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外文翻译微型注塑工艺参数调整
微型注塑工艺参数调整
MichaelPackianathera*,ChristianGriffithsb,WanKadira
aSchoolofEngineering,CardiffUniversity,CardiffCF243AA,UK
bSchoolofMechanical,AerospaceandCivilEngineering,UniversityofManchester,Manchester,M601QD,UK
摘要:
本文重点介绍微型注塑工艺参数的调整。
在本研究中有四个工艺参数,即料桶温度,模具温度,保压压力和注射速率。
为了获得每个参数的变化,对每个参数采用两个水平的L16正交矩阵,使用常见的聚合物环烯烃共聚物(COC)来生产尺寸为15mmx20mmx1mm微流体平台。
在微注塑过程中测量脱模力,十六次试验重复十次,以纳入实验过程中的过程变化,系统噪声和随机噪声。
使用Taguchi方法分析结果,以确定脱模力对工艺参数的影响及其对噪声的敏感性。
此外,结果还能验证这些过程参数之间是否存在两者的相互作用。
这项研究有助于了解这些工艺参数的主要影响,相互作用和噪声敏感性的特征,并调整它们的最佳性能。
关键词:
微型注塑,实验设计,正交阵列,Taguchi分析
1.引言
微型工程技术的快速发展,导致产品小型化的趋势越来越大,微/中尺度的部件和产品在通信,IT,医疗保健,汽车行业和消费品行业等各个领域都得到重视。
此外,包括医学和生物技术在内的新型小型化产品的开发使微型技术在面对宏观和纳米世界方面发挥重要作用[1,2]。
微注射成型(MIM)是一种可靠并且经济的复制技术,可以大量生产微型组件,如微泵,微型元件和光栅元件。
在所有这些应用中,建立在复制部件上的微特征的质量是影响所选复制过程的可靠性的因素。
这很大程度上取决于它们的尺寸,纵横比和整体几何结构[3]。
复制的微观特征的表面质量和纵横比突显了所有微观制造工艺的重要特征,并确定了给定工艺或材料组合的制造限制[4]。
例如,表面质量和边缘定义必须系统地进行。
此外,实现高纵横比以模拟微观特征仍然是困难的[5]。
因此,在微注射成型过程中,了解影响复制能力的因素是非常重要的[4]。
为了提高微注射成型复制过程的质量,许多研究团队对工艺,工具创新,材料和插件制造等不同领域进行了研究。
虽然熔体温度,模具温度和注射速度的高设置被认为是生产质量零件的最佳结果,但是对高模具温度的影响引入了用于加热和冷却工具的工具创新[6]。
因此,过程输出减少,并且成型部件的成本增加。
脱模是影响复制质量的微注射过程之一。
当复制部件在模具内部达到稳定的固体形式时,一系列顶针将强制将部件从模具中排出,需要适当的力以克服由于摩擦和粘附而在模具表面和制品上积聚的阻滞力。
在注塑模具开发过程中,设计师努力优化模具,以最大限度地减少脱模力和复制部件产生的应力。
现有的对微注射成型的研究表明,在实现良好的复制部件质量方面,高模具温度是最重要的,但会增加成本和时间。
因此,适当确定模具温度对于提高质量和产量以及降低成本至关重要。
在本文中,实验设计用于确定影响微型注塑成型复制能力的参数水平。
在本研究中,考虑了以下工艺参数,即料桶的温度,模具温度,保压压力和注射速率。
使用脱模力作为设定工艺参数水平的测量输出。
这项研究的两个目标是:
探讨影响脱模力的主要工艺参数的水平,以实现零件复制的良好质量,并了解工艺参数对微注塑工艺的影响。
本文的组织结构如下,在第2节中对微注射成型工艺进行了描述,在第3节中对实验步骤进行了说明,在第4节对结果进行了分析,本文在第5节得出结论。
2.微型注塑
研究人员将微注射成型定义为制造结构尺寸在微米或亚微米范围内的聚合物部件的制备方法[7]。
已经通过微注射成型制造的组件部件分为以下两个类别,其总体尺寸小于1mm的的为A型,而在整体尺寸上具有较大尺寸,但是其微型特征的尺寸通常小于200μm为B型[5]。
微注塑与常规注射成型具有相似的基本步骤。
通常,常规的注塑阶段由填充,包装,保持和冷却阶段组成。
微注射成型从合模开始,随后将聚合物注入模具中,之后进行保压和冷却直到聚合物固化,最后模具打开并将制件从模具中排出。
当聚合物熔化并填充模腔时,注射阶段需要聚合物材料的增塑。
在保压阶段,保压压力确保熔体从模腔中逸出并允许熔体进一步收缩。
冷却阶段从保压结束开始,直到模具打开[8]。
冷却过程对于制件在脱模之前的固化是至关重要的。
微注塑和常规注射成型的参数即模具温度,保压压力,注射速度,保持时间和冷却时间是相同的。
2.1.过程参数的复制能力
微注射成型过程中有许多因素会影响它的复制能力。
因此,许多研究人员已经研究了熔体和模具温度,模具注射速度和保压压力等工艺参数的重要性。
微型注塑机的最新发展使得能够引入特别设计的用于制造具有微观特征的微型零件的系统。
同时为了提高过程性能,已经考虑了新的工艺参数,如计量尺寸和用于控制保压压力的注射柱塞向前的微小位移[9]。
以前研究传统注塑工艺的研究人员已经确定了熔体温度和模具的温度,注射速度和压力是主要因素,由于它们对熔体流动性的影响。
在某些情况下,研究结果有差异。
这可以通过不同的实验条件来解释,例如使用的测试部件和聚合物的不同尺寸。
这可以通过不同的实验条件来解释,例如使用的测试部件和聚合物的不同尺寸。
尽管可以使用高熔体和模具温度等工艺参数的高设置来改善微腔中的熔体流动,但也会对注入的部件产生负面影响[4,6]。
高熔体温度可能会增加聚合物的降解速率,高模具温度可能会增加冷却设备的循环时间和成本,并且高注射速度可导致螺杆尖端的高压导致材料退化[10]。
在最近的研究中,研究了熔体温度,模具温度,注射速度和影响微注射模型腔内压力的保持压力等工艺参数[11]。
因此,需要设计实验来确定调整微注塑成型过程所需的最佳工艺参数水平。
2.2.聚合物微注塑
有许多类型的聚合物材料已被用于微型注射成型,用于工业中的各种微型部件。
研究人员在研究中一直使用各种类型的聚合物,以更好地了解这些聚合物在微注射成型过程中的行为。
聚合物因其低成本和良好的电学性能,机械性能和光学性能而闻名。
聚合物的流动性和热性质是其用于注射成型中的主要原因,尽管它可能影响模制件的复制能力和质量。
此外,微型型腔对尺寸限制和冷却环境要求严格,会使熔体难以填充。
对于不完全的熔体填充,可能会在微注塑中造成模制零件的缺陷,从而造成浪费和生产成本。
因此,对于微注射成型,优先选择低粘度的有良好流动性的聚合物。
2.3.微注塑中的脱模力
当复制工具达到稳定状态并使用一系列顶针固化时,复制部件将被强制脱模或从模具中弹出。
需要足够的力来克服由于摩擦和粘附而存在于部件和分型面处的阻滞力。
由于冷却过程而产生的摩擦和热应力引起的剪切应力可导致脱模失效。
当在冷却后部件尺寸减小或缩小时,会降低顶针能够起作用的潜在位置,这会导致制件强制地从型芯中挤出时遭到破坏。
收缩导致应力集中在零件的横截面上[12]。
由收缩产生的压力与标准压力有关。
因此,需要切向力来克服法向力,并在脱模过程中在表面部分和模具之间产生相对运动。
为防止零件产生缺陷,制件和模具必须避免在过程中受到过度压力或损坏。
2.4.Taguchi法在复制过程中的使用
实验设计是一种数学和结构化的方法,当由于可控和不可控的因素而有变化时,要同时考察许多因素的影响。
当遇到与许多影响变量,输入,因素和参数有关的情况时,它给予了科学决策的最佳决策方法。
Taguchi法以实验设计的形式介绍了适用于广泛应用的实验技术。
在工程中,Taguchi法用于通过实验设计从一组因素中调查最佳性能特征。
Taguchi法由五个基本阶段组成,主要是规划实验,设计实验,实验,分析结果,确认预测结果[13]。
3.实验步骤
本节将介绍实验设计的结构以及实验的进行情况。
在微注射成型中,测试材料的选择通常根据应用从一系列聚合物选择确定。
每种聚合物具有不同的性质并显示不同的结果。
描述了测试部件设计,因为观察所考虑的工艺参数的影响很重要。
然后,概述了本研究考虑的工艺参数实验设计和测量结果。
介绍了用于制造微型注塑试验件的机器。
3.1.实验材料
聚合物可以在常规注塑成型中制成任何形状或结构,然而由于微注射成型中的表面积与体积的限制,仅允许具有特殊性能的那些聚合物,例如低粘度和良好的机械强度的聚合物。
适用于微注射成型的普通聚合物有:
PMMA,PP,PSU,POM,PE,PA,PEEK,LCP,COC,PBT和PPE[14]。
在此实验中,TOPASCOC5013已被选中进行计划实验。
Topas®是TopasAdvancedPolymers环烯烃共聚物(COC)的商品名。
3.2.测试部件和工具设计
图1(a)15所示的15mmx20mmx1mm微流体平台用于分析工艺参数的影响。
在系统设计中微流体组件中通常发现的特征包括储存器,通道和废物室等方面。
销尺寸直径为500μm,高度为600μm,主通道的横截面在50和200μm之间。
此外,整体设计包括在侧壁上2至3度的拔模斜度。
该工具是用黄铜使用常规铣削的方法制造以进行实验。
模具嵌件的总体尺寸为25×28×5mm,具有用于推杆的四个3mm孔,如图1(b)所示。
使用点浇口设计来降低可能影响浇口的压力和温度。
然后,在切割配合面之前,使用一个主要的模具进行组装和检查,以保证平行度。
零件设计由许多可以确定模具精度的特征组成。
过程参数对复制能力的影响可以通过比较工具和模具的尺寸和零件重量来确定。
图1.(a)微流体测试部件设计(b)其模具嵌件
3.3.实验设计
在本研究中,采用了两个级别的四个工艺参数:
A–料筒温度(Tb);Tb1=240,Tb2=300
B–模具温度(Tm);Tm1=70,Tm2=130
C–保压压力(Ph);Ph1=Off,Ph2=On
D–注射速率(Vi);Vi1=200,Vi2=800
为了研究在微注射成型过程中影响复制过程的工艺参数水平,喷射过程中的脱模力体现在本实验中的测量结果。
因为这个实验具受到多种因素影响,每一个因素在不同时刻都会有不同的表现,所以研究这么多因素的影响是不容易的[15]。
同时,我们必须知道哪些因素及其相互作用对于适当的实验设计是重要的。
因此,有必要使用因子设计来研究几个因素。
在本研究中,用于减少需要进行的实验数量,而不会影响结果。
因此,对于在两个级别考虑的四个过程参数,每个都选择TaguchiL16正交阵列(参见表1)。
然后,将脱模力作为每组控制参数的输出进行测量。
以相同的参数设置重复十次试验,以测量过程变化。
表1.TaguchiL16正交阵列
影响因素
COC
序号
Tb[C]
Tm[C]
Ph
Vi[mm/s]
1
240
70
off
200
2
240
70
off
800
3
240
70
on
200
4
240
70
on
800
5
240
130
off
200
6
240
130
off
800
7
240
130
on
200
8
240
130
on
800
9
300
70
off
200
10
300
70
off
800
11
300
70
on
200
12
300
70
on
800
13
300
130
off
200
14
300
130
off
800
15
300
130
on
200
16
300
130
on
800
3.4实验设备的使用
本实验中使用的机器是BattenfeldMicrosystem50注塑机如图2所示
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