注射成型中微流控芯片微結(jié)構(gòu)復(fù)制仿真分析

注射成型中微流控芯片微結(jié)構(gòu)復(fù)制仿真分析

近年來，高聚物在加工、成本和生物性能方面的優(yōu)勢已被應(yīng)用于微流控芯片領(lǐng)域。在眾多高聚物微流控芯片的成型方法中,注射成型法簡單易行,可以實(shí)現(xiàn)批量生產(chǎn),對于降低芯片價格具有不可比擬的優(yōu)勢。對于注射成型微流控芯片這種帶有微溝槽結(jié)構(gòu)的塑件,除了傳統(tǒng)成型出現(xiàn)的塑件缺陷以外,微結(jié)構(gòu)能否完全復(fù)制成為微流控芯片注射成型法成功的關(guān)鍵。筆者利用Moldflow軟件建立微流控芯片有限元模型,選取聚碳酸酯(PC)材料,通過數(shù)值模擬分析相關(guān)工藝參數(shù)對于微流控芯片微結(jié)構(gòu)復(fù)制情況的影響。1數(shù)值模擬試驗(yàn)1.1微溝槽結(jié)構(gòu)模型微流控芯片外形呈長方形,長70mm,寬30mm,厚1.5mm,在長度方向上分布有微溝槽結(jié)構(gòu),溝槽尺寸長50mm,寬0.24mm,高0.06mm。采用雙層面網(wǎng)格對模型進(jìn)行有限元網(wǎng)格劃分,如圖1所示。為提高數(shù)值模擬的精確度,在微結(jié)構(gòu)處對網(wǎng)格進(jìn)行細(xì)化,微結(jié)構(gòu)處網(wǎng)格尺寸達(dá)到0.1mm,如圖2所示。1.2微溝槽結(jié)構(gòu)的橫向復(fù)制程度實(shí)驗(yàn)使用單因素法,考察熔體溫度、模具溫度、保壓壓力、注射壓力等4個工藝參數(shù)對微流控芯片微結(jié)構(gòu)復(fù)制程度的影響。對于微溝槽結(jié)構(gòu)的復(fù)制程度選擇橫向和縱向兩個方向的數(shù)據(jù)作為研究對象,橫向位置選擇沿單側(cè)長度方向首末兩處,取兩處的翹曲量之差反映微結(jié)構(gòu)的橫向復(fù)制程度。縱向位置選擇在微溝槽結(jié)構(gòu)單側(cè)長度方向近澆口和中部兩處,每處選取同一高度上下兩節(jié)點(diǎn)翹曲量之差反映微結(jié)構(gòu)的縱向復(fù)制程度,具體位置如圖1所示。2結(jié)果與討論2.1熔體溫度的變化保持模具溫度為90℃、注射壓力為90MPa、保壓壓力為70MPa,改變?nèi)垠w溫度,得到各處翹曲偏移量變化曲線,如圖3所示。從圖3可以看出,近澆口端、中部以及長度兩端的翹曲偏移量整體都是隨著熔體溫度的升高而降低。在熔體溫度由260℃升至340℃過程中,中部的翹曲偏移量由0.62μm變化至0.41μm,下降了0.21μm,近澆口端的翹曲偏移量由0.069μm變化為0.049μm,下降了0.02μm。由近澆口端和中部的變化趨勢可以看出熔體溫度升高對微結(jié)構(gòu)縱向方向上的復(fù)制起到積極作用。長度兩端的翹曲偏移量由0.0183mm降至0.0142mm,下降了0.0041mm,由此看出,熔體溫度升高有利于微結(jié)構(gòu)的橫向復(fù)制程度的提高。這是因?yàn)槿垠w溫度較高有助于PC分子鏈的展開,使得內(nèi)應(yīng)力釋放,進(jìn)而使得翹曲偏移量下降,有利于微結(jié)構(gòu)復(fù)制程度的提高。2.2模具溫度對微結(jié)構(gòu)復(fù)制的影響保持熔體溫度為300℃、注射壓力為90MPa、保壓壓力為70MPa,將模具溫度從70℃升至110℃,得到各處翹曲偏移量隨模具溫度變化的曲線,如圖4所示。由圖4可知,近澆口端、中部與長度兩端的翹曲偏移量都呈現(xiàn)出隨模具溫度升高而降低的趨勢,尤其以中部和長度兩端的變化最為明顯。在模具溫度由70℃升至110℃過程中,中部的翹曲偏移量由0.29μm降至0.12μm,下降了0.17μm,近澆口端的翹曲偏移量由0.061μm降至0.049μm,下降了0.012μm。由此看出,模具溫度升高對于微結(jié)構(gòu)縱向方向上的復(fù)制有顯著影響。長度兩端則從0.0165mm降至0.0141mm,下降了0.0024mm。對于微結(jié)構(gòu)橫向方向上的復(fù)制,模具溫度的影響程度雖次于熔體溫度,但仍起到積極作用。因此,模具溫度的升高有利于微結(jié)構(gòu)復(fù)制程度的提高,這與劉瑩等的試驗(yàn)結(jié)果一致。2.3壓力和壓力下的翹曲偏移量保持模具溫度為90℃、熔體溫度為300℃、注射壓力為90MPa,將保壓壓力從50MPa升至90MPa,得到各處翹曲偏移量隨保壓壓力變化的曲線,如圖5所示。由圖5可知,中部的翹曲偏移量由0.233μm降至0.144μm。近澆口端的翹曲偏移量由0.07μm降至0.05μm,其在保壓壓力小于70MPa時,下降趨勢并不明顯,大于70MPa后才出現(xiàn)明顯下降。長度兩端的翹曲偏移量由0.0165mm降至0.0148mm。因此,保壓壓力的升高,不僅有利于熔體對型腔的充滿,對于微結(jié)構(gòu)在縱向和橫向上復(fù)制程度的提高也有所幫助,但影響程度較小。2.4翹曲偏移量的變化保持模具溫度為90℃、熔體溫度為300℃、保壓壓力為70MPa,改變注射壓力,得到各處翹曲偏移量的變化曲線,如圖6所示。由圖6可知,在注射壓力由70MPa升至110MPa的過程中,近澆口端的翹曲偏移量的變化出現(xiàn)增大的趨勢。中部的翹曲偏移量在注射壓力小于90MPa時緩慢增大,大于90MPa之后先下降后又再次增大。整體來說,注射壓力的升高不利于微結(jié)構(gòu)縱向方向上的復(fù)制。長度兩端的翹曲偏移量的變化呈波動趨勢,出現(xiàn)兩次下降,一次是在注射壓力由80MPa升至90MPa時,下降0.0002mm,另一次是在由100MPa升至110MPa時,下降0.0003mm,下降幅度很小,因此,注射壓力的升高對于微結(jié)構(gòu)橫向方向上的復(fù)制貢獻(xiàn)微弱。注射壓力用于克服熔體充模時的阻力,但遇到微結(jié)構(gòu)型腔凸起的微小直角時,壓力損耗較大,因此注射壓力的升高對于微結(jié)構(gòu)復(fù)制程度的提高作用不明顯。3影響微結(jié)構(gòu)復(fù)制程度的因素在微流控芯片的注射成型過程中,會出現(xiàn)微結(jié)構(gòu)復(fù)制不完全的情況,通過數(shù)值模擬研究了熔體溫度、模具溫度、保壓壓力、注射壓力等4個因素對于微結(jié)構(gòu)復(fù)制程度的影響