幅材超声波注模的制作方法

专利名称：幅材超声波注模的制作方法
技术领域：
本发明涉及超声波辅助模铸方法以及相关的装置。
背景技术：
模制品是众所周知的并且得到广泛的应用。其上具有精密结构的 模制品对于先成形、随后处理和操作的过程是一种挑战。通常，注模 微小精密结构是通过将熔化的材料注射到模具腔体中、给位于模具中 的熔化材料施以额外的热量、并为熔化材料提供附加的时间以流入模 具中的小腔体中而实现的。
国际公开WO 2005/082596中公开了一种微针模制方法，且国际公 开WO 2006/062974公开了可包含使用超声能的一种方法。美国专利 4，921,671中教导了一种将特征部件模制到挠性材料的连续幅材上的方 法，美国专利2,965,932披露了在上部和下部模具件之间的塑胶薄板片 上制作容器顶盖的一种方法，当一圈塑胶被喷射到所述薄板上时，上 部和下部模具结合在一起。将电磁感应用于模具的预热也是众所周知的。
发明的公开
本发明提供了将注模部分形成到载体幅材上的方法。所公开方法 的一些实施例包括将超声振动应用到半模之间引导的载体幅材上。本
7发明还提供了先处理然后操作模制部件的方法。此外，本公开提供幅 材上装置的模制阵列和制造模制装置的机器。
本发明方法包括
提供具有第一模具构件和可移动模具构件的注模设备，所述可移 动模具构件能够移向第一模具构件和从第一模具构件移开以便闭合模
具，其中在第一或者可移动模具构件的至少一个中具有模具腔体，其 含有纵横比至少为2:1的多个微结构特征；
当模具腔体闭合时将聚合物熔体注入其中；
使用超声焊头为模具腔体施加超声振动； 并且应用选自如下的至少一组处理参数
A. 定位载体幅材，以便当模具闭合时，使得载体幅材位于第一模
具构件和移动模具构件之间，幅材的一部分面向模具腔体且一部分位
于闭合的模具之外；
B. 通过电磁感应加热装置加热模具腔体；和/或
C. 通过电阻加热来加热模具腔体。
可以使用电磁感应(EMI)加热在注射模具腔体内部对微结构工具 实施快速、局部的加热。可以利用EMI对部件进行模制，与未使用EMI 制成的制品相比，小于5微米特征部件可以在相对较短的模制周期时 间(例如，少于10秒)内出色地复制模具图形并且模内应力显著降低 且所生产的模制品具有双折射率。
"微结构"是指在较大制品上具有至少一个尺寸(例如，长度、 宽度或者高度在lpm和lmm之间)的特征部件或者结构。例如，这类 特征部件可以是空腔、凹槽或者凸块(例如，聚合物圆盘(以下称之 为针床)上微针阵列中的微针)。
微针是微小的、锥状的微结构体，它是由制品的基部或者针床(例 如，微针状阵列盘形或者圆形基部)而形成的。微针是从基部到顶部伸长并呈锥状的，并且可以具有形如金字塔、圆锥体或者美国专利公
开2003/0045837和PCT公开WO 2007/075614等所公开的那些形状。 微针可以刺穿皮肤的角质层以便穿透皮肤协助治疗剂的透皮递送或者 液体采样。微针的高度一般小于lOOOpm,通常从基部到顶部是在 20-50(^m的范围内，或者25-250nm的范围内，并且纵横比可以在2:1 至ij6:l的范围内。
"纵横比"是指特征部件(例如微结构的特征部件，如微针)的
高度或者长度与这些特征部件的最宽的部分(例如针的基部，在此处 微针与作为微针阵列基部的针床相交)的宽度或直径之间的比率。在
带有多边形或者矩形基部的锥状微针这种情况中，用于得到纵横比的 最大基部尺寸应当是跨越基部而连接相对角的对角线。
"阵列"是指相互接近的表面上的两个或者多个制品或者特征部 件的排列，它可以遵照或者不遵照特定的几何次序。
"填充百分率"是聚合物熔体能够填充的单个微结构特征部件的 深度。例如，如果微针腔体的深度是25(Him并且聚合物填充它的深度 为125)im，填充百分比将为50%。
本发明方法中所使用的设备包括
注模设备，包括-第一模具构件；
移动模具构件，其能够移向和移离所述第一模具构件； 模具腔体，其位于第一模具构件内部并且面向所述移动模具构件;
幅材处理装置，其用于移动第一模具构件和移动模具表面之间的 幅材，以使得幅材的一部分面向模具腔体并且当第一和可移动模具构 件位于闭合位置时，幅材的一部分位于由它们所封闭的区域之外； 装置，其用于注射熔体进入模具腔体中；以及 超声波系统，其将超声波振动提供给模具腔体中的熔体；
9所述装置还包括选自以下部件的至少一个元件-
A. 幅材引导装置，每次移动模具构件移向第一模具构件以闭合模 具时，所述幅材引导装置沿着它的长度引导载体幅材到不同的位置；
B. 电磁感应加热器，其能够加热模具腔体内的模具插件和/或模具 腔体周围的金属；
C. 电阻加热装置。
定位装置，其能够将EMI加热器定位到足够接近模具腔体的位置 (如果EMI加热器已不在这样的位置，可以使用所述定位装置)以完 成这种加热。只要EMI加热器的位置能够足够接近以有效地加热模具 腔体，就可以使用其他结构。例如，可以在靠近模具腔体的位置上将 EMI加热器定位在第一模具构件内。在这种情况中，上述的定位装置 不是必需的。
相对于模具而言，术语"特征部件"是指模具腔体内的三维腔体、 凹槽、或者凹陷，模具腔体可以至少部分地定义即将模制的制品形状， 例如微针或者透镜。
模具的十分微小特征部件的填充是在动态模制温度循环的帮助下 完成的，动态模制温度循环控制热转换装置的使用以调整模制温度。 在动态模制温度循环中，首先将模具加热到将要注射的聚合物的软化 温度以上的温度(对于聚碳酸酯，高于149。C)。高模制温度有助于保 持较低的聚合物熔体粘度以利于填充模具特征部件和最小化粘弹性起 皮现象。在形成模制特征部件后，将模具冷却到软化点以下以帮助固 化熔融聚合物。PCT公开WO 2005/082596和美国专利5,376,317描述 了模制温度热循环方法。
模具加热和冷却的速率限制了动态模制温度循环的功效。高导热 材料(例如，铍铜合金)可以用于提高热转换，但是热转换的速率受 限于所使用的热转换介质的特性，例如油。术语"循环时间"是指从注模设备的关闭，同时载体幅材位于第 一和可移动模具构件之间，直到引导载体幅材，将模制的制品或者制 品从模具腔体区域移开并且为下一次模制循环而定位部分载体幅材的 时间。在每次模制循环过程中，循环时间应当足以允许模具腔体(包 括插件中的任何微腔体)基本上填充了熔融聚合物并且此后聚合物足 以在聚合物软化点之下进行冷却。
在本发明的方法中，作为模制循环的一部分的超声波使用和/或模
具部分EMI加热也有助于填充模具特征部件。聚合物熔体填充了模具 腔体后，将模具冷却到低于聚合物玻璃化转变温度的温度以允许模制 品从腔体脱模。与实施现有技术所采用的实际模制循环时间相比，本 发明处理中处理参数的组合能够縮短上述时间。本发明处理和设备使 得注模微结构制品(其特征是具有小于5nm的尺寸)具有较好的保真 性(即，十分微小的模具特征部件的良好再生产)和20秒或者更少的 模制循环时间。
为了最大化载体幅材上的模制部件密度，可以将本发明处理配置 为在载体幅材上的交错位置中对腔体进行成形。以下将要解释的这种 构思可以产生贴附于载体幅材的模制品阵列，其中模制品之间最近的 中心到中心、或者边缘到边缘距离比注模设备的模具腔体之间的中心 到中心、或者边缘到边缘的距离更近。


图1为根据本发明原则的模制系统的示意性侧视图2是位于闭合位置中的模具腔体的示意性剖视图，示出了在载 体幅材的第一侧面上模制的制品；
图3为模具腔体的示意性剖视图，示出了在载体幅材的第一侧面 和第二恻面上模制的特征部件；
图4为第一模具侧面和第二模具侧面的示意性透视图；图5是位于载体介质上的多个制品的俯视图； 图6是从图2的模具腔体推出的部分的侧视图； 图7为图4的模具侧面的示意性剖视图8示出了部分上巻的、其上具有多个模制品的载体幅材；
图9描绘了正在进一步处理的载体幅材上的部件；
图IO为载体幅材上的微针阵列的俯视图10a示出了微针阵列的针状体的细节部分；
图11是图10的微针阵列的剖视图12是图ll微针阵列的可选实施方案的剖视图13为注模设备喷嘴装置的示意图，该装置获取图5中的载体介
质上的模制品的排列；
图14为模具腔体的前视图，以分模线示出出口和溢流口；
图15是图14的模具腔体的局部截面图。
具体实施例方式
参见图l，示出了根据本公开实施例的注模系统10的示意图。在 所描述的实施例中，系统IO包括用于接收即将熔化的材料(例如，封 装在塑料中的塑性或者金属颗粒)的料斗12，为系统供电的电机14， 熔化和馈送材料的加热室16，第一模具构件18，以及内部安装了超声 焊头42的第二模具构件20。在描述的实施例中，第一模具构件18是 静止的(尽管它可以移动)并且第二模具构件20移向和移离第一模具 构件18。
模制系统10还包括幅材引导系统22。在描述的实施例中，幅材引 导系统包括进料辊24、吸收辊26、牵引棍32、以及位于进料辊24和 吸收辊26之间的多个导向辊25和30。引导系统22被构造为移动位于 第一半模(第一构件)18和第二模具侧面或者可移动模具构件20之间 的幅材34。在此，幅材34可互换地称为膜或者载体幅材。在描述相对 于载体幅材的位置或者移动时，幅材沿其长度移动的方向上的位置或 者移动称为"下幅材"，在相反方向(幅材展开的方向)上的位置或
12者移动称为"上幅材"。
尽管通常的注模系统不包含幅材引导系统，但应当指出的是，在
题为"制备微针阵列"的PCT公开第WO 2007/075806号中描述了一 种幅材通过模具的系统，该文献全文引入本文以供参考。设计幅材引 导系统以引导模具构件18和20之间的载体幅材34是本领域范围内的 技术。幅材引导系统是本领域已知的，它已由美国专利4,848,630和 5,470,300例证。
在第一模具构件18和幅材34之间示出了电磁感应加热器15。EMI 加热器是众所周知的，并且这种加热器具有包含电磁感应线圈的感应 线圈壳体19。感应加热器15附接到臂件17，臂件17附接到致动器(未 示出)以升高和降低感应加热器以及它靠近第一模具构件18的位置。 在本发明的成形过程的一个实施例中，EMI加热器置于紧临模具腔体 的位置(例如，在模具底片37 (见图2)的表面和感应线圈壳体19之 间的间隙X)-2mm)，以提供快速、局部的模具腔体和插件的表面加热。
电磁感应加热与动态模制温度循环(以上所讨论的)相结合地使用。 在具有微米或者纳米级特征部件的制品的注模中，聚合物熔体暴露在
表面的温度可以影响模制品的质量，并且动态模制温度循环与EMI加 热相结合作为一种方法，以快速升高每一次模制循环的表面温度。
EMI加热设备可从美国堪萨斯州维基塔的MSI自动化这样的公司 商购获得。典型的EMI加热器具有l-5KW的功率，并且提供用于表面 加热的25-450KHz范围内的输出频率。在本发明的开发过程中，使用 了具有以下特性的EMI设备大约2.54cm的直径，陶瓷壳体环绕的水 冷、铜感应线圈(大约3.18cm的直径且4.45cm长)，1500W的功率， 实际使用功率是700到1250W (取决于设置功率，其范围从1到10)， 120V， 13A以及25到50kHz的输出频率。在此所述系统的感应加热时 间的合理范围是6到12秒。开发本发明所采用设备中的环形模具腔体 33 (见图2)的直径大约是12.7mm。所用的EMI设备的直径大于所需
13要的直径。理想地，应使用较小的EMI加热器，其表面几乎与模具腔 体或者模具腔体横截面相一致。
对于使用1500W的EMI加热器，感应功率设置为最大功率容量的 50%左右，用于微针的成形插件达到121°到177。C之间的温度，这个 温度对于由聚碳酸酯来成形微针而言是有帮助的。因为EMI加热是集 中在模具腔体或者插件的表面上的，所以在填充模具腔体后可产生快 速的热耗散(例如，进入到周围金属体和热传导流体整体中)。通常， 在大约1.5到2mm范围内的电磁感应线圈壳体和模具底片表面之间的 间隙产生了几乎类似的温度分布(即，插件温度对比于感应线圈功率 设置的曲线)；然而，在更小的间隙10161im上，以同样的感应激发时 间(3-8秒)在成形插件中所产生的温度增加更高。
参见图2和3，更详细地示出和描述了模具腔体的实施例的剖视 图。在图2描绘的实施例中，模制品46只是位于载体幅材34的第一 侧面48上。在图3描绘的实施例中，模制特征部件50、 52位于载体 幅材34的第一侧面48和第二侧面44上。
用在注模过程中以产生模制品的聚合物可以包括多种根据不同特 性选择的聚合物，例如精确地再生产所需的模具腔体和插件图形的能 力、模制聚合物的强度和韧性、以及与预期使用的模制聚合物的相容 性。例如，某人可能选择能够形成相对刚硬和坚韧的微针的聚合物或 者共混聚合物或者配混物，这种微针用于抗弯和抗断。 一些有用的聚 合物材料具有在300'C条件下由ASTMD1238测定的高于5克每10 分钟、10克每10分钟、20克每10分钟的熔体流动指数以及1.2kg的 重量；大于100%的张力断裂伸长率(由ASTM测试D638(2.0in/min.)); 以及高于5ft-lb/inches的冲击强度(由ASTM D256测定，"Notched Izod" 23°C)。 一些可用的聚合物为聚苯硫化物、聚碳酸酯(例如，产自 麻萨诸塞州皮兹菲尔德的沙伯基础创新塑料(Sabic Innovative Plastics) 公司的Lexan HPS1R 树脂)、聚丙烯、乙縮醛、丙烯酸树脂、聚醚酰亚胺、聚对苯二甲酸丁二醇酯、聚对苯二甲酸乙二酯、以及这些聚合 物的混合物。
在将聚合物装填进入腔体过程中的模具腔体的金属表面温度取决 于所使用的聚合物。有利地，温度应足够高以产生低熔体粘度来提高 进入模具的微结构腔体的聚合物流速，但是不够高的温度会降解聚合
物。在装填过程中，使聚碳酸酯成形的典型的模制温度在60'C到200 "C或者12(TC到175t:的范围内，在模制的部件从模具脱模的过程中温 度在65"C到12(TC之间。温度可通过热转换装置来控制，例如靠近模 具腔体的电阻加热和/或紧临模具腔体的热转换流体(例如，处于一根 管子或者多根管子中)(例如，在60° -150°(:温度范围内的油或者在 27° -60匸温度范围内的水)。电阻加热的一种形式包括利用金属模制 插件(例如，图2中的插件38)产生电气连接并且使用插件本身作为 电阻加热器。在这种装置中，可用使用高电流、低电压变压器给电阻 加热器供电，例如大约40-150A和大约0.5-4V。还可通过其他己知的 装置加热模具腔体，例如辐射能，如红外能或者激光；或者出自热 风枪的热空气流。
特别参见图2，在第一模具构件18和可移动模具构件20之间示出 了载体幅材34。所描述的实施例中的载体幅材34是由聚碳酸酯膜构成 的，然而，应当理解的是，幅材34可用由许多其他不同的材料(例如， 金属箔、多孔的或者无孔的聚合物、织造的、非织造的或者针织的布 料复合材料等)来构成。对于此过程中的载体幅材，术语"复合材料" 是指包括多于一种原材料的幅材，例如由金属和聚合物共同制成的幅 材或者金属和聚合物膜、布料和聚合物，或者纸张和聚合物构成的多 层体。用于载体幅材的适合聚合物的实例有聚丙烯、聚碳酸酯、聚 乙稀、聚酰亚胺、聚酯。载体幅材厚度可在5到1250nm的范围内，或 者在25和500|Lmi之间，优选地小于250pm。
利用载体幅材，可少使用或者不使用直浇道和/或横浇道(在注模中较为普遍，但浪费昂贵的聚合物)。载体幅材不需要冷横浇道来处理从模具脱模后的模制部件。在可移动和第一模具构件之间的载体幅材还可以作为绝缘体，其抵抗来自模具腔体的热传递、帮助保持具有将聚合物熔体长时间维持在较低粘度的热量。
在所描述的实施例中，第一模具构件18包括连接到热歧管喷嘴35的注口 36，该注口将熔化的材料直接导入模具腔体33中。尽管注口36位于圆形腔体33的中心，但注口也可以位于其他位置，确定注口(或者多个注口)的位置是本领域的技术范围的技术。在所描述的实施例中，模具腔体33位于附接到第一构件18的模具底片37的内部。热歧管喷嘴35通过引脚的回縮产生作用，该引脚打开喷嘴的出口并释放聚合物熔体进入模具腔体中。插件38包括面向表面的腔体40，该腔体内部包括微腔体39 (例如，用于形成微针的腔体)。当插件位于模具腔体内部时，它被认为是腔体的一部分。用于制作注模微针(或者具有微结构的其他制品)的模具插件(有时称为压模)可以包含与微针阵列形状相反的电镀而成的镍模具(参见WO2005/082596,第6和9页)。通过将模具插件38更换成不同形状或者使之具有不同细节，带有插件38的模具结构使相同的模具腔体33能够用于成形很多不同的制品46。
在本发明处理中，通过移动可移动模具构件20与载体幅材34相接触，并利用注模机提供的足够的压力夹紧模具，可以闭合模具腔体33。然后，将聚合物熔体注入模具腔体中，并利用压力用熔体部分地填充模具腔体。将聚合物熔体注入模具腔体的部分可以是基于模具腔体内部达到的一个特定压力("填充压力")。在有限的时间(称为"保持时间")内持续施加填充压力(例如，在3.5到414兆帕(MPa)或者是34.5到138MPa的范围内)。103MPa以上的压力可以用来实现
模具微腔体的均匀填充。释放填充压力，在聚合物软化温度或者该温度以下将模具腔体内的材料冷却到脱模温度。然后，分离模具构件，
并将模制的制品从模具腔体中脱离。
16本发明处理的可用参数是60-360mm/sec的注射速度；3.5-207MPa的填充压力，优选地是103-138MPa; 0.5-10秒的保持时间；注射时的模制温度(对于聚碳酸酯)为49° -15(TC，优选地小于121°C;脱模时的模制温度(对于聚碳酸酯)为49° -138°C，优选地小于12rC。
在所描述的实施例中，注模设备的可移动模具构件20包括一种机构，该机构在熔化的材料位于模具腔体内部时施加辅助性能量给该熔化的材料。在所描述的实施例中，所述机构是的超声焊头42，它被构造用于产生超声振动能量。开发本发明中使用的超声焊头是固体的，但它可以是中空的。用于焊头的构造材料是本领域的范围内的技术，但典型是钛、铝或者钢。开发本发明所使用的焊头是钛。
在所描述的结构中，载体幅材34压贴到将超声振动引向幅材34的第二侧面44的焊头42。在注模过程(注模机正在从填充带有聚合物熔体的模具腔体切换到在腔体内部形成压力这段时间)中，可以在在速度-压力切换期间使用超声振动。
能量的频率可以在5，000-60,000Hz范围内，也可能在10，000-60，000Hz范围内，更典型地是在20，000Hz-60，000Hz范围内，或者在20，000-40,000Hz范围内。对于20，000Hz的频率，焊头42的峰峰振动振幅典型地小于127nm并可以小于51pm。振幅是焊头形状和激励输入的函数。已发现振幅在7.5和15pm范围内是有利的。通常使用电源(例如，在500到5000瓦特范围内)提供超声能以便为所需的频率供应电能。电能被馈送到将其转换成振动的转化器或者转导子，可以通过焊头对振动进行放大或者加强和传输。
传送给熔化的材料的能量使得材料进一步在模具腔体内流动。焊头将能量传输给聚合物熔体以便它更易于流入模具插件的微腔体内。相比于其他入口位置(例如，在腔体的边缘)，将腔体的中心定位为注口 36的优点是减少了施加超声振动所需要的瓦特数或者能量。这允许更多的模具腔体使用由一个单一电源(例如，5000W)提供超声能的 可能性。
模制品附贴于载体幅材受到超声振动的影响。例如，当使用聚碳 酸酯膜和聚碳酸酯熔体材料时，2.5-7.5pm的峰峰振幅提供了模制品和 载体幅材之间的微弱粘结；同时还给出了低于50%的填充百分率。在 7.5和15nm之间的振幅在模制品和载体幅材之间产生了良好的粘合强 度，同时提高了填充百分率(例如，>75%)。大于15nm的振幅给出 了更好的粘合强度和提高的填充百分率(例如，>85%)。在载体幅材 34上的模制品46形成后，将承载模制品的幅材34的那部分引导出模 具并且将幅材34的一个新部分引导进入面向模具腔体的位置。
特别参见图3，模制的特征部件50、 52均绘制在载体幅材34的第 一侧面48和第二侧面44上。所描绘的实施例包括分别位于第一模具 构件18和可移动模具构件20的注口 56、 54，并且焊头58包含在可移 动侧面20上。应当理解的是，很多可替代的注口和焊头构造也是可行 的。在所描述的实施例中，模具特征部件50具有穹顶横截面形状，且 模具特征部件52具有矩形横截面形状。而且，特征部件50， 52彼此 相对，并协同地构成了可用的装置(例如，光学透镜)。应当理解， 在替代的实施例中，载体幅材34两侧面上的特征部件50、 52在形状 和/或材料上可以相同或者不同。应当理解，在替代的实施例中，特征 部件50、 52不需要在载体幅材34上彼此相对。
在可替代的实施例中，载体幅材可以在其中包括冲孔或者一个或 多个隙缝或者孔洞，它们使得熔体从幅材的一个侧面流向幅材的另一 个侧面。载体幅材还可以具有足以允许模具排气的表面凹槽或者纹理。 一个人可以使用足够的注射压力以便通过载体幅材从注口将聚合物熔 体注入幅材相对面上的腔体中。根据这样的实施例，可以在幅材的两 个侧面上形成模具特征部件，而注口位于幅材的一个侧面上。还应当 理解，在替代实施例中，注口56、 54可以从很多其他方向将熔化的材料馈送进入模具腔体中(例如，顶部、底部、以及侧部)。
一些透镜在一个侧面上包含低纵横比的特征部件，而在另一侧面 上包含纵横比相对较高的特征部件。利用第一和可移动模具构件之间 的载体幅材，可以通过精压冲程将透镜的低纵横比侧面压印在面向可 移动模具构件的幅材的侧面上。在幅材的另一个侧面上，将聚合物熔 体注入模具腔体中，并且相同的精压冲程可以在压力作用下同时形成
透镜的浅部或者低纵横比部件和透镜的高纵横比侧面。通过使用作为 透镜一部分的载体幅材，可以将透镜传输到附接于载体幅材的下一个 制造工序。这就减少了处理过程和对透镜的损伤，例如刮痕，并且有 利于组装。压縮或者精压冲程允许模制薄透镜。在模制循环过程中使
用的超声振动可以增加细节的敏锐度，减少模制品内的压力，并且允 许模制更薄的透镜。
参见图4，以透视图的方式示出了第一和可移动模具构件18、 20。
所描述的实施例说明多个单独的模制品可以同时在载体幅材上进行模
制。在注模中可以有4个、8个或者甚至32个或者更多的腔体，在一 个单一的模制循环中模制尽可能多的制品是有利的。在所描述的实施 例中，模具侧面i8、 20被构造用于将8个单独的制品同时模制到载体 幅材34上。在一些实施例中，制品可用是相同的，然而在其他实施例 中它们可以是不同的。所描述的实施例进一步说明超声焊头60、 61的 正面可以环绕多个模具特征部件的事实。在所描述的实施例中，两个 圆面超声焊头位于可移动模具构件20上。应当理解，在替代的实施例
中，超声焊头可能位于模具侧面的一面或者两面上。
参见图5和13，示出了幅材载体34，其上具有多个模制品Xi和 X2。载体幅材34用作支撑结构，它允许将制品Xi和X2作为一个组进 行处理，无需实际地单独提取和放置这些制品。载体幅材34还具有使 制品X,和X2相互定向的功能。在 一 些实施例中，当制品X,和X2离开 了模具，就使用它们之间的横浇道保持制品的定向。在所描述的实施
19例中，制品X，和X2之间的最短的或者侧向距离大约是模具构件上相邻 模具腔体之间对角距离的一半。这可以在两个单独的步骤中通过对制 品X!和X2进行模制而实现。例如，可以在第一模制循环中对幅材载体
34上的制品^进行模制，然后可以通过模具将其上带有制品X,的幅 材载体引导到一个新位置以便将制品X2模制到幅材载体34上。在图5 中，箭头A表示载体幅材移动的方向，轮廓B表示第一模具构件18 的大致边界，通过距离S，将载体幅材从制品X,的模制循环引导到下
一个进行制品X2的模制循环的位置。
在图13中，35a表示类似歧管喷嘴35的歧管喷嘴位置，但用于将 聚合物熔体注入相邻行的下一行模制品中的模具腔体中，如图5所示。 间隙腔体，例如示于图13中的腔体或者偏置体41，可以被设计成模具 底片和第一模具构件，以允许模制品的密集定位或者嵌套以及允许更 有效地使用幅材载体。应当理解的是，幅材载体34上的很多其他类型 的排列也是可能的。通过设计带有偏置体的可移动模具构件20，可以 将相同的原理用于载体幅材的双侧面上的模制，所述偏置体与面向可 移动模具构件20的载体幅材侧面上的模制特征部件相适应。
图5示出的同一时刻模制的部件X2的交错或者偏置位置为一些必 需的元件提供空间，以支撑每一个模具腔体(例如注口、歧管喷嘴和 热转换装置，如水或者油流经的管道)。本发明开发经历表明载体幅 材上的模制品之间的最小间距可以小至5 mm 。
参见图6，它表示正在将模制品62从第一模具构件18上移除的侧 视图。在所描述的实施例中，在背离第一模具构件18的方向上给幅材 施加张力以便将模制品62拉出模具腔体。应当理解的是，超声振动可 以与张力一起使用以协助从模制腔体释放模制品62。尽管载体幅材使 模制品能够单独地借助幅材中的张力从模具中移除，而无需使用机械 脱模装置，例如脱模杆、提升机或者脱模板，但在替代实施例中，还 可以结合或者替代超声振动和载体幅材34中的张力来使用脱模杆或者
20提升机，以便从模具侧面18移除模制品62。在进一步的实施例中，可 以结合或者替代超声振动或者载体幅材34中的张力来使用空气压力或 者真空辅助压力，以便从第一模具构件18中移除模制品62。
参见图7，示出了图4的模具侧面的剖视图。第一模具侧面18是 静止侧面，热歧管滴件64、 66、 68、 70各自指向模具腔体71、 72、 73 以及74。第二模具侧面20被构造为移向和移离第一模具侧面18。在 所描述的实施例中，可移动模具构件20包括给熔体提供超声振动的超 声波系统。超声波系统包括连接到升压器76、 78的焊头60、 61，这些 升压器连接到转换器80、 81。超声焊头60和61为轴向定向的(超声 振动与输入激励同轴，即，沿着焊头的轴线进行振动)。焊头已经升 高了面向模具腔体的侧面上的垫片59 (例如，直径上大于模具腔体并 且高出焊头的圆形表面大约25(Him)，并且焊头与模具腔体周围的圆 环几乎一致并且在直径上大于该圆环。通过卡紧在节点凸缘或者环形 体75,并留出可移动构件的焊头和周围部件之间的间隙，可以将焊头 安装在可移动构件20的内部。
应当理解的是，所示的结构是示例结构。替代形式的结构可以包 括不同的内部组件或者相似组件的不同布局或者不同的超声振动方 向。例如，可以在径向上对焊头进行定向。尽管附图中的超声焊头绘 制在与可移动模具构件相同的一侧，但焊头或者多个焊头可能位于与 第一模具构件相同的一侧或者在其他位置；只要焊头位于或者定向在 可有效引导超声振动进入模具腔体中的聚合物熔体的位置即可。
参见图8和9,示出了操作和处理模制品的方法。特别地，图8 描绘了载体幅材34通过自身巻动来包装模制品的方法。在所描述的实 施例中，间隔体82用于保护模制品免受损伤，这种损伤可能源自与幅 材载体34的接触。在所描述的实施例中，可以将间隔体82本身模制 在载体幅材上。在替代的结构中，可以在模制过程中对载体幅材进行 热成形，以提供间隔体32。应当理解的是，替代实施例可以不包含间隔体，因为与载体幅材34相接处的配置不太可能导致模制品的损伤。 还应当理解的是，载体幅材34不需要通过自身巻动来进行包装和运输。 在替代实施例中，为了进行包装、运输、处理和操作，可以将载体幅 材34切削成多段并且一段堆叠在另一段之上。在其他替代实施例中， 为了进行包装、运输、处理和操作，可将载体幅材34自身折叠为扇状 物。
图9描绘了模制处理后的处理步骤中的载体幅材34，其上带有模 制品84。在所描述的实施例中，载体介质34提供了一种结构，利用该 结构形成了模制品62上的模具特征部件84。另外提供了在涂敷或者干 燥过程中处理模制特征部件的装置。例如，模制品通过位于涂液88的 槽上方的辊子86就可以被涂上覆层。模制品在引导载体幅材34经过 干燥装置92的辊子卯上通过就可以进行干燥处理。当位于载体介质 上时，还可以对模制品进行检查和消毒。
参见图10和11，更详细地示出和描述了模制品。描绘的实施例包 括具有顶面96和底面98的薄片94。所示的模制品100粘合到薄片94 的顶面96。在所描述的实施例中，薄片94是熔合到制品IOO的柔性聚 合物薄片(例如，聚碳酸酯)(例如，薄片和制品可以超声焊接在一 起)。尽管示出了一个单一制品100，但应当理解的是，可以在薄片 94上间隔开多个这类制品100。在所描述的实施例中，模制品100之 上包含微针阵列。特别地，模制品100之上包括微针阵列。在所描述 的实施例中，针状体的高度H在约25到5000微米之间，峰到峰距离 W (也称为间距)在约25到5000微米之间。
制品的较低部分用作基部，被称为针床，微针从该基部升起，针 床的厚度是距离L。针床厚度由模具插件(它具有限定微针的微结构) 和模具腔体深度之间的尺寸关系确定。本发明处理能够制造具有较薄
针床的制品(例如，L大约为25(Him或更小)。可由本方法制作的厚 度大约为50)tim的针床使得微针阵列对皮肤具有较好的适形能力。应当理解的是，很多其他制品也是可以的，包括其上不包含微结构的制品。
参见图12，示出了图IO和11的制品的替代实施例。在所描述的 实施例中，模制装置102未与薄片104熔合。在所描述的实施例中， 模制装置102和薄片104由不同材料构成并且以联锁的方式相连接。 例如，模制装置102可以包含聚合物的或者金属的结构并且薄片104 可以包含纸结构或金属结构(例如，金属箔)。装置102熔化到薄片 104上以便它们联锁。在替代实施例中装置102可以相互之间联锁(例 如，可能是模内组件)。在所描述的实施例中，薄片包括底切特征部 件，但应当理解的是，可替代的结构是可能的(例如，薄片可以包括 凸块，模制装置102围绕所述凸块进行模制，或者薄片的表面可以是 多孔的，例如纸)。在一些实施例中，装置102容易地从薄片104分 离是理想的，在其他实施例中，装置难以从薄片104分离是理想的。 几何结构可以根据装置和薄片104之间的所需的连接类型而变化。在 所描述得实施例中，将薄片本身压印在背面。在模制过程中，当模具 侧面18、 20挤压在一起时可以产生这种压印。在一些实施例中，使用 压印提供容易的方式以便在视觉上辨识装置102。在替代实施例中，载 体幅材包括在其上热成形而非压印而形成的形状。
图14和15示出了模具腔体，它可以利用溢流口对制品进行模制 (见WO2007/075806的第11页)以提高腔体内所有微小特征部件的填 充相似性。在使用溢流口时，注入腔室的聚合物熔体的量大于要求填 充腔体的量。过量的聚合物可以通过排放装置流出，例如通过模具溢 流门极IIO流入溢流沟槽111,从那里穿过第一喷口 113、第二排放环 115以及通向模具外部的喷口 116而排出。这些部件的尺寸是本领域范 围内的技术，但示例深度是溢流门极381nm;溢流沟槽762pm;第 一喷口 127pm;以及第二排放环和喷口 762pm。
在载体幅材上结合超声波和注模的本发明处理可以用少于已知处 理的模制循环时间进行操作。注模处理仅利用动态模制温度循环来制
23造微针的典型循环时间是60-80秒。数据已经表明，利用模制品和超声 振动之间的横浇道帮助填充模具腔体来制造微针的注模过程，所用的 循环时间是14.0秒。数据已经表明，使用无横浇道的载体幅材来制造 微针的本发明处理的循环时间是12.0秒，这是一个显著的提高。
本发明处理和设备的优点包括
1. 载体幅材的引导使得本处理在幅材的每单位面积上比其他可行 的处理能够放置更多数量的相对较小的模制品(即，更大的幅材模制 部件密度)。更有效地利用幅材面积可以使处理过程更加经济或者使 采用昂贵的幅材材料更加可行，例如印刷电路幅材。
2. 模制循环时间的减少，以上已经讨论。
3. 对制品进行模制的能力，例如微针阵列，相比于以往由注模方 法制造的制品，在非常短的模制循环内具有更薄的针床部分。在使用 某种类型设备的接种或者注射应用中，更薄的微针阵列具有优势，在 该类设备中需要轻质量微针。
4. 当模制机关闭时，超声焊头必须自由振动，并且在焊头周围具 有一定的间距(例如，在25-5(Him范围内)(在焊头和在其中安装或 者装配焊头的周围部件之间)以允许它振动。当焊头或者多个焊头在 可移动模具构件内位于图2-4以及图7所示的位置时，可移动和第一模
具构件之间的载体幅材可以用作密封模具腔体但允许焊头振动的垫 圈。载体幅材可以防止熔化的聚合物泄漏进入焊头周围的间隔空间中 并产生模具毛刺。超声焊头周围具有足够的间隙以使它在注模条件下
进行振动，以及需要避免空间太大以使聚合物熔体或者载体幅材流入 间隙，这两者之间存在一种平衡。这种平衡可以由本领域的技术人员 所确定，在此所给出的信息以及本说明中陈述的尺寸对于这种平衡而 言是适合的。
5. 相比于已知的方法，提高了较短的循环时间内的填充百分比。
6. 相比于已知的方法，提高了均匀度百分比(填充整个阵列上的 微结构特征部件的程度)。例如，在一个单一模具腔体中模制多个微 针时，距离模具腔体门极(在此位置上聚合物熔体进入腔体)最深处的微针通常最难制作，也就是说，聚合物熔体难以到达并填充。本发 明方法能够填充这些微针。
7.幅材上微针或者其他制品的注模有助于后续的处理。在普通的
注模处理中，从模制设备脱模的模制品被投入一个容器，可以将它们 从该容器中取出(例如，通过机器手)以用于后续的步骤。在本发明 的方法中，可以在载体幅材上将模制微针传输至下一个步骤，例如微 针的涂敷。对载体幅材上模制品的排列对后续步骤的设计是有利的。
载体幅材上的注模不一定能够成功地与超声波的使用相结合以提 高模制处理。存在某种担心，即载体幅材不能经受注模压力、温度变 化以及超声能的冲击这些处理条件。本发明方法和设备已经消除了这
种担心。
下面的实例是示意性的，不应当理解为以任何方式限制本发明。 实例
使用8个中心门控热横浇道模具，在293t:条件下传送熔化的聚碳
酸酯树脂到包含插件的圆形模具腔体，该插件具有用于高度为25(Him 针状体的1288个微腔体，其纵横比大约为3，间距(W)为275pm以及5^im 半径的顶部，在圆形针床或者直径约为1.4cm的圆盘上进行模制。使 用气动线性致动器将一个1500W的外置EMI加热器置于注射模具的第 一和可移动构件之间，实验是在使用和不使用EMI加热的条件下进行 的。利用感应线圈壳体的端部和模具底片表面的平面之间的lmm间隙， 在3到8秒的周期范围内施加电磁感应。使用热歧管系统将聚合物熔 体经由热横浇道馈送到模具腔体。在第一和可移动模具构件之间引导 聚碳酸酯载体幅材。
用于电磁感应加热器的线性致动器的垂直运动由工作在压縮空气 (689kPa)环境下的双向螺线管阀门来驱动，并且利用IOO吨的注模机的 机器接合进行致动。实验步骤如下-
251. EMI加热器根据模具腔体的位置精确放置，并且已经开机。
2. EMI加热器返回到第一和可移动模具构件之间的空间外侧的起 始位置。
3. 通过将可移动构件移至第一模具构件以关闭模具，载体幅材位 于可移动和第一构件之间，并且将聚合物熔体注入模具腔体中。
4. 通过圆柱形的、轴向定向的焊头以20KHz的频率施加超声能。
5. 可移动模具构件从第一模具构件向后移动，借助于载体幅材的 张力将模制品从模具腔体脱离，接着引导幅材以便为下一次塑料喷射 作准备。
在EMI加热的腔体中制造的注模制品的保真性示于下表中。所记 录的每项处理条件都产生了 IO个复制品。
感应激活时间微针高度均匀度百分比填充百分比
3sec,230(im (+/-) 10nm60%100%
5 scc.240拜(+/-) IO拜90%100%
8 scc.250阿(+/-) 5nm100%100%
可以相信，由于将EMI用于本发明处理，聚合物熔体和模具腔体 表面之间的温度差减小(相比于已知的技术)，所制得的模制品不会 出现如常规处理中模制的部件那样的收縮程度。在表示各向异性的45 °正交偏振器下观察时，不使用EMI条件下制造的制品呈现了干涉图 案；然而，采用上述EMI而制造的微针阵列在偏振光条件下呈现出完 全不同的图案，该图案表明各向异性的减少。在使用EMI的条件下， 由于收縮而产生的模内压力得到缓解。
以上说明、实例、以及数据提供了本发明制造和使用的完整描述。 可以在不偏离本发明精神和范围的前提下制备本发明的很多附加的实 施例。例如，采用堆叠模具结构实施本发明。
2权利要求
1.一种注模方法，包括提供具有第一模具构件和至少一个可移动模具构件的注模设备，所述可移动模具构件能够移向所述第一模具构件和从所述第一模具构件移开以便闭合模具，其中在所述第一或者可移动模具构件的至少一个中具有模具腔体，其含有纵横比至少为2∶1的多个微结构特征部件；当所述模具腔体闭合时将聚合物熔体注入其中；使用超声焊头为所述模具腔体施加超声波振动；并且应用选自如下的至少一组处理参数A.定位载体幅材，以便当所述模具闭合时，载体幅材位于所述第一模具构件和移动模具构件之间，所述幅材的一部分面向所述模具腔体且其一部分位于闭合模具之外；B.通过电磁感应加热装置加热所述模具腔体；和/或C.通过电阻加热来加热所述模具腔体。
2. 根据权利要求l所述的方法，其中同时使用参数A和B。
3. 根据权利要求l所述的方法，其中对于一次模制循环，载体幅材的第一部分定位为面向所述模具腔体，且所述第一部分的幅材之上的载体幅材的第二部分不面向所述模具腔体；且该方法进一步包括引 导载体幅材到下一个位置，在此位置上所述第一部分是所述模具腔体 的下部幅材并且所述第二部分面向所述模具腔体以用于下一次模制循 环。
4. 根据权利要求1的方法，其中将熔体从所述模具腔体的第一侧 面注入模具腔体中，并且从所述模具腔体的第二侧面施加超声振动。
5. 根据权利要求4所述的方法，其中所述超声振动施加到面向所 述模具腔体的载体介质上。
6. 根据权利要求l所述的方法，其还包括利用载体幅材将模制品 从模具腔体中移除，而不使用机械脱模装置，例如脱模杆、提升机或 者脱模板。
7. 根据权利要求l所述的方法，其中所述模具腔体被构造用于模 制微针。
8. 根据权利要求4所述的方法，其中所述模具的第一侧面包括多 个模具腔体。
9. 根据权利要求8所述的方法，其中将熔体注入模具腔体的步骤 包括从歧管将熔体注入所述多个模具腔体中。
10. 根据权利要求1所述的方法，其中所述载体介质包括选自聚 合物膜、金属箔、织造的或非织造的布料、纸张以及由金属和聚合物、 布料和聚合物或者纸张和聚合物构成的复合幅材的材料。
11. 根据权利要求1所述的方法，其中所述载体介质具有例如底 切或者凸块的特征部件，它们与将要模制的制品互锁。
12. 根据权利要求1所述的方法，其中载体幅材具有在注模过程 中有效提供排放功能的孔洞、冲孔、隙缝、凹槽和/或表面纹理。
13. 根据权利要求1所述的方法，其中注口位于所述模具腔体的 一个侧面的中心。
14. 根据权利要求1所述的方法，其中注入的聚合物熔体的量大 于填充所述模具腔体所需要的量，并且过量的聚合物通过排放装置流 出腔体。
15. —种注模的方法，包括提供具有第一模具构件和可移动模具构件的注模设备，所述可移 动模具构件能够移向所述第一模具构件和从所述第一模具构件移开以 便闭合模具，其中在所述第一以及可移动模具构件中都具有模具腔体；定位载体幅材，以便当模具闭合时，载体幅材位于所述第一模具 构件和移动模具构件之间，所述幅材的一部分面向所述模具腔体且一 部分位于闭合的模具之外；当模具闭合时，在所述载体幅材的两个侧面将聚合物熔体注入模具腔体中；并且通过超声焊头将超声振动施加到至少一个模具腔体。
16. 根据权利要求15所述的方法，其中在两个模具腔体中都具有 模具特征部件，并且所述两个模具腔体中的一个具有纵横比低于另一 个模具腔体的特征部件的特征部件。
17. 根据权利要求16所述的方法，其中所述两个模具腔体的特征 部件彼此相对，从而它们在所产生的模制品中形成一个透镜或者多个 透镜。
18. —种注模设备，包括 第一模具构件；移动模具构件，该移动模具构件能够移向和移离所述第一模具构件；模具腔体，该模具腔体位于所述第一模具构件内并且面向所述移 动模具构件；幅材处理装置，该幅材处理装置用于移动所述第一模具构件和移 动模具构件之间的载体幅材，以使得当所述第一和移动模具构件位于 闭合位置时，所述载体幅材的一部分面向所述模具腔体，并且所述载 体幅材的一部分位于由所述第一和移动模具构件所封闭的区域之外；用于将熔体注入所述模具腔体中的装置；以及 超声波系统，该超声波系统用于将超声波振动提供给所述模具腔 体中的熔体；该注模设备还包括选自以下选项的至少一个元件A. 幅材引导装置，每次所述移动模具构件移向第一模具构件以闭 合模具时，所述幅材引导装置引导所述载体幅材沿着它的长度到不同 的位置；B. 电磁感应加热器，该电磁感应加热器能够加热模具腔体内的模 具插件和Z或模具腔体周围的金属；以及C. 电阻加热装置。
19. 根据权利要求18所述的设备，其中所述超声波系统包括谐振 焊头、超声波转换器以及升压器。
20. 根据权利要求18所述的设备，还包括位于所述模具腔体内的 金属插件，并且其中所述插件用作电阻加热器。
21. 根据权利要求18所述的设备，其中所述第一模具构件具有偏 置体或者凹槽，当已经在载体幅材上模制的制品位于处于闭合位置的 所述第一和可移动模具构件的边缘之内时，所述偏置体或者凹槽允许 进行注模，以避免这类制品受到损伤。
22. 根据权利要求21所述的设备，其中所述可移动模具构件也具 有偏置体或者凹槽，当已经在载体幅材的一个侧面上模制的制品位于 处于闭合位置的所述第一和可移动模具构件的边缘之内时，所述偏置 体或者凹槽允许在载体幅材的所述侧面上进行注模，以避免这类制品 受到损伤。
23. —种在具有至少两个模具腔体的注模设备中制造的制品，所 述制品包括载体幅材和贴附到所述载体幅材的模制品阵列的组合，所 述模制品的特征在于具有纵横比至少为2:1的微结构特征部件，并且在所述阵列中模制品之间最近的中心到中心、或者边缘到边缘距离比模 具腔体之间的中心到中心、或者边缘到边缘距离更近。
24. —种微针阵列，其由聚合物材料制成，所述微针阵列包括位 于针床上的多个微针，所述微针具有20到1000微米的高度和大于2:1 的纵横比，所述针床的厚度不大于250微米。
全文摘要
载体幅材(34)上的注模部件位于半模(18，20)之间。通过将超声能施加到模具腔体上以帮助聚合物熔体流入模具。在模制操作之后，半模分离，并推动或者引导载体幅材到下一个位置以用于另一个模制序列。模制设备包括移动模具表面(20)，该表面能够移向并移离第一模具构件(18)(它可以是静止的)，模具腔体位于其所述第一模具构件中、用于移动和/或引导位于第一模具构件和移动模具表面之间的装置(24，25，26，30，32)、将聚合物熔体注入模具腔体中的装置(16)、以及为模具腔体提供超声能的超声波系统(42)。载体幅材可以将模制部件传输到后续的处理步骤，例如涂层、烘干、检测、固化、组装或者包装。
文档编号B29C45/56GK101678584SQ200880021143
公开日2010年3月24日 申请日期2008年6月18日 优先权日2007年6月20日
发明者丹尼尔·H·卡尔森, 丹尼斯·E·弗格森, 唐纳德·L·泊察尔特, 彼得·T·本松, 斯坦利·伦登, 萨蒂德尔·K·纳亚尔, 詹姆斯·N·多布斯 申请人:3M创新有限公司