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。

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。