注射成型中微流控芯片微結(jié)構(gòu)復(fù)制仿真分析

注射成型中微流控芯片微結(jié)構(gòu)復(fù)制仿真分析

近年來，高聚物在加工、成本和生物性能方面的優(yōu)勢(shì)已被應(yīng)用于微流控芯片領(lǐng)域。在眾多高聚物微流控芯片的成型方法中,注射成型法簡(jiǎn)單易行,可以實(shí)現(xiàn)批量生產(chǎn),對(duì)于降低芯片價(jià)格具有不可比擬的優(yōu)勢(shì)。對(duì)于注射成型微流控芯片這種帶有微溝槽結(jié)構(gòu)的塑件,除了傳統(tǒng)成型出現(xiàn)的塑件缺陷以外,微結(jié)構(gòu)能否完全復(fù)制成為微流控芯片注射成型法成功的關(guān)鍵。筆者利用Moldflow軟件建立微流控芯片有限元模型,選取聚碳酸酯(PC)材料,通過數(shù)值模擬分析相關(guān)工藝參數(shù)對(duì)于微流控芯片微結(jié)構(gòu)復(fù)制情況的影響。1數(shù)值模擬試驗(yàn)1.1微溝槽結(jié)構(gòu)模型微流控芯片外形呈長(zhǎng)方形,長(zhǎng)70mm,寬30mm,厚1.5mm,在長(zhǎng)度方向上分布有微溝槽結(jié)構(gòu),溝槽尺寸長(zhǎng)50mm,寬0.24mm,高0.06mm。采用雙層面網(wǎng)格對(duì)模型進(jìn)行有限元網(wǎng)格劃分,如圖1所示。為提高數(shù)值模擬的精確度,在微結(jié)構(gòu)處對(duì)網(wǎng)格進(jìn)行細(xì)化,微結(jié)構(gòu)處網(wǎng)格尺寸達(dá)到0.1mm,如圖2所示。1.2微溝槽結(jié)構(gòu)的橫向復(fù)制程度實(shí)驗(yàn)使用單因素法,考察熔體溫度、模具溫度、保壓壓力、注射壓力等4個(gè)工藝參數(shù)對(duì)微流控芯片微結(jié)構(gòu)復(fù)制程度的影響。對(duì)于微溝槽結(jié)構(gòu)的復(fù)制程度選擇橫向和縱向兩個(gè)方向的數(shù)據(jù)作為研究對(duì)象,橫向位置選擇沿單側(cè)長(zhǎng)度方向首末兩處,取兩處的翹曲量之差反映微結(jié)構(gòu)的橫向復(fù)制程度?？v向位置選擇在微溝槽結(jié)構(gòu)單側(cè)長(zhǎng)度方向近澆口和中部?jī)商?每處選取同一高度上下兩節(jié)點(diǎn)翹曲量之差反映微結(jié)構(gòu)的縱向復(fù)制程度,具體位置如圖1所示。2結(jié)果與討論2.1熔體溫度的變化保持模具溫度為90℃、注射壓力為90MPa、保壓壓力為70MPa,改變?nèi)垠w溫度,得到各處翹曲偏移量變化曲線,如圖3所示。從圖3可以看出,近澆口端、中部以及長(zhǎng)度兩端的翹曲偏移量整體都是隨著熔體溫度的升高而降低。在熔體溫度由260℃升至340℃過程中,中部的翹曲偏移量由0.62μm變化至0.41μm,下降了0.21μm,近澆口端的翹曲偏移量由0.069μm變化為0.049μm,下降了0.02μm。由近澆口端和中部的變化趨勢(shì)可以看出熔體溫度升高對(duì)微結(jié)構(gòu)縱向方向上的復(fù)制起到積極作用。長(zhǎng)度兩端的翹曲偏移量由0.0183mm降至0.0142mm,下降了0.0041mm,由此看出,熔體溫度升高有利于微結(jié)構(gòu)的橫向復(fù)制程度的提高。這是因?yàn)槿垠w溫度較高有助于PC分子鏈的展開,使得內(nèi)應(yīng)力釋放,進(jìn)而使得翹曲偏移量下降,有利于微結(jié)構(gòu)復(fù)制程度的提高。2.2模具溫度對(duì)微結(jié)構(gòu)復(fù)制的影響保持熔體溫度為300℃、注射壓力為90MPa、保壓壓力為70MPa,將模具溫度從70℃升至110℃,得到各處翹曲偏移量隨模具溫度變化的曲線,如圖4所示。由圖4可知,近澆口端、中部與長(zhǎng)度兩端的翹曲偏移量都呈現(xiàn)出隨模具溫度升高而降低的趨勢(shì),尤其以中部和長(zhǎng)度兩端的變化最為明顯。在模具溫度由70℃升至110℃過程中,中部的翹曲偏移量由0.29μm降至0.12μm,下降了0.17μm,近澆口端的翹曲偏移量由0.061μm降至0.049μm,下降了0.012μm。由此看出,模具溫度升高對(duì)于微結(jié)構(gòu)縱向方向上的復(fù)制有顯著影響。長(zhǎng)度兩端則從0.0165mm降至0.0141mm,下降了0.0024mm。對(duì)于微結(jié)構(gòu)橫向方向上的復(fù)制,模具溫度的影響程度雖次于熔體溫度,但仍起到積極作用。因此,模具溫度的升高有利于微結(jié)構(gòu)復(fù)制程度的提高,這與劉瑩等的試驗(yàn)結(jié)果一致。2.3壓力和壓力下的翹曲偏移量保持模具溫度為90℃、熔體溫度為300℃、注射壓力為90MPa,將保壓壓力從50MPa升至90MPa,得到各處翹曲偏移量隨保壓壓力變化的曲線,如圖5所示。由圖5可知,中部的翹曲偏移量由0.233μm降至0.144μm。近澆口端的翹曲偏移量由0.07μm降至0.05μm,其在保壓壓力小于70MPa時(shí),下降趨勢(shì)并不明顯,大于70MPa后才出現(xiàn)明顯下降。長(zhǎng)度兩端的翹曲偏移量由0.0165mm降至0.0148mm。因此,保壓壓力的升高,不僅有利于熔體對(duì)型腔的充滿,對(duì)于微結(jié)構(gòu)在縱向和橫向上復(fù)制程度的提高也有所幫助,但影響程度較小。2.4翹曲偏移量的變化保持模具溫度為90℃、熔體溫度為300℃、保壓壓力為70MPa,改變注射壓力,得到各處翹曲偏移量的變化曲線,如圖6所示。由圖6可知,在注射壓力由70MPa升至110MPa的過程中,近澆口端的翹曲偏移量的變化出現(xiàn)增大的趨勢(shì)。中部的翹曲偏移量在注射壓力小于90MPa時(shí)緩慢增大,大于90MPa之后先下降后又再次增大。整體來說,注射壓力的升高不利于微結(jié)構(gòu)縱向方向上的復(fù)制。長(zhǎng)度兩端的翹曲偏移量的變化呈波動(dòng)趨勢(shì),出現(xiàn)兩次下降,一次是在注射壓力由80MPa升至90MPa時(shí),下降0.0002mm,另一次是在由100MPa升至110MPa時(shí),下降0.0003mm,下降幅度很小,因此,注射壓力的升高對(duì)于微結(jié)構(gòu)橫向方向上的復(fù)制貢獻(xiàn)微弱。注射壓力用于克服熔體充模時(shí)的阻力,但遇到微結(jié)構(gòu)型腔凸起的微小直角時(shí),壓力損耗較大,因此注射壓力的升高對(duì)于微結(jié)構(gòu)復(fù)制程度的提高作用不明顯。3影響微結(jié)構(gòu)復(fù)制程度的因素在微流控芯片的注射成型過程中,會(huì)出現(xiàn)微結(jié)構(gòu)復(fù)制不完全的情況,通過數(shù)值模擬研究了熔體溫度、模具溫度、保壓壓力、注射壓力等4個(gè)因素對(duì)于微結(jié)構(gòu)復(fù)制程度的影響