基于硅镶块的微注塑模具设计与镶块断裂研究

摘要

微注塑成型具有生产效率高、制造成本低，能实现批量化生产的特点。微注塑模具镶块是赋予制件微细结构的核心，其制造精度将直接影响制件上微结构的好坏。微注塑模具硅镶块可由金属、非金属材料制成。然而采用非金属材质的模具镶块，如硅镶块，与金属模具镶块相比，具有更突出的优势:具有优良的物理、化学性能;能适用于微注塑成型生产转型速度快的特点;且能充分利用标准的MEMS生产流水线;硅镶块用作微注塑模具镶块时还存在以下问题:1）硅镶块与金属模架安装困难;2）硅镶块在微注塑过程中容易发生断裂。因此研究硅镶块在微注塑过程中的模具设计及镶块断裂问题具有重要意义。
　　本文针对上述问题开展了相关研究，主要研究内容主要有以下几点:
　　针对硅镶块与金属模架安装困难的问题，设计了一套分体式双螺纹连接的微注塑模具。硅镶块通过密封框与支撑板的螺纹配合压紧于密封框之中，然后通过密封框的外螺纹与定模架上的螺纹配合将整个镶块部件安装在定模架之中;同时完成了模具的浇注系统、项出机构、模温循环水路系统设计;所设计的分体式双螺纹连接的微注塑模具有效地解决了硅镶块的安装问题，并使硅镶块的使用寿命提高到了60次/片左右。
　　为了研究硅镶块的断裂机理，采用ANSYS软件对一定注塑工艺参数下的硅镶块，在不同温度、压力载下的裂纹扩展进行了有限元分析。对压力载荷，固定模具温度为70℃，注塑压力变化范围为60MPa～80MPa;对温度载荷，固定注射压力为70MPa，模具温度变化范围为60℃～80℃;结果表明:注射压力是硅镶块上裂纹扩展的主要因素，更容易引起硅镶块的断裂。
　　为了进一步探索注射压力如何引起硅镶块断裂，搭建了微注塑模具型腔压力动态测试平台。设计了专用的测试模具、微型压力传感器的安装方案;将支撑板与定模架设计为小间隙的轴孔配合，以实现利用单一传感器测量一个圆周上所有测点的方案。结果表明:型腔中的压强峰是非均匀分布的，并且压强峰最大值并不在理想的居中位置，而在型腔左上部位。进一步研究表明:型腔内的压强分布不均可能是由型腔中的空气压缩现象引起的。
　　本文的研究结果为基于硅镶块的微注塑模具设计及硅镶块断裂问题研究提供了指导。