在第一期中我们提到,对于聚合物微结构批量加工,应用最广最成功的微注塑和热压印两种技术,热压印技术在实验室应用较多而注塑技术在工业界更受欢迎,其成本比较可以从图1中看出。图1注塑成型与热压成型的成本比较对于高深宽比结构,热压印往往需要提高温度,牺牲效率以得到更好填充,而注塑成型比热压印更困难,需要各种辅助技术。变模温注塑技术是应用最为广泛的一种。变模温注塑原本应用于产品的高光无痕注塑,如图2所示,通过注射过程中提高模具温度,使得熔体流动前沿与模面接触点的界面温度提高,可使模具部分的微细形状复制容易,如结合表面高光的模具、特殊工程塑料,可生产出高光泽度的注塑产品,又称为快速热循注塑、动态模温控制技术等。变模温技术除了提高微结构的充填、减少缺陷提高外观以外,还可以减少残余应力、缩短成型周期等。模具表面的加热方式是温控系统的关键技术,通过加热方式的不同可以分为蒸汽/过热水加热、电加热、红外加热、电磁感应加热等。图2变模温与常规注塑循环示意图1.急冷急热模温机即采用特殊变温技术的模温机达到变模温的效果,以油或水作为传送介质,如图3所示,为提高效果须对模具进行热学处理:a)水道须距离模具表面尽量靠近以加快传热;b)模仁部分需与模架做到闭空绝热处理。图4为使用变模温机对于填充效果的影响,a,b图为模温℃的填充效果,c和d图为℃。可见效果十分明显。图3急冷急热模温机控制图4使用变模温机的填充效果对比2.电加热模具如韩国E-mold系统,电加热成本低,易实施,但易造成模具加热不均,降温慢,能耗高等缺点。除使用传统加热棒外,也有研究者使用自带加热的模芯,将加热元件与微结构做到一体,大大加强了加热效率,亦得到很高的深宽比结构。图5模芯植入加热元件示意图图6模芯植入加热元件得到的PMMA高深宽比结构3.电磁感应加热模具外部加热方式的一种,根据电磁感应原理使工件的温度升高。由于集肤效应,在工件表面上产生的涡流最强,而在内部很弱,到芯部接近于零。因此这种方法可只对工件表面至集肤深度范围加热,因此加热体积小,升温速度快,如台湾中原大学研发的系统升温速度已经达到20℃/s以上。由图8,可知填充深度与模具温度有重要影响。电磁感应加热的缺点在于模芯材料受限,须是铁磁性材料(Fe,Ni,Co)。图7电磁感应加热微结构模具图8电磁感应加热温度与填充高度的关系4.红外加热与电磁感应一样使用外部加热方式,同样具有无需接触,热量集中在表面,安全、设备简单、易推广等,其缺点在于光亮金属的红外线吸收能力较弱,加热速度慢,以及加热均匀性等问题。图10为使用后的效果。图9红外辐射加热示意图a)未使用红外加热b)使用红外加热图10使用红外加热的填充效果对比除了使用变模温的辅助方式以外,还有真空辅助注塑成型、注塑压缩成型、超声波辅助注塑成型等。其中,注塑压缩成型效果较好,但需要带有压缩功能的注塑机模块的支持;超声波辅助提升作用有限,需要对注塑机或模具进行复杂改造;真空辅助在不同文献的作用差别较大,起到反作用的原因通常认为真空抽气可能降低模具温度。含光微纳具有业界先进的聚合物微流控芯片量产解决方案,含光独有的模具加工工艺结合精密注塑成型,拥有多种注塑辅助技术,实现快速、精细、最小流道低至1μm的聚合物芯片大规模量产,显著降低了芯片的制造费用。
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