一种微纳器件超声塑化注射成型装置的制作方法

本实用新型涉及一种注射成型装置，具体的说，涉及了一种微纳器件超声塑化注射成型装置。

背景技术：

微机电系统的发展需要大量微纳器件，这为微纳器件提供广阔的应用需求和市场规模。微注塑成型是聚合物微纳器件制造的主要技术之一，由于微纳器件尺寸较小、结构复杂、注塑流道小，注塑成型中存在充模阻力大、充填不均匀、材料浪费和成型质量差等问题。目前微注塑成型机主要是在常规注塑机的基础上改变模具系统或设计而成，也存在以下问题：(1)微注塑成型机整体尺寸较大，模具流道尺寸较长，与所成型微纳器件结构尺寸不匹配，聚合物材料浪费严重，能耗较大；(2)存在微流道效应，充填不均匀，微纳器件成型质量差。

为了解决微纳器件成形过程中存在微流道效应和成型质量较差等问题，可采用高注射速度、高注射压力、抽真空处理和变模温等方法，但存在增加成型周期和模具变形大等问题。

为了解决以上存在的问题，人们一直在寻求一种理想的技术解决方案。

技术实现要素：

本实用新型的目的是针对现有技术的不足，从而提供了一种微纳器件超声塑化注射成型装置。

为了实现上述目的，本实用新型所采用的技术方案是：一种微纳器件超声塑化注射成型装置，其包括基座以及设置在所述基座上的注射结构和成模结构，所述注射结构包括超声换能器和用于驱动所述超声换能器实现上下进给的注射驱动单元，所述超声换能器用于熔融聚合物颗粒并向所述成模结构内注射熔融聚合物；所述成模结构包括模具单元和合模单元，所述合模单元用于进行模具单元的闭模、合模及开模；所述模具单元包括内置有上型芯的上模具和内置有下型芯的下模具，所述上型芯和所述下型芯配合形成成模型腔，以将熔融聚合物保压成型。

基于上述，所述注射驱动单元包括设置在所述基座上的导轨、第一滚珠丝杠和第一伺服电机，所述导轨上套设有第一导轨座，所述第一导轨座上固设有注射支架，所述超声换能器固定在所述注射支架上；所述第一滚珠丝杠上套设有第一滑块，所述第一滑块固接所述注射支架；所述第一伺服电机驱动所述第一滚珠丝杠旋转，所述第一滑块随所述第一滚珠丝杠的旋转做直线往复运动，所述注射支架和所述超声换能器跟随所述第一滑块的直线往复运动实现上下进给。

基于上述，所述超声换能器包括压电振子、变幅杆和超声工具头，所述压电振子包括后盖板、压电陶瓷片、前盖板、预紧螺栓和弹簧垫片，由所述预紧螺栓和所述弹簧垫片将所述后盖板、所述压电陶瓷片和所述前盖板固接，所述前盖板通过法兰固定在所述注射支架上；所述变幅杆的一端与所述前盖板一体成型，所述变幅杆的另一端固定连接有所述超声工具头。

基于上述，所述合模单元包括动模板、用于驱动所述动模板往复运动的动模板驱动结构、平行于所述动模板固定在所述基座上的静模板以及贯穿设置在所述动模板和所述静模板之间的导向柱，所述动模板驱动结构包括设置在所述基座上的第二滚珠丝杠和第二伺服电机，所述导轨上套设有第二导轨座，所述第二导轨座上固设有动模板，所述第二滚珠丝杠上套设有第二滑块，所述第二滑块固接所述动模板；所述上模具固装在所述动模板上，所述下模具固装在所述静模板上部，所述上模具上设置有定位块，所述下模具上对应所述定位块设置有定位孔，所述导向柱、所述定位块和所述定位孔共同配合实现合模与开模的导向。

基于上述，所述上模具还包括进料孔以及用于连通所述进料孔和所述上型芯的塑化腔，所述塑化腔的结构与所述超声换能器的超声工具头相适配。

基于上述，所述上型芯包括与所述塑化腔连通的主流道、与所述主流道相通的至少一个分流道以及设置在所述分流道顶部的浇口；所述下型芯包括多个与所述浇口对应设置的微齿轮器件型腔，所述微齿轮器件型腔的个数与所述分流道的个数相同。

基于上述，每个微齿轮器型腔内设置有顶杆孔，所述下型芯下方的导向柱上套设有顶出板，所述顶出板通过连接杆固接所述动模板，所述顶出板上对应所述微齿轮器件型腔的顶杆孔设置有多个顶杆。

基于上述，所述上型芯和所述下型芯内还设置有热流道。

基于上述，所述上型芯与所述上模具锥度配合，所述下型芯与所述下模具锥度配合，所述上模具和所述下模具上均设置有型芯侧抽孔。

基于上述，还包括控制器、温度-压力传感器和位移传感器，所述位移传感器设置在所述上模具的位移传感器安装孔内，用于检测所述上模具的运动位移；所述温度-压力传感器安装在所述上模具的温度-压力安装孔内，用于检测所述成模结构的温度值和压力值；所述控制器控制连接所述温度-压力传感器、所述位移传感器、所述超声换能器、所述第一伺服电机和所述第二伺服电机。

本实用新型相对现有技术具有实质性特点和进步，具体的说，本实用新型利用超声换能器高频振动实现聚合物颗粒的熔融塑化，同时结合所述模具单元进行熔融聚合物的注射、保压成型；超声振动能够降低熔融聚合物的粘度使其易于充模，降低微流道效应；能够实现聚合物颗粒快速熔融，缩短微纳器件成型周期，减少熔融聚合物降解；且超声振动下聚合物颗粒熔融塑化更均匀，聚合物颗粒球晶尺寸更小，可有效改善微纳器件成型质量；通过更换超声换能器、调节超声波发生器频率或相位，实现了不同材料微纳器件的成型，有效降低了成本；设计了镶嵌式型芯，实现了成型不同器件时模具型芯的快速更换，提高了效率；同时微纳器件与成型设备结构尺寸相匹配、结构尺寸较小，还有效减少了聚合物颗粒的严重，节约了原材料、降低了成本等优点。

附图说明

图1是本实用新型的立体结构示意图。

图2是本实用新型的主视结构示意图。

图3是本实用新型的左视结构示意图。

图4是本实用新型的右视结构示意图。

图5是本实用新型的俯视结构示意图。

图6是图5中A-A面的剖视图。

图7是本实用新型的驱动结构示意图。

图8是本实用新型所述的注射支架的结构示意图。

图9是本实用新型所述的超声换能器的结构示意图。

图10是本实用新型所述的上模具的剖视结构示意图。

图11是本实用新型所述的上模具的仰视立体结构示意图。

图12是本实用新型所述的上型芯的仰视结构示意图。

图13是本实用新型所述的下模具的立体结构示意图。

图中，1.基座；2.超声换能器；3.联轴器；4.固定支座；5.导轨；6.第一伺服电机；7.第一滚珠丝杠；8.第一导轨座；9.注射支架；10.第一滑块；11.第一L形钢板；12.耳舌；13.压电振子；131.后盖板；132.压电陶瓷片；133.前盖板；134.预紧螺栓；135.弹簧垫片；14.变幅杆；15.法兰；16.超声工具头；17.动模板；18.上模具；181.进料孔；182.塑化腔；183.上型芯；184.主流道；185.分流道；186.浇口；187.温度-压力传感器安装孔；188.侧抽孔；19.静模板；20.下模具；201.下型芯；202.微齿轮器件型腔；203.顶杆孔；204.位移传感器安装孔；205.冷料井；21.导向柱；22.定位块；23.顶出板；24.顶杆；25.第二滚珠丝杠；26.第二伺服电机；27.第二导轨座；28.第二滑块；29.热流道；30.储料装置；31.定位孔；32.导向孔；33.温度-压力传感器。

具体实施方式

下面通过具体实施方式，对本实用新型的技术方案做进一步的详细描述。

如图1-图6所示，本实用新型提供一种微纳器件超声塑化注射成型装置，包括基座1以及设置在所述基座1上的注射结构和成模结构，所述注射结构包括超声换能器2和用于驱动所述超声换能器2实现上下进给的驱动单元，所述超声换能器2用于熔融聚合物颗粒以及向所述成模结构内注射熔融聚合物；所述成模结构包括模具单元和合模单元，所述合模单元用于进行模具单元的闭模、合模及开模；所述模具单元包括内置有上型芯183的上模具18和内置有下型芯201的下模具20，所述上型芯183和所述下型芯201配合形成成模型腔，以将熔融聚合物保压成型。

使用过程中，采用220V，50Hz的电源直接为超声波发生器提供电源，再由超声波发生器向所述超声换能器2供电；优选的，超声波发生器为可调频、调相的超声波发生器；塑化成型不同材料的微纳器件时，不同材质的聚合物颗粒被塑化熔融时所需要的超声波频率不同，只需更换超声波换能器，并调节超声波发生器的相位和/或频率，即可满足不同材质的聚合物颗粒的熔融塑化要求。

塑化成型时，先通过所述合模单元实现所述上模具18和所述下模具20的合模，然后将聚合物颗粒送入所述上模具18的塑化腔182内，然后通过所述注射驱动单元控制所述超声换能器2实现向下进给；当所述超声换能器2伸入所述上模具18的塑化腔182时，所述超声换能器2在所述超声波发生器提供的激励电压的驱动下工作，产生的高频振动直接作用于聚合物颗粒，在界面摩擦生热、超声黏弹性生热和超声空化效应等机理共同作用下熔融聚合物颗粒，形成熔融聚合物；当聚合物颗粒完全熔融时，所述注射驱动单元控制所述超声换能器2继续向下进给，向所述上型芯183和所述下型芯201内注射熔融聚合物，注射完成后，所述超声换能器停止进给，保持位置不动，实现成模型腔内压力保持，熔融聚合物在所述上型芯183和所述下型芯201形成的成模型腔内成型，形成微纳器件；所述注射驱动单元驱动所述超声换能器2向上运动，所述合模单元控制所述上模具18和所述下模具20实现开模，完成一次塑化成型。

具体的，如图7所示，所述注射驱动单元包括设置在所述基座1上的导轨5、第一滚珠丝杠7和第一伺服电机6，优选的，所述第一滚珠丝杠7和所述第一伺服电机6之间设置有联轴器3，所述第一滚珠丝杠7通过固定支座4固定在所述基座1上；所述导轨5上套设有第一导轨座8，所述第一导轨座8上固设有注射支架9，所述超声换能器2固定在所述注射支架9上；所述第一滚珠丝杠上套设有第一滑块10，所述第一滑块10固接所述注射支架9；所述第一伺服电机6驱动所述第一滚珠丝杠7旋转，所述第一滑块10随所述第一滚珠丝杠7的旋转做直线往复运动，所述注射支架9和所述超声换能器2跟随所述第一滑块10的直线往复运动实现上下进给。

优选的，如图8所示，所述注射支架9包括第一L形钢板11，所述超声换能器2的法兰15通过螺栓固定在所述第一L形钢板11的横板上；所述第一L形钢板11的竖板上部还设置有耳舌12，所述第一滑块10通过螺栓螺母固定在所述耳舌12上。

如图9所示，所述超声换能器2包括压电振子13、变幅杆14和超声工具头16，所述压电振子13包括依次连接的后盖板131、压电陶瓷片132、前盖板133和用于固接所述后盖板131、所述压电陶瓷片132和所述前盖板133的预紧螺栓134和弹簧垫片135，为了便于所述压电振子13的固定安装，所述前盖板133上一体成型有法兰15，所述前盖板133通过所述法兰15固定在所述注射支架9上；所述变幅杆14的一端与所述前盖板133一体成型，能够有效避免能量损失，保证超声换能器2的能量能够高效输出；所述变幅杆14的另一端固定连接有所述超声工具头16。

当所述压电陶瓷片132加载高频激励电压时，在逆压电效应下将电能转化为高频振动能，经所述变幅杆14的放大作用，由所述超声工具头16直接作用在所述成模单元内的聚合物颗粒上，完成聚合物颗粒的熔融塑化和注射。

所述合模单元包括动模板17、用于驱动所述动模板17往复运动的动模板驱动结构以及平行于所述动模板17固定在所述基座1上的静模板19，所述动模板17和所述静模板19上分别设置有导向孔32，导向柱21通过所述导向孔32贯穿设置在所述动模板17和所述静模板19之间的导向柱21，如图7所示，所述动模板驱动结构包括设置在所述基座1上的第二滚珠丝杠25和第二伺服电机26，所述导轨5上套设有第二导轨座27，所述第二导轨座27上固设有所述动模板17，所述第二滚珠丝杠上套设有第二滑块28，所述第二滑块28固接所述动模板17；所述上模具18固装在所述动模板17上，所述下模具20固装在所述静模板19上部，所述上模具18上设置有定位块22，所述下模具20上对应所述定位块22设置有定位孔31，所述导向柱21、所述定位块22和所述定位孔31共同配合实现所述上模具18与所述下模具20合模与开模的导向。

优选的，所述动模板17包括第二L形钢板，所述上模具18通过螺栓固定在所述第二L形钢板的横板上；所述第二L形钢板的竖板上开设有凹槽，所述第二L形钢板的横板穿过所述凹槽延伸设置有固定孔，所述第二滑块28通过螺栓螺母固定在所述固定孔上；所述静模板19与所述基座1一体成型。

具体的，所述微纳器件超声塑化注射成型装置还包括控制器、温度-压力传感器33和位移传感器，所述位移传感器设置在所述上模具18的位移传感器安装孔204内，用于检测所述上模具18的运动位移，所述控制器分别与所述位移传感器、所述第一伺服电机6和所述第二伺服电机26控制连接，形成所述注射支架9、所述动模板17的运动控制系统；所述温度-压力传感器33安装在所述上模具18的温度-压力传感器安装孔187内，用于检测所述模具单元的温度值和压力值，所述控制器控制连接所述温度-压力传感器33，形成所述模具单元的温控系统；所述控制器还控制连接所述超声换能器2。

如图10所示，所述上模具18还包括进料孔181以及用于连通所述进料孔181和所述上型芯183的塑化腔182，所述塑化腔182的结构与所述超声换能器2的超声工具头16相适配。

在设计所述塑化腔182时，需要结合所述超声工具头16、微纳器件的质量、进料系统以及与外部环境的热对流和热辐射来设计所述塑化腔182的直径、容积、深度和壁厚；例如，若所述超声换能器2前端的超声工具头16直径为8.8mm，长度为51mm，则可设计所述塑化腔182直径为9.1mm；若微纳器件最大质量为1.3g，通过计算得到所述塑化腔182的深度为25mm，容积为1.63×103cm3；若进料孔181直径为5mm，则可设计塑化腔182总深度设置为35mm；为减少所述塑化腔182与外部环境产生热对流和热辐射，设计所述塑化腔182的壁厚为7.5mm。

如图11所示，所述上型芯183包括与所述塑化腔182连通的主流道184、与所述主流道184相通的至少一个分流道185以及设置在所述分流道185顶部的浇口186；优选的，所述主流道184的锥度为3°，所述分流道185的个数为8个，其每个分流道185的截面均为U形截面；所述浇口186采用半圆形结构。

如图12所示，所述下型芯201包括多个与所述浇口186对应设置的微齿轮器件型腔202，所述微齿轮器件型腔202的个数与所述分流道185的个数相同，所述微齿轮器型腔202与所述主流道184和所述分流道185共同形成所述成型型腔；优选的，所述微齿轮器件型腔202个数为8个，每个微齿轮器件型腔202的齿数为17，模数为0.25，分度圆直径为4.25mm，齿厚为1mm。

在成型过程中，熔融聚合物通过所述主流道184、所述分流道185和所述浇口186注入对应的所述微齿轮器件型腔202内，并通过所述注射结构使所述主流道184、所述分流道185和所述微齿轮器件型腔202中保持一定的压力，促使熔融聚合物保压成型，形成微纳器件。

为了便于成型结束后将微纳器件取出，如图13所示，每个微齿轮器型腔内设置有顶杆孔203，所述下型芯201下方的导向柱21上套设有顶出板23，所述顶出板23通过连接杆固接所述动模板17，所述顶出板23上对应所述微齿轮器件型腔202的顶杆孔203设置有多个顶杆24，每个顶杆孔203可以穿过至少一个顶杆24。

当成型结束后，所述合模单元控制所述动模板17向上开模时，所述顶出板23随所述动模板17的运动沿着所述导向柱21向上运动，从而带动所述顶杆24将成型的微纳器件从所述微齿轮器件型腔202中顶出。

优选的，每个微齿轮器型腔内的顶杆孔203数越多，越能方便快速地将微纳器件顶出。

为了补偿损失热量，所述上型芯183和所述下型芯201内还设置有热流道29，并结合所述温度-压力传感器与所述控制器组成的温控系统控制所述成模单元的温度。

本实用新型的一次成型周期过程如下：

合模阶段

所述控制器控制所述第二伺服电机26正转，从而驱动所述第二滚珠丝杠25正向转动，进而带动所述动模板17和所述上模具18向下运动，由所述位移传感器、所述导向柱21和所述定位块22实现运动过程中的位移控制和定位导向，促使所述上模具18的上型芯183与所述下模具20的下型芯201闭合，组成成模型腔。

进料阶段

所述储料装置30根据预先设定的熔融聚合物塑化量通过所述上模具18的进料孔181向所述上模具18的塑化腔182精准送入聚合物颗粒。

塑化阶段

所述控制器控制所述第一伺服电机6正转，从而驱动所述第一滚珠丝杠7正向转动，进而带动所述注射支架9和所述超声换能器2向下运动，促使所述超声换能器2前端的超声工具头16与所述上模具18的塑化腔182闭合；

然后所述控制器控制所述第一伺服电机6停止转动，并通过控制超声波发生器加载激励电压来驱动所述超声换能器2工作，所述超声工具头16产生的高频振动直接作用于聚合物颗粒，在界面摩擦生热、超声黏弹性生热和超声空化效应等机理共同作用下熔融塑化聚合物颗粒，形成熔融聚合物。

注射阶段

在融化过程中，所述温度-压力传感器实时采集所述塑化腔182内的温度和压力并反馈给所述控制器，所述控制器根据所述温度-压力传感器采集的数据判断聚合物颗粒是否已经完全熔融塑化；当所述控制器判断聚合物颗粒已经完全熔融塑化时，控制所述第一伺服电机6继续正转，以带动所述注射支架9和所述超声换能器2以预设速度继续向下运动，将熔融聚合物以预设注射速度和预设压力注射到所述主流道184、所述分流道185和所述微齿轮器型腔202共同组成的成型型腔内，此时所述超声换能器2的高频振动起到辅助注射的作用；

注射过程中由于超声波高频振动作用于熔融聚合物，能够降低熔体流动粘度和流动阻力，改善微流道效应，使得熔融聚合物在所述主流道184、所述分流道185和所述微齿轮器件型腔202充填均匀，提高微纳器件的成型质量；

并且超声波高频振动作用于熔融聚合物，还能够降低成型温度和保压压力，缩短成型时间，降低熔融聚合物的降解。

保压成型阶段

当所述温度-压力传感器检测到所述上模具18内的压力值达到保压压力时，所述控制器控制超声波发生器停止向所述超声换能器2供电，从而促使所述超声换能器2停止振动；同时所述控制器控制所述第一伺服电机6停止正转，从而促使所述超声换能器2停止向下运动，使所述上模具18、所述分流道185和所述微齿轮器型腔202中保持一定的压力，促使熔融聚合物保压成型，形成微纳器件；所述温度-压力传感器组成的温控系统通过所述热流道29控制所述上模具18和所述下模具20的冷却过程。

开模取件阶段

当保压达到一定时间后，所述控制器控制所述第一伺服电机6反转，从而驱动所述第一滚珠丝杠7反向转动，进而带动所述注射支架9向上运动；当所述注射支架9向上运动到预设上移距离时，所述控制器控制所述第二伺服电机26反向运动，从而带动所述动模板17向上运动，促使所述上模具18和所述下模具20分离，所述位移传感器和所述导向柱21配合控制所述动模板17和所述上模具18的开模过程；

所述动模板17和所述上模具18向上运动开模时，所述顶出板23跟随所述动模板17的运动沿所述导向柱21向上运动，所述顶杆24将微纳器件从所述微齿轮器型腔202中顶出，完成微纳器件成型的一个周期，并准备下一个成型周期。

为便于更换拆卸，所述成模单元采用侧抽和镶嵌结构，便于更换成模型腔和节约模具空间。具体的，所述上模具18和所述下模具20利用螺栓分别镶嵌在所述动模板17和所述静模板19上；所述上模具18和所述下模具20上均设置有型芯侧抽孔188，为便于型芯侧抽，所述上型芯183与所述上模具18采用锥度配合，所述下型芯201与所述下模具20采用锥度配合，优选的，所述上型芯183与所述上模具18的锥度为5°，所述下型芯201与所述下模具20的锥度为5°，且在所述型芯侧抽孔188内还拧入螺钉。在成型不同形状和尺寸的微纳器件时，只需通过所述型芯侧抽孔188更换所述上型芯183和所述下型芯201即可，简便快捷，且能够节省成本。

为利于排气，所述上型芯183和所述下型芯201的接合面的粗糙度较高，且和顶杆孔203还具有间隙。

所述下型芯201中还设置有用于收集初始低温熔体的冷料井205，一个成型周期完成后，低温熔体通过所述冷料井205被回收再利用。

最后应当说明的是:以上实施例仅用以说明本实用新型的技术方案而非对其限制；尽管参照较佳实施例对本实用新型进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员应当理解：依然可以对本实用新型的具体实施方式进行修改或者对部分技术特征进行等同替换；而不脱离本实用新型技术方案的精神，其均应涵盖在本实用新型请求保护的技术方案范围当中。