专利名称：一种超声振动与抽真空集成的微注塑模具及成型方法
技术领域：
本发明属于微注塑成型及其模具技术研究领域，涉及一种将超声振动和抽真空排气集成应用的微型塑件注塑模具设计及其成型工艺方法。
背景技术：
近年来，MEMS技术的快速发展，对微型塑件的数量需求在日益增长，质量要求也在不断提高。但微型塑件成型中因其尺度效应所导致的各种缺陷，一直是困扰微注塑成型及其模具技术发展和微型塑件在各领域应用的关键问题。如在生物医疗、光学、通讯及航空航天等领域广泛应用的生物微针阵列、微流控芯片、细胞培养皿、导光板、光纤连接器、微陀螺等微型制品，因其整体或局部结构尺寸微小，微注塑成型中经常发生因熔体充模流动阻力及粘度增大而使微型塑件填充不完整、熔接痕明显，或是微模具型腔中的气体无法顺利排出而发生微型塑件局部烧伤变黑及内部气孔等质量缺陷，严重影响微型塑件的成型质量和实际应用。因此，探索提高微尺度下聚合物熔体充模流动性能，消除微型塑件成型缺陷， 提升微型塑件质量性能的有效方法，是微注塑成型及其模具技术研究中亟待解决的首要问题。针对微型塑件注塑成型中的质量缺陷，人们虽采取了各种手段，但都存有一定的局限，难以取得理想效果。如有的研究者为解决微注塑充模流动中的熔体流动性问题，开发出了各种模具变温系统，虽在一定程度上改善了熔体流动性能，但在实际应用中极为不便；也有研究者将抽真空应用于微注塑成型，改善微型腔排气效果，这对提高聚合物熔体的充模流动性能具有积极作用。还有研究者将超声振动应用于微注塑成型的熔体塑化过程， 以改善熔体的塑化质量。但同时将超声振动和抽真空排气两种方法集成应用于同一微注塑模具中，使其在注塑成型过程中模具合模后先对微型腔实施抽真空排气，并形成一定的负压，以减小流道及型腔内的气体对熔体的充模流动阻力；而后又在注射熔体时开始对聚合物熔体直接施加超声振动，借助超声能量来激活聚合物分子的内在活动能力，减小分子间的相互作用力，进而降低熔体粘度，提高充模流动性能的做法，目前还未见有研究和应用报道。本发明在集成超声振动和抽真空排气系统基础上，还实现了集成系统和注塑机的自动控制。这对提高微型塑件的成型质量，实现微注塑成型过程的自动化控制，促进微注塑成型及其模具技术的发展，都具有重要的研究意义和实际应用价值。
发明内容
本发明要解决的技术问题是针对微注塑成型过程中的熔体充模流动困难、微型腔排气不畅和微型塑件填充不满、烧伤变黑和内部气泡等质量缺陷，提供一种集超声振动和抽真空排气与微注塑模具于一体的微注塑成型系统，以及实现集成系统与注塑机之间协调联动的自动控制方法。本发明的技术方案如下一种超声振动与抽真空集成的微注塑模具，其动模型腔镶块上在靠近浇口位置的型腔底面加工超声振子配合孔，且振子端面构成型腔表面的一部分，可使超声振动直接作用于型腔中的聚合物熔体；超声振子由其自身的法兰结构通过螺钉固定安装在动模垫板上，法兰和动模垫板结合面之间设有垫片。超声振子的信号线通过推板及推杆固定板上的通孔与动模固定板和支撑钉所形成的空间引出，并与超声波发生器相连接组成超声振动系统。微注塑模具的定模板分型面上开设有能够包围动、定模镶块的环形凹槽，槽中装有密封圈，保证合模后能将整个型腔完全封闭起来；同时，在模具浇口套、推杆、拉料杆及超声振子的端部安装密封圈，以保证抽真空的效果；在动模板上开设抽真空排气孔，其一端与型腔连通，另一端与动模板侧面的管接头相连，再由软胶管与真空泵相接组成抽真空排气系统。为了实现装有超声振动系统、抽真空排气系统的微注塑模具和注塑机的一体化自动控制。本发明设计了基于PLC(可编程控制器)的自动控制电路。注塑机的安全门开关量输出点、注射成型启动开关量输出点、保压结束开关量输出点分别与控制器中各自的输入继电器相连，上述输入继电器的常开开关分别与PLC相连，PLC与控制真空泵和超声波发生器的输出继电器相连。输出继电器的常开开关又分别与真空泵和超声波发生器相连。由此组成超声振动、抽真空排气集成系统和注塑机之间的自动控制回路。带有超声振动和抽真空排气功能的微注塑模具集成系统与注塑机的微注塑成型方法如下在关闭注塑机安全门且模具闭合时，安全门开关量输出点同时输出信号启动真空泵，并在注塑机注射熔体之前，迅速进行抽真空使型腔出现负压。在注塑机开始注射熔体时，注塑机注射启动开关量输出点同时输出信号启动超声波发生器，使超声振子开始工作。 超声振子端面直接在型腔内对熔体施加超声振动，其作用阶段包括整个注射和保压过程。 保压结束时，注塑机保压结束开关量输出点输出信号，使超声波发生器和真空泵停止工作。 随后进入冷却阶段，冷却结束后，模具开模并取出塑件。超声波发生器输出功率为35 350W。超声振子工作频率为23 27KHz。塑件在成型过程中需经历以下几个阶段合模、 抽真空排气、注射熔体、超声振动、保压、停止超声振动与抽真空、冷却、开模、推出塑件。抽真空排气和超声振动对高聚物填充流动的作用原理是在微注塑成型中，模具闭合后即开始对微型腔实施抽真空排气，使封闭的模具型腔迅速排空气体并形成一定的负压，在聚合物熔体开始注入型腔的同时，超声振子便直接对进入型腔的熔体施加超声振动， 从而使聚合物熔体在型腔负压和超声振动的双重作用下，实现对模具型腔及其微细结构的完满填充；其中抽真空排气的作用是消除熔体流动时的外部环境阻力，而超声振动则是借助外场能量来激活流动中的聚合物大分子的内在活动能力，增加熔体内部的自由体积，减少大分子链间的相互作用力，进而降低熔体粘度，提高其充模流动性能。从而可实现微注塑成型中不需较高的注塑工艺参数，即可保证微模具型腔的完满填充和微塑件的成型质量。微注塑模具和超声振动系统的一体化自动控制的实现原理是通过有效利用注塑机内部的注射成型过程中的实时控制信号(安全门开关量信号、注射成型启动开关量信号和保压结束开关量信号)，作为模具的抽真空系统和超声振动系统开始与结束的控制信号； 通过合理使用PLC及输入、输出继电器等元器件，以及编制PC控制程序来对抽真空系统和超声振动系统进行精确自动控制。同时还可实现超声振动在射成型过程中的分段作用。从而实现微型塑件的自动化生产。本发明的有益效果如下
I.通过将超声振动系统和抽真空排气系统有效集成于同一微注塑模具中，可从减小熔体充模流动时的外部阻力和增强熔体内部大分子的活动能力两方面，来最大限度地提高熔体充模流动性，保证微注塑模具型腔的完满填充和微型塑件的成型质量。2.将超声振动和抽真空排气有效集成应用于微型塑件注塑成型过程，可以避免目前在微注塑成型中使用极限注塑成型压力和温度等工艺条件，降低对注塑机能力的要求， 节约能源和成本。3.集成的超声振动和抽真空排气系统稍加改变，即可应用到不同微型塑件的微注塑成型，降低微型模具制和微注塑成型生产的成本。4.利用注塑机内部注射成型过程的实时控制信号，通过外接PLC编程控制器，实现注塑机、超声振动系统和抽真空排气系统的一体化自动控制，提高了微注塑成型过程的自动化程度和生产效率。
图I是微注塑模具装配示意图。图2是抽真空排气系统示意图。图3是抽真空排气系统局部放大图。图4是集成系统自动控制原理图。图5(a)是在熔体温度为210°C时，分别在常规条件(A)、抽真空(B)、抽真空+超声振动(C)条件下的塑件微结构部分填充高度结果比较曲线图。图5(b)是在熔体温度为220°C时，分别在常规条件(A)、抽真空(B)、抽真空+超声振动(C)条件下的塑件微结构部分填充高度结果比较曲线图。图5(c)是在熔体温度为230°C时，分别在常规条件(A)、抽真空(B)、抽真空+超声振动(C)条件下的塑件微结构部分填充高度结果比较曲线图。图5(d)是在熔体温度为240°C时，分别在常规条件㈧、抽真空⑶、抽真空+超声振动(C)条件下的塑件微结构部分填充高度结果比较曲线图。图中1浇口套定位圈；2浇口套；3内六角螺钉；4局部镶块；5定模版；6定模镶块；7密封圈；8动模镶块；9管接头；10真空泵；11垫片；12内六角螺钉；13超声振子；14导线；15超声发生器；16动模固定板；17支撑钉；18推板；19推板固定板；20 推杆；21动模垫板；22动模板；23拉料杆；24 O型密封圈；25喷嘴；26真空表；27 PC; 28 O型密封圈；29 O型密封圈；30 O型密封圈；31 PLC ;32输出继电器；33输出继电器； 34输入继电器；35输入继电器；36输入继电器；37注射机；38微注塑模具；39内六角螺钉。
具体实施例方式局部镶块4与整体定模镶块6通过螺钉3联接固定安装于定模板5上，动模镶块 8在靠近浇口位置的型腔底面加工了安装超声振子13的配合孔；超声振子13利用其自身的法兰结构通过螺钉12固定安装在动模垫板21上，法兰和动模垫板21结合面之间设有垫片11。超声振子13的信号导线14通过推板18、推板固定板19上的通孔与动模固定板16 和支撑钉17所形成的空间引出，并与超声波发生器15相连，组成超声振动系统。定模板5的分型面上开设有环形凹槽，并在其中安设密封圈7，同时在浇口套2、推杆20、拉料杆23及超声振子13的相应位置也都安装有密封圈24，28，29，30 ;动模镶块8的型腔边缘开设有排气槽，并与动模板22上的抽真空排气孔相通，抽真空排气孔另一端与管接头9相连，再由软胶管与真空泵10相连组成抽真空排气系统。注塑机37的安全门开关量输出点、注射成型启动开关量输出点、保压结束开关量输出点别与输入继电器36，35，34相连；同时，输入继电器36，35，34的常开开关与PLC 31 相连。PLC 31与控制真空泵10和超声波发生器15的输出继电器32，33相连；输出继电器 32，33的常开开关分别与真空泵10和超声波发生器15相连。模具38合模，注塑机37的安全门开关量输出点输出信号，输入继电器36通电，由PCL 31实现输出继电器32通电,控制真空泵10启动，真空度值由真空表26显示。在喷嘴25开始注射时，注塑机37注射启动开关量输出点输出信号，输入继电器35通电，由PCL 31实现输出继电器33通电,控制超声波发生器15启动，超声振子13开始振动。保压结束时，注塑机37保压结束开关量输出点输出信号，输入继电器34通电，由PLC 31实现输出继电器32，33断电，控制超声波发生器15 和真空泵10同时停止工作，经过冷却阶段后，模具开模取件。实施例I在熔体温度为210°C、模具温度为65°C时，进行微圆柱阵列塑件注射成型；不加抽真空和超声振动时，微圆柱的填充高度为174 μ m ;施加抽真空但不加超声振动时，微圆柱的填充高度为183 μ m;增加了 9μπι;施加超声振动和抽真空后，微圆柱的填充高度增加到213 μ m ;增加了 30 μ m。实施例2在熔体温度为240°C，模具温度80°C时，注塑成型微圆柱阵列塑件，测得不加抽真空和超声振动时,微圆柱填充高度达到276 μ m ;将熔体温度降低为230°C，模具温度仍为80°C时，进行抽真空排气注塑成型，但未加超声振动，测得的微圆柱填充高度仍为276 μ m ;当熔体温度仍维持为230°C，模具温度降至75°C时，进行超声振动和抽真空排气同时作用，测得的微圆柱的填充高度仍可达到276 μ m。
权利要求
1.一种超声振动与抽真空集成的微注塑模具，其特征在于在动模型腔镶块上靠近浇口位置的型腔底面加工超声振子配合孔；超声振子由其自身的法兰结构通过螺钉固定安装在动模垫板上，法兰和动模垫板结合面之间设有垫片；超声振子的信号线通过推板及推杆固定板上的通孔与动模固定板和支撑钉所形成的空间引出，并与超声波发生器相连接组成超声振动系统；微注塑模具的定模板分型面上开设有能够包围动、定模镶块的环形凹槽，槽中装有密封圈，保证合模后能将整个型腔完全封闭起来；同时，在模具浇口套、推杆、拉料杆及超声振子的相应位置安装密封圈；在动模板上开设抽真空排气孔，其一端与型腔连通，另一端与动模板侧面的管接头相连，再由软胶管与真空泵相接组成抽真空排气系统。
2.利用权利要求I所述微注塑模具的成型方法，包括合模、抽真空排气、注射熔体、超声振动、保压、停止超声振动与抽真空、冷却、开模、推出塑件；其特征在于，在关闭注塑机安全门且模具闭合时，安全门开关量输出点同时输出信号启动真空泵， 并在注塑机注射熔体之前,迅速进行抽真空使型腔出现负压；在注塑机开始注射熔体时,注塑机注射启动开关量输出点同时输出信号启动超声波发生器，使超声振子开始工作；超声振子端面直接在型腔内对熔体施加超声振动，其作用阶段包括整个注射和保压过程；保压结束时，注塑机保压结束开关量输出点输出信号，使超声波发生器和真空泵停止工作；随后进入冷却阶段，冷却结束后，模具开模并取出塑件；超声波发生器输出功率为35 350W ;超声振子工作频率为23 27KHz。
全文摘要
一种超声振动与抽真空集成的微注塑模具及其成型方法，属于微注塑成型技术领域。模具采用了可更换成型微结构镶块的镶嵌结构，超声振子端面加工成型腔的一部分，可对熔体直接施加超声振动。注射成型时，利用注塑机内部实时信号来控制超声振动系统和抽真空系统的启动和停止，所用超声振动频率23～27KHz，输入功率35～350W。抽真空系统真空度-1MPa。本发明不仅将超声振动和抽真空排气有效集成应用于微型塑件注塑成型过程，避免目前在微注塑成型中使用极限注塑成型压力和温度等工艺条件，降低对注塑机能力的要求，节约能源和成本，还实现了注塑机、超声振动系统和抽真空排气系统的一体化自动控制，提高了微注塑成型过程的自动化程度和生产效率。
文档编号B29C45/34GK102601936SQ20121005274
公开日2012年7月25日 申请日期2012年3月1日 优先权日2012年3月1日
发明者于同敏, 包成, 祝思龙, 黄晓超 申请人:大连理工大学