超声波对微流控芯片注塑成型质量影响的研究

发布时间：2017-08-19 11:03

  本文关键词：超声波对微流控芯片注塑成型质量影响的研究

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【摘要】：当聚合物微流控芯片的微沟槽横截面为矩形并且具有较大的深宽比时,由于聚合物熔体的粘度随温度下降而迅速增高,使得单一的微注塑成型方法容易在充模过程中发生聚合物熔体在模具型腔镶块的微结构凸起的根部处的充填流动性差,难以对型腔镶块微结构凸起的根部直角实现高精度复制。如何克服微尺度效应而成型出质量稳定的微结构塑件已成为微注塑成型技术研究领域亟待解决的关键问题,为此本文以微流控芯片为研究对象,将超声波引入微注塑成型过程,以改善微结构制品的注塑成型质量为目标,进行了以下研究工作。首先分析了国内外的已有研究成果,探讨微观尺度下聚合物熔体的流动行为,研究各种微尺度现象对微结构充填的影响,以及微注塑过程中不同于宏观注塑的现象,如壁面滑移、粘性耗散等很多宏观下能忽略的现象,在微尺度情况下会对熔体的流动造成很大影响,对微结构填充影响很大,不可忽略。并介绍成型微流控芯片的不同方法,对比不同方法的优劣,以及超声波应用于微注塑成型过程的进展。其次,设计了超声波辅助微注塑成型模具,将超声振子直接作为模具型腔的一部分,利用超声波的高频振动作用,改变聚合物熔体的分子取向,降低聚合物熔体粘度,促进聚合物熔体的充模流动与对模具型腔微结构处的填充。设计了微沟槽深、宽尺寸为80μm×100μm的聚合物微流控芯片,分别以UV-LIGA方法和微细电火花技术制作模具型腔的微结构镶块。并通过Moldflow模流分析软件对模具型腔的充填过程进行了模拟；通过Ansys软件对关键零件超声振子进行了受力分析。最后,对于将微结构镶块与静止的定模镶块进行固定连接以及将微结构镶块与动模一侧的超声振子进行固定连接的这两种成型方案,通过超声辅助微注塑成型实验,分别研究了模具微结构镶块在静止和发生超声振动的状态下,对注塑制品微结构成型质量的影响。研究了注塑工艺参数的变化对微结构复制度的影响,其中主要研究了超声波参数的变化对模具微结构型腔填充程度的影响,探索了超声波参数对聚合物微流控芯片微结构成型质量的影响规律。通过改变工艺参数组合,进行试验,以得到高质量、满足使用要求的微流控芯片。
【关键词】：微注塑 微流控芯片 超声波 微结构复制度
【学位授予单位】：大连理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TN492;TQ320.66
【目录】：

• 摘要4-5
• Abstract5-9
• 1 绪论9-19
• 1.1 课题研究背景与意义9-10
• 1.2 国内外研究概况10-17
• 1.2.1 微流控芯片成型方法的研究概况10-11
• 1.2.2 微注塑成型的研究概况11-13
• 1.2.3 超声波应用于微注塑的研究概况13-17
• 1.3 研究目的与内容17-19
• 2 微结构镶块静止的超声辅助注塑成型实验19-48
• 2.1 超声辅助微注塑模具设计19-24
• 2.1.1 模具总体结构19-21
• 2.1.2 超声振动系统21-24
• 2.2 UV-LIGA方法加工的微结构镶块24-25
• 2.3 注塑充填模拟与振子受力分析25-27
• 2.3.1 Moldflow模拟充填过程25-26
• 2.3.2 超声振子的受力分析26-27
• 2.4 实验设备与注塑材料27-31
• 2.4.1 实验设备27-30
• 2.4.2 注塑材料30-31
• 2.5 注塑成型实验参数31-32
• 2.6 微流控芯片的微沟槽成型质量32-48
• 2.6.1 注射速度对微结构填充的影响32-34
• 2.6.2 注射压力对微结构填充的影响34-35
• 2.6.3 超声功率对微结构填充的影响35-40
• 2.6.4 超声时间对微结构填充的影响40-48
• 3 微结构镶块与超声振子集成的注塑成型实验48-58
• 3.1 微结构镶块的安放48
• 3.2 微细电火花方法加工的微结构镶块48-53
• 3.3 注塑成型实验参数53-54
• 3.4 微流控芯片的微沟槽成型质量54-58
• 3.4.1 超声时间3s的实验结果54-56
• 3.4.2 超声时间5s的实验结果56-58
• 4 微结构镶块超声振动的可视化模具设计58-61
• 4.1 可视化窗口的设置58-59
• 4.2 可视化窗口的受力分析59-61
• 结论61-62
• 参考文献62-66
• 攻读硕士学位期间发表学术论文情况66-67
• 致谢67-68

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本文编号：700331