扫描电子显微镜图像。作为对比，以下是通过注塑成型工艺制备的聚乙烯部件的扫描电镜图像。嵌件上孔的标称尺寸为直径200微米，深度200微米。此图为柱状结构高度与孔深度的比值对比，该比值称为柱状结构高度复制度。批次按生产顺序每10个分为一组，共生产了100个零件。数值来自每组中随机选取的一个样本。不同颜色的条形代表镶件上不同的位置。这是支柱直径复制程度的类似图示。支柱直径与孔径之比。这些图表表明，在100个循环过程中，每个位置的工艺均保持稳定。零件上孔的尺寸在注塑成型后保持不变，这支持了上述结论。该技术为从事制造和聚合物加工的研究人员探索软模具工艺铺平了道路。它使得在满足工业需求的新型生产平台上，在自由曲面表面创建微细结构成为可能。

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