聚合物微成型模具设计及制造技术分析

摘要：随着机械设备向高精尖方向发展，对模具的制造提出了更高的要求。该零件具有表面光滑、结构多样、内部构造精细、体积小等特点，并有完善的设计体系指导。基于高分子微成型模具设计与制造技术的发展，促进了精密零件批量生产，降低了生产成本，满足了医疗、卫生、生物、光学等行业对精密零件的高要求，从而促进了我国精密制造行业的发展。本文首先对聚合物微成型制品的类型进行了介绍，之后对聚合物微成型模具设计与制造技术进行了深入分析。

关键词：聚合物微成型模具;技术分析;相关设计

引言

伴随着现代化工业和制造业的发展，对模具的需求也在不断增加。为适应模具设计制造的需要，聚合物微成型材料以其密度小、比刚度高、生物相容性好等优点，逐渐成为模具制造中的首选材料，在材料的推动下，其应用前景十分广阔。此外，由于材料与技术的发展，模具设计与制造已迈向新的高度，针对聚合物熔体跨尺度流动的理论及加工方法尚不完善，对聚合物微制品的成型质量产生了一定的限制。所以，探讨和分析聚合物微成型模式的设计和制造工艺，对提高微成型制品的质量具有重要意义。

一、聚合物微成型制品的类型

目前，聚合物微成型技术主要是为广大工业制造企业和产品设备加工企业提供低成本、高精度、大批量生产的微制品成型技术。聚合物微成型技术主要包括注射成型、微热压成型、微挤出成型三种工艺，所生产的微产品主要有以下三种类型：一是生产体积小、质量好的模具产品，通常工业成品的体积小于1mm，主要应用于微型机械制造系统，如微齿轮、透镜及微螺栓螺母等;二是生产的成品尺寸在1厘米以内，且成品表面具有细微的特征，如生物医学领域和光学领域使用的介入导管、微光栅等产品;三是所生产的产品没有明确的尺寸规格和特征要求，但局部要求尺寸精确到微米，例如高精度方面出现非球面镜片。

二、聚合物微成型模具设计与制造技术分析

（一）微注射成型模具的设计与制造技术

微量注塑模具对精度的要求非常高，其设计质量直接影响到后期产品的质量和成本，其关键技术有以下三种：一是变温模具设计，采用变温模具设计，可有效避免因模具温度过高而造成模具内部变形;二是采用真空排氣系统设计，排除动、定模间残留大量空气，使模具处于封闭状态;三是采用脱模机构设计，脱模是模具制造的重要环节，模具成型质量与脱模工艺密切相关。在此阶段，主要采用间接脱模，通过流道和浇口进行脱模，有效地保证了模具表面的平滑度。对微注射成型模具的制造，采用了以下三种工艺方法：（1）微机械加工技术，它不仅能加工多种材料，而且还能在10微米至10 mm范围内切割各种形状和特征的模芯：（2）采用微细电化学、电火花等加 L技术加工精度在100 nm以下的模具产品，甚至是可加工几十微米大小的医疗器械产品;（3）采用 LIGA加工技术加工精度在10 nm以下的模具产品[1]。

（二）细胞皿超声振动微注射模设计与制造

以高分子微成型模具设计和制造技术为基础的细胞皿微型产品在生物工程研究应用领域中得到了广泛的应用，其结构尺寸较小，单位为微米级，整体呈方盒状结构，箱内分布着许多方形微槽，在微槽的底部，分布着微圆柱形通孔。根据细胞皿自身性能的需要，要求自身熔融结晶应保持均匀分布，以提高其力学性能，而熔融结晶的分布温度直接决定熔融结晶的分布温度，因此要求熔融结晶具有良好的均匀度。所以在变模温系统的温度调节上，可采用油、水、电相结合的方式，在靠近型腔两侧对称的地方，设置一个加热棒，在微型腔的四周，做热油道的设置，热油道与加热棒之间，进行冷却水道的设置，此设置方式的基本工作原理为：在细胞皿注射成型前，在热油的影响下，促使模具温度保持恒定，模具的温度即为脱模温度，然后用电热棒，通过加热处理，待温度升到设定值后，就会触发温度传感器，由温度传感器切断电源，再进行熔料注射，注射完成后，需要熔料冷却，应保持油温不变，断开电热棒的电源，打开冷却装置，模具迅速冷却[2]。

在连续成型过程中，需要结合脱模实际，灵活地调节加热和冷却开关，才能实现对模具快速加热和冷却的控制，适用于微注射成型。若存在抽真空现象，将对产品的整体成型质量产生很大影响，如果在熔体进入型腔之前没有排除气体，将对产品的质量产生严重威胁。为了避免这个问题，应该立足于细胞皿模具型腔的两边，通过排气孔设置，并与真空泵连接，在熔体充填之前，可以将型腔抽入真空。同时，通过采用耐高温硅胶封口，将超声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，整体强度较弱，在制品冷却后，由于型芯间有较强的包紧力，如果直接将制品推出制品中，极易损坏制品。为此，可以在浇口的两侧，采用推杆的对称布置，利用推杆推动流道凝结料，可以使产品顺利地从模具中带出，完成脱模。模腔内超声外场施加方式比较丰富，一种是围绕镶块，做好超声振动施加，另一种是直接立足于流道内熔体之上，进行超声振动施加，在选择振动方向时，可采用垂直方向。为了保证超声波振子具有良好的安装和使用效果，应选择第二种方法。采用凸缘法兰在动模板下固定超声波振子，可在法兰盘上设置推杆孔，以避免模具开闭过程中受到干扰。

（三）五腔异径导管微挤出模具设计与制造

五腔异径导管在医学外科领域应用较广泛，可将各种手术器械、辅助器具等直接送到病变部位，在辅助外科治疗过程中起着重要作用。在现实角度来讲，五腔导管具有一定的不均匀特点，而且还需要使用复杂细小材料进行补偿和横截面拦截，在模具横截面积逐渐减小的情况下，需要增加零件装配效率，由此，还可以根据胀大比和拉伸比，适当增大模具成型段的截面尺寸，同时，一定要重视横截面积和溶体流量之间的关系，对于等效半径方案需要进行合理应用，只有这样才能达到优化成型长度的目的。由于产品类型较多，只有使用十字结构的模具才能确定形态。若想预防出现模具扭曲方面的问题，那么可以使用良好的挤压设计方案，对于设计流程和方案需要逐渐进行完善，合理减少流动平衡段长度。对模具中的大多数零件，可以采用传统的机械加工方法进行加工，但由于模具芯棒的微细特征比较明显，跨度较大，局部尺寸较小，细小，且形状比较复杂，精度要求也很高，所以在此基础上，可以选择采用微细电火花成形电极端面一次性蚀除技术对芯段结构进行加工。在注气孔的加工中，采用微细电火花步进式加工工艺，科学合理地设计模具流道结构和成型段截面，成功地设计制造了五腔异径导管微挤出模，有效地提高了模具整体性能。

三、结论

综上所述，本文首先对聚合物微成型制品的类型进行了介绍，之后对聚合物微成型模具设计与制造技术进行了深入分析，通过研究方式得出，由于现代技术的进步，先进的机械设备层出不穷，对模具的设计制造提出了更高的要求，而聚合物微成型制品的研制和应用，为工业制造产品的开发提供了物质基础。高分子微成型制品虽然开发时间短，设计制作方法不够完善，但在不断探索过程中，为其在生物、光学、通讯等领域提供了大量的小尺寸、高精度的产品，满足了其生产制造的需要。随着时间的推移，科技的发展，其生产工艺也越来越完善，以适应市场的发展变化和需求，推动着模具设计制造行业的发展和进步。

参考文献：

[1]徐石交.聚合物微成型模具设计及制造技术分析[J].山东工业技术，2019（10）：66.

[2]王敏杰，赵丹阳，宋满仓，于同敏.聚合物微成型模具设计与制造技术[J].模具工业，2017，41（05）：7-16+21.

作者简介：

仵向龙（1987-），男，陕西渭南人，本科，工程师，从事（复合材料）成型模具设计研究。