注塑机专题 快速动态模温控制于高深宽比 微结构注塑成型 文/陈夏宗,张仁安,林钰婉,秦进传(中原大学机械工程研究所) 摘要:本研究利用电磁感应加热技术结合冷却水以达到快速模具温度控制 并应用于微结构注塑成型制程。实验结果成功利用快速模具温度控 制技术将模具温度从60℃提高至140℃仅需3秒,同时利用CAE 模拟技术以掌握高深宽比之微流道模具温度变化情形,并获得实验 验证。仿真结果显示,电磁波能深入微流道底部加热,与模具表 面的温差在2℃之内。搭配PMMA塑料成型深600μm、宽30 50μm(深宽比>12)之微结构,并成功地改善微结构转写性达 到96% 简介 沟槽等设计,高模温有助于改善望在充填时维持高模温,冷却阶 目前,微成型技术已经被利其熔胶充填。在传统注塑成型中,段则快速将温度降下来,但是在 用于建立多种高分子组件,大多为了成型高深宽比微结构需要以不影响原来的充填时间或是能源 数应用于微光流道领域等。最广高模温及高料温作充填,高模温等需求下并不容易 泛为大家所知道的微成型产品为可以消除许多成型问题,但在整本研究中,使用深宽比为24 CD及DVD,用来做数据、音乐体射出制程中,会使得成型周期及12两种微结构,成型所使用的 和影像的储存。其它像是一些微时间变得过长。因此,快速动态塑料是PMMA。使用电磁感应加 光组件,如镜片、光开关、微流模温控制在近年来逐渐被发展及热进行高低模温快速模具表面温 体装置及实验室芯片等也慢慢被重视,其目的在减少凝固层厚度,度控制。比较抽真空影响其微结 应用D-3 使熔胶在充填时维持高模温,冷构转写性 注塑成型因其成型周期较短却阶段则快速将模温降下来-。 2感应加热温控分析 因此被广泛运用在微成型制造 最经济达到高模温的方法 高周波感应加热是利用高周 上,市面上各种微注塑成型机及是使用高温的冷却水(90℃或 波在加工对象上产生涡电流进行 模仁制作技术都逐渐被发展及应100℃),当模具温度的要求超过 加热,需要计算磁场与生成涡 用。这也显示出微成型技术渐渐100℃时,则需要高压系统(防止电流所生成之热效应依照电磁学 被业界所重视。为了制作出微结水的汽化)或使用油作加热。前 M axw ellequationst 构(模仁),像是化学或微机电技者在长期的操作之后可能引起管 其中H为磁场强度,J为电 术等微小化技术已渐渐受到注目。路连接损害和安全问题,后者由流密度,E为电场强度,B为磁 LGA技术的出现使得塑料在于油的低热传导系数所以效率较能密度,D磁通密度,p为电阻 微特征成型上形成一项新的挑战。差。电热管加热通常用来辅助高系数。在感应加热分析中,另 塑料的充填及脱模角的设计会是模温控制,适合在需要长期加热个值的注意的是渗透效应,既被 个比较大的问题。对于微数组的位置,特别是在薄壁区域。希感应的加热物由于产生的涡电流 《塑胶工业》 24中国塑料机械信息网ht:www.plasexpo
《塑胶工业》 24 中国塑料机械信息网 http: //www.plasexpo.com 注 塑 机 专 题 快速动态模温控制于高深宽比 微结构注塑成型 文 / 陈夏宗，张仁安，林钰婉，秦进传（中原大学机械工程研究所） 本研究利用电磁感应加热技术结合冷却水以达到快速模具温度控制 并应用于微结构注塑成型制程。实验结果成功利用快速模具温度控 制技术将模具温度从 60℃提高至 140℃仅需 3 秒，同时利用 CAE 模拟技术以掌握高深宽比之微流道模具温度变化情形，并获得实验 验证。仿真结果显示，电磁波能深入微流道底部加热，与模具表 面的温差在 2℃之内。搭配 PMMA 塑料成型深 600μm、宽 30 ～ 50μm（深宽比＞ 12）之微结构，并成功地改善微结构转写性达 到 96%。 摘 要： 1 简介 目前，微成型技术已经被利 用于建立多种高分子组件，大多 数应用于微光流道领域等。最广 泛为大家所知道的微成型产品为 CD 及 DVD，用来做数据、音乐 和影像的储存。其它像是一些微 光组件，如镜片、光开关、微流 体装置及实验室芯片等也慢慢被 应用 [1-3]。 注塑成型因其成型周期较短 因此被广泛运用在微成型制造 上，市面上各种微注塑成型机及 模仁制作技术都逐渐被发展及应 用。这也显示出微成型技术渐渐 被业界所重视。为了制作出微结 构（模仁），像是化学或微机电技 术等微小化技术已渐渐受到注目。 LIGA 技术的出现使得塑料在 微特征成型上形成一项新的挑战。 塑料的充填及脱模角的设计会是 一个比较大的问题。对于微数组 沟槽等设计，高模温有助于改善 其熔胶充填。在传统注塑成型中， 为了成型高深宽比微结构需要以 高模温及高料温作充填，高模温 可以消除许多成型问题，但在整 体射出制程中，会使得成型周期 时间变得过长。因此，快速动态 模温控制在近年来逐渐被发展及 重视，其目的在减少凝固层厚度， 使熔胶在充填时维持高模温，冷 却阶段则快速将模温降下来 [4-6]。 最经济达到高模温的方法 是使用高温的冷却水（90 ℃ 或 100℃），当模具温度的要求超过 100℃时，则需要高压系统（防止 水的汽化）或使用油作加热。前 者在长期的操作之后可能引起管 路连接损害和安全问题，后者由 于油的低热传导系数所以效率较 差。电热管加热通常用来辅助高 模温控制，适合在需要长期加热 的位置，特别是在薄壁区域。希 望在充填时维持高模温，冷却阶 段则快速将温度降下来，但是在 不影响原来的充填时间或是能源 等需求下并不容易。 本研究中，使用深宽比为 2.4 及 12 两种微结构，成型所使用的 塑料是 PMMA。使用电磁感应加 热进行高低模温快速模具表面温 度控制。比较抽真空影响其微结 构转写性。 2 感应加热温控分析 高周波感应加热是利用高周 波在加工对象上产生涡电流进行 加 热， 需 要 计 算 磁 场 与 生 成 涡 电流所生成之热效应依照电磁学 Maxwell equations[7]： 其中 H 为磁场强度，J 为电 流密度，E 为电场强度，B 为磁 能密度，D 磁通密度，ρ 为电阻 系数。在感应加热分析中，另一 个值的注意的是渗透效应，既被 感应的加热物由于产生的涡电流
注塑机专题 模具温度预热至60℃,然 V×H=J 后加热至140℃,再冷却至60℃, V×E= 为了改善高深宽比成型转写性 而不增加成型周期时间,并利用 V·D=p 3 感应加热搭配冷却水达成模具快 V.B=0 速加热冷却控制。 使用红外线热影像仪量测模 会集中在物体表面,电流密度会深120μm及600um两种尺寸,具表面温度分布,实验所用的成 随着距离加热物表面越远而降低,其深宽比大于10 型材料为PMMA,与 Sadik- 当电流密度降至相当于加热物表 在讨论高深宽比微结构的转TR30EH注塑成型机。机器是专 面电流密度大小的1倍,称之写性上,使用两种控制方式: 为精密注塑成型所设计。最后使 为渗透深度δ,可表示为: 3.1模具表面温度控制:60℃C用彩色雷射3D立体显微镜作量 100c-60C 测,量测为结构之成型高度,量 Induction Coil 测位置如图3所 其中,f为使用的工作频率, μ为材料的相对磁导率。由于绝 大部分的电流都集中在渗透深度 之内,Q为产生的体积热。其产 的焦耳可表示为: Heating Surtace With Insert Q=p chng Channels (=10mm Center 15 mm 其中,然而焦耳热远小于涡 图1微流道模具与线圈设计 图3微结构成品量测位置 电流效应的,因此分析中将其忽 略不计。在分析建立上,分别以 Top View 4结果与讨论 ANSYS3D热传分析仿真出模具 图4显示运用感应加热加热 度分布及电磁分析模拟出电磁 120μm,加热2.5秒后量测 场及涡电流分布计算。 与仿真的温度分布图,其中P 在 ANSYS分析中,模具材 的温度可以达到119.4℃,但温 料为ABH130钢材,密度与比热 度的分布并不均匀。图5显示加 分别为7800Kgh3及465J/Kg℃ 热后4秒将冷却至目标温度,对 加热线圈密度与比热分别为8954 感应加热而言,只需23秒就 Kgh3及383J/Kg℃。表面放射 可以将模具温度从60℃加热至 率为0.8。为了验证模具动态温度 140℃,从140℃冷却至60℃则 实验,特建立了实验模板模具模 30m 需要20秒,主要的原因在于感应 型,而动态模温控制之冷却部分, Depth Design 120 and 600 um 建立冷却管路之边界条件,以进 图2微流道模仁设计(120m及600m)加热仅加热模具表面很薄的一层 (0.09mm),图6为仿真的温度 行动态模温分析探讨D0。 比较模温影响成型的转写性分布,在P1、P2位置,△T是 3实验方法 及使用感应加热对模具表面均匀模具表面及微结构的温度差,电 本研究利用高深宽比微结构度的影响,冷却水的温度为12℃,磁波能深入微结构底部做加热, 模具进行快速加热及冷却实验。模具温度预热至60℃,然后利因此温度的分布可以非常均匀, 图1显示设出模具抽真空设计及用感应加热作加热,当模具中心图7是使用3D雷射显微镜对微 模仁,加热的部分是利用一多匝达到目标温度时,停止加热,进结构的量测图,藉由感应加热提 方形线圈作加热,一秒能提升模行一个周期的实验从60℃加热至升模具温度,能清楚改善为结构 具表面温度约20℃。图2显示微100在冷却至60℃。 转写性,图8显示温度的提升造 流道模仁设计,微流道的设计上,3.2模具表面温度控制:60℃成更好的为结构转写性。图9显 设计一脱模斜度宽3050μm,-140℃-60℃ 示感应加热仿真之温度,微结构 中国塑料机械信息网http://www.plasexpo.com 《塑胶工业
中国塑料机械信息网 http: //www.plasexpo.com 25 《塑胶工业》 注 塑 机 专 题 会集中在物体表面，电流密度会 随着距离加热物表面越远而降低， 当电流密度降至相当于加热物表 面电流密度大小的 1/e 倍，称之 为渗透深度 δ，可表示为： 其中，f 为使用的工作频率， μ 为材料的相对磁导率。由于绝 大部分的电流都集中在渗透深度 之内，Q 为产生的体积热。其产 生的焦耳可表示为： Q=ρ|J|2 （6） 其中，然而焦耳热远小于涡 电流效应 [8]，因此分析中将其忽 略不计。在分析建立上，分别以 ANSYS3D 热传分析仿真出模具 温度分布及电磁分析模拟出电磁 场及涡电流分布计算。 在 ANSYS 分 析 中，模具材 料为 AISI4130 钢材，密度与比热 分别为 7800Kg/m3 及 465J/ Kg℃。 加热线圈密度与比热分别为 8954 Kg/m3 及 383J/ Kg℃。表面放射 率为 0.8。为了验证模具动态温度 实验，特建立了实验模板模具模 型，而动态模温控制之冷却部分， 建立冷却管路之边界条件，以进 行动态模温分析探讨 [10]。 3 实验方法 本研究利用高深宽比微结构 模具进行快速加热及冷却实验。 图 1 显示设出模具抽真空设计及 模仁，加热的部分是利用一多匝 方形线圈作加热，一秒能提升模 具表面温度约 20℃。图 2 显示微 流道模仁设计，微流道的设计上， 设计一脱模斜度宽 30~50μm， 深 120μm 及 600μm 两 种 尺 寸， 其深宽比大于 10。 在讨论高深宽比微结构的转 写性上，使用两种控制方式： 3 .1 模具表面温度控制：60℃ -100℃ -60℃ 比较模温影响成型的转写性 及使用感应加热对模具表面均匀 度的影响，冷却水的温度为 12℃， 模具温度预热至 60℃，然后利 用感应加热作加热，当模具中心 达到目标温度时，停止加热，进 行一个周期的实验从 60℃加热至 100 在冷却至 60℃。 3 .2 模具表面温度控制：60℃ -140℃ -60℃ 模 具 温 度 预 热 至 60 ℃， 然 后加热至 140℃，再冷却至 60℃， 为了改善高深宽比成型转写性， 而不增加成型周期时间，并利用 感应加热搭配冷却水达成模具快 速加热冷却控制。 使用红外线热影像仪量测模 具表面温度分布，实验所用的成 型材料为PMMA， 与 SodickTR30EH 注塑成型机。机器是专 为精密注塑成型所设计。最后使 用彩色雷射 3D 立体显微镜作量 测，量测为结构之成型高度，量 测位置如图 3 所示。 4 结果与讨论 图 4 显示运用感应加热加热 深 120μm，加热 2. 5 秒后量测 与仿真的温度分布图，其中 P1 的温度可以达到 119.4℃，但温 度的分布并不均匀。图 5 显示加 热后 4 秒将冷却至目标温度，对 感 应 加 热 而 言， 只 需 2~3 秒 就 可以将模具温度从 60℃加热至 140℃，从 140℃冷却至 60℃则 需要 20 秒，主要的原因在于感应 加热仅加热模具表面很薄的一层 （0.09mm），图 6 为仿真的温度 分 布， 在 P1、P2 位 置， △ T 是 模具表面及微结构的温度差，电 磁波能深入微结构底部做加热， 因此温度的分布可以非常均匀， 图 7 是使用 3D 雷射显微镜对微 结构的量测图，藉由感应加热提 升模具温度，能清楚改善为结构 转写性，图 8 显示温度的提升造 成更好的为结构转写性。图 9 显 示感应加热仿真之温度，微结构
Measured Simulated 深600μm,电磁波同样能 深入微流道底部作加热。图 196.0 10是成型高度与模具温度 之关系在抽真空与无抽真空 6 两种情况。当模具温度在充 填时高于材料的玻璃转化 103.8 度(~120℃)则成型的 写性可以明显被改善 结论 本研究利用感应加热搭 配冷却水达成模具快速加热 ▲:114℃ ▲:119.4℃ 冷却控制并运用于微结构 射出成形制程中,同时以 图4感应加热在加热2.5秒后量测 CAE模拟分析己掌握高深宽 (左)及模(右)温度分布(流通深12gm 比为结构模具温度变化,并 与实验达成验证,利用感 Measured Simulated 应加热模具表面,微结构 宽30~50以 深120μm 及600μm,可以发现快 163 159.1 速模具加热从60℃加热至 140.7 140℃,只需要2~3秒,由 1222 于感应加热只加热集肤深度, 但模具表面与微流道底部的 温度差会小于2℃,仿真显 64- 示电磁波能深入微流道底部 利用感应加热提升模面温度 成功地改善微结构成型的转 ▲:103℃ ▲:99.2℃ 写性达到96% 6致谢 图5感应加热在加热后冷却4秒测 本研究是由行政院国家 (左)及模拉(右)温度分布(流道深120m均匀化 科学委员会辅助,国科会编 P1 号:NSC 94-2745-E-033-001 99.18 参考文献 120m 98.10 [IJM.N iggem a n B. B laesi,v.Boerner, A 99.13 G om bert. M, Kicker, v Bottom Kuebler P L a lanne and △T=0.07C △T=098℃ Vw ittw er.Proc. SPIE 4438 108-15,2001) △T=Top- Botton 2R. U hich, H P W eberE A. Chanddross, W..Tom linso 图6当达到目标温度100℃时,微结构位置P1及P2之仿真温度分布(流道深120μ 《塑胶工业》 26中国塑料机械信息网ht:www.plasexpo
《塑胶工业》 26 中国塑料机械信息网 http: //www.plasexpo.com 深 600μm，电磁波同样能 深入微流道底部作加热。图 10 是成型高度与模具温度 之关系在抽真空与无抽真空 两种情况。当模具温度在充 填时高于材料的玻璃转化温 度 ( ～ 120℃ ) 则成型的转 写性可以明显被改善。 5 结 论 本研究利用感应加热搭 配冷却水达成模具快速加热 冷却控制并运用于微结构 射出成形制程中，同时以 CAE 模拟分析已掌握高深宽 比为结构模具温度变化，并 与实验达成验证，利用感 应加热模具表面，微结构 宽 30~50μm， 深 120μm 及 600μm， 可 以发现快 速模具加热从 60℃加热至 140℃，只需要 2~3 秒，由 于感应加热只加热集肤深度， 但模具表面与微流道底部的 温度差会小于 2℃，仿真显 示电磁波能深入微流道底部， 利用感应加热提升模面温度 成功地改善微结构成型的转 写性达到 96%。 6 致 谢 本研究是由行政院国家 科学委员会辅助，国科会编 号：NSC 94-2745-E-033-001- URD 参考文献 [1]M.Niggemann. B.Blaesi,V.Boerner,A. Gombert,M.Klicker,V. K u e b l e r , P . L a l a n n e a n d V.Wittwer,Proc.SPIE 4438 108-15,(2001). [2]R.Ulrich,H.P.Weber,E. A.Chanddross,W.J.Tomlinson 注 塑 机 专 题
注塑机专题 P1 P2 and e.a..franke, A ppl Phys, Le tt20213-50972) M arc J M adoulL Jam es H S C. Chen, H.S. Peng, J. A Chang and W.RJong, In ter. Com m um,H eat& M ass Trans. Height: 114.4 um Height: 115. 98 u m ANTEC,556-5602005) 射显微镜之量测结果图在微流道位置P1及P2 d B K burma l of In je c tion M o ld in g 140 Technobgy, 6, 11-17 2002) 70.B ior and K Pre is, IEEE Trans M agn.25,3145-31490989 Pl P2 [8]H.T F A pp licatio, Chw a Book Com pany Ltd, Taw an (995). 100 120 140 Mold Temp.C℃C) 图8使用感应加热,成型高度随着模具温度提高而增加 133.65 600am 139.53 133.60 13949 △T=003℃ △T=0.05℃C △T=Top- Bottom 图9当达到目标温度100℃时微结构位置P1及P2之仿真 温度分布流道深120gm with vacuum -o-without vacuum 406080100120140160180200 图10使用感应加热,成型高度随着模具温度提高而增加 中国塑料机械信息网htp://vww.plasexpo.com②7 《塑胶工业
中国塑料机械信息网 http: //www.plasexpo.com 27 《塑胶工业》 注 塑 机 专 题 and E.A.Franke,Appl. Phys,Lett.20213-5(1972). [3]Marc J.Madoul,L.James Lee,Kurt W.Koelling,Sylvia Daunert,SPE ANTEC,227,(2003). [4]S.C.Chen,H.S.Peng,J. A.Chang and W.R.Jong,Inter. Commum.Heat & Mass Trans., 31,971-980(2003). [ 5 ] S . C . C h e n , J . A . C h a n g Y.J.Chang and S.W.Chau,SPE ANTEC,556-560(2005) [6]D.Yao,M.Chen and B.Kim, Journal of Injection Molding Technology,6,11-17(2002) [7]O.Bior and K.Preis,IEEE Trans Magn.,25,3145-3149(1989 ). [ 8 ] H . T . C h e n , H i g h Frequency Basic Theory and Application,Chwa Book Company Ltd.,Taiwan(1995)