高深宽比微结构超声波辅助精密微注塑机理及方法研究

微注塑成型是生产聚合物微结构的关键技术，作为尚处在初级阶段的微注塑成型技术目前在适用性、注塑精度、效率、脱模效果等方面还存在着问题和局限性。申请者提出了将超声波振动技术应用于高深宽比聚合物微结构微注塑成型的方法。利用超声波对聚合物熔体性能的影响，改善聚合物熔体的流动性能，提高对高深宽比型腔的充填质量。同时通过振动对分子结构的作用还可以改变注塑件的内部结构和微观形态。本项目借鉴聚合物分子物理动力学理论，对超声波微注塑成型机理和方法进行研究，建立系统分析模型，从而实现对超声波微注塑成型实际应用的理论指导。形成高精度高深宽比微型模芯的设计、加工技术及工艺方案、聚合物超声波微注塑成型工艺及最佳工艺参数的确定方法。并针对具体的实际应用背景，制作典型的聚合物微结构，验证超声波微注塑成型机理和工艺方法、修正微型模具的设计。项目的研究将拓展微注塑成型技术的应用领域，促进聚合物微结构制造技术的发展。

微注塑成型是生产聚合物微器件的关键技术，但是在传统的微注塑成型过程中，聚合物熔体在微小腔体中流动时充模阻力比常规注塑大，影响了熔体填充效果，同时热量损失的不均衡性和不确定性容易导致注塑精度不高。本项目提出了超声波振动技术应用于聚合物微器件微注塑成型的方法，并对超声波振动对聚合物熔体的作用机理进行了探讨，基于粘性流体力学、传热学、聚合物流变学等基础理论，将超声波振动直接施加到聚合物熔体，使其产生高频机械振动，从而简化超声波振动的加载形式。并结合修正的熔体粘度模型，建立了聚合物熔体在微通道中充填模型。并结合聚合物流动性能测试，对超声作用对微小流道中聚合物的熔体的流动特性和微尺度下熔体的流变特性进行了讨论。基于对微注塑成型过程的分析结果，开发了超声波辅助微注塑成型装置，通过在微注塑成型过程中超声波对熔体的能量作用降低熔体粘度，改善了熔体流动和充填性能。利用开发的超声辅助微注塑系统进行了典型样件（菲涅尔透镜及微针阵列）注塑工艺研究，分析了注塑过程的影响因素并确定了最佳注塑工艺参数。试验结果表明，相同的注塑工艺条件下，超声辅助微注塑过程中聚合物的填充性能提高了7%左右。通过本项目的研究，形成了超声辅助模具系统设计、加工技术及工艺方案、聚合物超声波微注塑成型工艺及最佳工艺参数的确定方法。