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