1基片與蓋片一體化注塑成型模具設(shè)計(jì)

1. 1產(chǎn)品簡(jiǎn)介

圖1所示是本文成型的一種典型的基片與蓋片一體化微流控芯片塑件排布圖,中間為流道和澆口部分,左側(cè)為附有十字微通道的基片,右側(cè)為附有儲(chǔ)液池(即4個(gè)椎2mm通孔)的蓋片,成型時(shí)基片與蓋片外形整體尺寸長(zhǎng)82mm,寬40mm,厚1.2mm.芯片材料為聚甲基丙烯酸甲酯PMMA。鍵合時(shí),使基片上的十字微通道端點(diǎn)與蓋片上的儲(chǔ)液池中心一一對(duì)應(yīng),鍵合結(jié)束,裁切外形尺寸至長(zhǎng)75mm,寬25mm,最終得到成品見(jiàn)圖2

1. 2模具設(shè)計(jì)與動(dòng)作原理

對(duì)于基片與蓋片一體化微流控芯片注塑模具設(shè)計(jì),與以往的微流控芯片注塑模具區(qū)別在于如何解決好儲(chǔ)液池的成型與脫模問(wèn)題.雖然儲(chǔ)液池的結(jié)構(gòu)看似簡(jiǎn)單,但由于蓋片為透明件,并在其上不留有推出痕跡,因而給成型與脫模帶來(lái)很多問(wèn)題.成型儲(chǔ)液池的型芯若安裝在動(dòng)模一側(cè),則有利于開(kāi)模后使塑件留在動(dòng)模一側(cè)并借助推桿推出。而由于推桿必須布置在塑件的邊緣位置,以便在鍵合后切除,使微流控芯片成品不留有推桿痕跡;因此推桿中心與儲(chǔ)液池的成型型芯中心相距較遠(yuǎn),塑件由于收縮在儲(chǔ)液池的成型型芯周?chē)a(chǎn)生較大的包緊力,從而在推桿推出時(shí)會(huì)對(duì)塑件產(chǎn)生很大的扭矩,實(shí)踐中也發(fā)現(xiàn)這種扭矩會(huì)造成塑件在型芯處發(fā)生撕裂。為使塑件在脫模過(guò)程中平穩(wěn)推出,也可以考慮在成型儲(chǔ)液池的型芯處采用推管推出,但雖能解決塑件撕裂問(wèn)題,但在儲(chǔ)液池周?chē)鷷?huì)留下一圈明顯的推管推出痕跡,不利于后期的鍵合和應(yīng)用。

圖1微流控芯片塑件排布圖

圖2微流控芯片

為此,本文提出一種定模抽芯機(jī)構(gòu)來(lái)解決上述問(wèn)題,模具設(shè)計(jì)裝配圖如圖3所示,采用主、側(cè)視圖合一(90毅轉(zhuǎn)角)的畫(huà)法(即以中心線為界,主、側(cè)視圖各畫(huà)一半,合二為一).模具模架選用三板式注塑模具模架,但拆除標(biāo)準(zhǔn)模架中定模座板與定模板間的推料板,定模板仍可沿導(dǎo)柱滑動(dòng),模架仍可實(shí)現(xiàn)二次開(kāi)模.成型圓孔狀儲(chǔ)液池的型芯固定在定模座板上,從定模板、定模鑲塊和動(dòng)模鑲塊中穿過(guò),從而在芯片上形成圓孔,并可在其中滑動(dòng).尼龍?zhí)祖i模組件安裝在定模板和動(dòng)模板之間,用于控制開(kāi)模順序。

模具合模后,經(jīng)過(guò)注射、保壓和冷卻階段,由于尼龍?zhí)祖i模組件中尼龍?zhí)诐q緊力的作用,開(kāi)模時(shí),定模板與動(dòng)模板之間保持相對(duì)靜止,而定模座板與定模板之間首先分開(kāi),帶動(dòng)固定在定模座板上的成型圓孔狀儲(chǔ)液池的型芯在定模板內(nèi)滑動(dòng),并從動(dòng)模鑲塊抽出,直到定模板遇到限位墊圈,停止前行,抽芯動(dòng)作結(jié)束。繼續(xù)開(kāi)模,注塑機(jī)的開(kāi)模力克服尼龍?zhí)祖i模組件中尼龍?zhí)椎臐q緊力使定模板與動(dòng)模板分開(kāi),完成開(kāi)模.此時(shí)由于型腔設(shè)置在動(dòng)模鑲塊中,成型后的塑件留在動(dòng)模一側(cè),由推桿推出得到微流控芯片的基片與蓋片成品.成型試驗(yàn)表明,采用定模先行抽芯機(jī)構(gòu),避免了芯片脫模時(shí)儲(chǔ)液池處的變形損壞,使蓋片可以完整的成型。

圖3模具裝配圖

2微流控芯片注塑成型難點(diǎn)分析

1基片上的微通道成型

微流控芯片成型主要有兩個(gè)難點(diǎn):一是保證微通道得到很好的復(fù)制,二是使儲(chǔ)液池完整成型和脫模.

微流控芯片基片宏觀呈一平板狀,注塑成型幾乎沒(méi)有什么難度,但由于其上存在微通道,從而增加了成型的不確定性,設(shè)計(jì)的微通道截面形狀如圖4所示。

圖4微通道截面

在注塑成型實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn),微流控芯片產(chǎn)生了一種很明顯的成型缺陷,即芯片的微通道復(fù)制不完全(出現(xiàn)圓角),如圖5所示(電子顯微鏡拍攝的微通道截面放大圖),其他如縮痕、翹曲等缺陷通過(guò)調(diào)整注塑成型工藝參數(shù)較為容易解決。微通道復(fù)制不完全這種缺陷由于影響后續(xù)的芯片鍵合以及取樣液體的電泳分離,對(duì)于微流控芯片來(lái)說(shuō)力求避免,也是微流控芯片注塑成型的主要難點(diǎn)。由于樣品的分離、檢測(cè)是沿著“十字冶形微通道的縱向進(jìn)行,所以本文將重點(diǎn)研究微通道的縱向成形質(zhì)量。

圖5微通道復(fù)制不完全

前期利用正交試驗(yàn)方法進(jìn)行充模試驗(yàn),研究各工藝參數(shù)對(duì)微通道復(fù)制度的影響[10],試驗(yàn)結(jié)果表明在適當(dāng)?shù)墓に嚄l件下,微通道復(fù)制不完全的現(xiàn)象可以得到有效的改善,如圖6所示。

圖6工藝參數(shù)優(yōu)化后的微通道

2.2蓋片上的儲(chǔ)液池成型

在模具結(jié)構(gòu)上的改進(jìn)可以保證成型圓孔狀儲(chǔ)液池的型芯順利抽出,從而保證儲(chǔ)液池完整成型,但由于型芯的存在,在儲(chǔ)液池處容易產(chǎn)生熔接痕,影響蓋片的成型質(zhì)量,如圖7所示.

圖7有熔接痕

熔接痕是由于熔體分流匯合時(shí)熔接不良,沿塑件表面或內(nèi)部產(chǎn)生的細(xì)接縫線.產(chǎn)生熔接痕的主要原因有熔體溫度低、模具溫度低,注射速度慢、注射壓力小等原因[11].對(duì)照提高微通道復(fù)制度的工藝措施,顯然對(duì)減小或消除熔接痕也是適用的,實(shí)踐也證明了這點(diǎn),如圖8所示.

3微流控芯片注塑成型工藝研究

為定量研究微通道復(fù)制的情況,將微通道設(shè)計(jì)寬度與實(shí)際開(kāi)口寬度的比值定義為微通道復(fù)制度。通過(guò)注塑試驗(yàn)來(lái)研究各注塑工藝參數(shù)對(duì)微通道復(fù)制度和圓孔狀儲(chǔ)液池熔接痕的影響。由上述分析可知,與微通道復(fù)制度問(wèn)題相比,消除圓孔狀儲(chǔ)液池熔接痕的問(wèn)題相對(duì)而言比較簡(jiǎn)單,實(shí)踐中發(fā)現(xiàn),在提高微通道復(fù)制度的同時(shí),圓孔狀儲(chǔ)液池熔接痕可以得到縮短直至完全消除。因此,在妥善解決圓孔狀儲(chǔ)液池成型與脫模的難點(diǎn)之后,問(wèn)題的核心是解決微通道復(fù)制度的問(wèn)題。

圖8無(wú)熔接痕

因此本文的試驗(yàn)仍可按前期的研究方法進(jìn)行,主要通過(guò)注塑試驗(yàn)來(lái)研究各注塑工藝參數(shù)對(duì)微通道復(fù)制度的影響.試驗(yàn)方法與數(shù)據(jù)處理仍選用正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)法.根據(jù)正交試驗(yàn)挑因素的原則,排除人為及環(huán)境因素等不可控因素和固定用量因素,依照單因素的試驗(yàn)結(jié)果,考慮較為可取的影響因素為注射壓力、注射速度、熔體溫度和模具溫度等4個(gè)因素,指定微通道復(fù)制度為考察特性指標(biāo).為與以往試驗(yàn)結(jié)果比照,各因素水平選擇與以往試驗(yàn)相同,詳見(jiàn)表1.

表1因素水平表

由于微通道在縱向方向較長(zhǎng),試驗(yàn)時(shí)首先沿縱向分別間隔10mm選取3個(gè)截面進(jìn)行開(kāi)口寬度的考察,經(jīng)檢測(cè)尺寸一致性較好。選取其中的一個(gè)截面為例,正交試驗(yàn)的安排、數(shù)據(jù)的記錄及計(jì)算結(jié)果均列于表2中,試驗(yàn)結(jié)果基本上能得到很好的再現(xiàn).從結(jié)果(極差R值)中可以看出,4個(gè)因素中,模具溫度是影響微通道復(fù)制度的決定性因素,注射速度和熔體溫度是次要因素,而注射壓力相對(duì)其他因素影響力較差,但必須維持在一個(gè)較高的水平.

表2試驗(yàn)方案及結(jié)果

選取因素的水平與指標(biāo)要求有關(guān).要求的指標(biāo)即微通道復(fù)制度是越高越好,應(yīng)該取使指標(biāo)值增加的水平,即各因素中使微通道復(fù)制度最大的那個(gè)水平.所以,把各因素的最好水平簡(jiǎn)單組合起來(lái)就是較好的生產(chǎn)條件,即模具溫度取水平3(95益)、注射速度取水平1(192mm/s)、注射壓力取水平1(120MPa)和熔體溫度取水平3(240益).在此基礎(chǔ)上,試驗(yàn)時(shí)再加以適當(dāng)調(diào)整,總結(jié)出的一種塑料微流控芯片的注塑成型工藝規(guī)范如下:

1）塑料原料選用聚甲基丙烯酸甲酯,預(yù)置在干燥機(jī)中,干燥溫度90益,時(shí)間6h;

2)模具加熱至85~95益.注射機(jī)料筒塑料熔體溫度區(qū)間設(shè)定為230~250益;

3)注射壓力在100~130MPa,保壓壓力為50~70MPa,保壓時(shí)間為2~5s,冷卻時(shí)間在30~40s;

4)注射速度采用慢-快-慢形式,注射速度設(shè)定為:第1段80~100mm/s,第2段110~140mm/s,第3段48~80mm/s.先較低速度注射,保證料流前鋒平穩(wěn)進(jìn)入型腔,然后以高速注射快速填充型腔,最后慢速注射以利型腔排氣.

后續(xù)的試驗(yàn)表明,對(duì)于其他具有不同寬度微通道的微流控芯片,使用上述工藝條件加以適當(dāng)調(diào)整也可獲得滿意的效果.成型的微流控芯片,經(jīng)鍵合和電泳實(shí)驗(yàn),滿足使用要求.目前,通過(guò)注塑成型生產(chǎn)的微流控芯片已批量推向市場(chǎng)。

4結(jié)論

設(shè)計(jì)制造了微流控芯片基片與蓋片一體化注塑成型模具。在保證基片上微通道復(fù)制度滿足需要的同時(shí),通過(guò)定模先行抽芯機(jī)構(gòu),解決了蓋片上圓孔狀儲(chǔ)液池成型與脫模的問(wèn)題。利用該模具可使微流控芯片基片上的微通道和蓋片上的圓孔狀儲(chǔ)液池在注塑時(shí)一起成型,從而可實(shí)現(xiàn)高效率、大批量成型尺寸、形狀準(zhǔn)確均一的芯片。

提出微流控芯片注塑成型工藝規(guī)范。試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)提高基片上微通道的復(fù)制度是保證微流控芯片成型質(zhì)量的關(guān)鍵;正交試驗(yàn)結(jié)果表明,模具溫度是影響微通道復(fù)制度的決定性因素。注射速度和熔體溫度是次要因素，而注射壓力相對(duì)其他因素影響力較差，但必須維持在一個(gè)較高的水平。在此基礎(chǔ)上形成塑料微流控芯片的注塑成型工藝。

文獻(xiàn)來(lái)材料科學(xué)與工藝文章編號(hào):1005-0299(2013)01-0013-05作者：宋滿倉(cāng)，劉瑩，祝鐵麗，杜立群，王敏杰，劉沖（轉(zhuǎn)載僅供參考學(xué)習(xí)及傳遞有用信息，版權(quán)歸原作者所有，如侵犯權(quán)益，請(qǐng)聯(lián)系刪除）