莊 儉,張亞軍,吳大鳴,董鵬偉

(北京化工大學塑料機械及塑料工程研究所,北京100029)

微流控芯片注射成型過程的數(shù)值模擬研究

莊 儉,張亞軍＊,吳大鳴,董鵬偉

(北京化工大學塑料機械及塑料工程研究所,北京100029)

以生物測試上廣泛使用的微流控芯片為研究對象,研究使用聚合物微型注塑方法進行類似產(chǎn)品大規(guī)模、批量化生產(chǎn)的可能性。在建立微流控芯片結構模型的基礎上,運用聚合物成型分析軟件Moldflow對其在不同工藝參數(shù)下的成型過程進行了系統(tǒng)研究。結果表明,熔體溫度的改變對充填時間的影響甚微,充填時間隨著注射速度的增加而明顯縮短,注射壓力隨熔體溫度的增加而減小,隨注射速度的增加而增加。增加熔體溫度和注射速度可以降低翹曲變形。

微注射成型;微流控芯片;熔體充模流動;數(shù)值模擬

0 前言

隨著生物醫(yī)療、信息和微機電系統(tǒng)等領域對微小制品需求的不斷增長,微注射成型技術得到了越來越廣泛的應用[1-3]。由于微注塑制品與傳統(tǒng)注塑制品在整體或者局部尺寸上存在巨大差異,影響注塑制品加工過程中的因素與傳統(tǒng)注塑制品加工過程相比發(fā)生很大變化,許多研究者從不同的角度對微注塑過程進行了研究[4-6]。Shen等[7]通過數(shù)值模擬的方式,得到了模具溫度是影響微結構填充效果的最重要因素。Sha等[8]得到了除模具溫度之外,熔體溫度是影響微注塑產(chǎn)品質量的重要因素。其他學者通過研究也表明,在影響微注塑成型的眾多因素中,模具溫度、熔體溫度和注射速度占主導地位[9-11]。但目前的總體狀況是微注射成型技術研究還處于初級階段,許多基礎理論還不完善,微注射成型工藝還不夠成熟[12-14]。

微流控芯片是在微小芯片上,由微通道形成的網(wǎng)絡,以可控流體貫穿整個系統(tǒng),可實現(xiàn)樣品制備、反應、分離、檢測,細胞培養(yǎng)、分選、裂解等基本操作單元的集成,主要應用于化學分析、食品檢測、藥品分析、病原檢測等方面[15]。本文以微結構典型制品——微流控芯片為研究對象,進行微結構的注射成型模擬實驗。研究利用三維設計軟件Pro/E建立了微流控芯片的結構模型,然后運用聚合物成型分析軟件Moldflow對其在不同熔體溫度和注射速度等工藝參數(shù)下的注射加工過程進行了數(shù)值模擬,并對模擬結果進行系統(tǒng)的分析,可為具有微結構注塑件產(chǎn)品的實際生產(chǎn)提供有益的理論依據(jù)。

1 微流控芯片及其工藝參數(shù)

1.1 微流控芯片結構設計

設計微流控芯片的基本結構為 Y型,用于藥物和包裹液的混合,實現(xiàn)藥物包裹的自組裝功能,其主要過程是藥物和包裹液通過注射液體孔注射到上面的藥物池和包裹液池,通過光學操縱法或電場操縱法等方法將樣品運輸?shù)街虚g的組裝池中并進行充分混合、反應、分離等實驗,最后獲得的藥物由下面的微流道流入成品池中,過程原理如圖1所示。

圖1 藥物自組裝位置示意Fig.1 Schematic of drug self-assembly

真核細胞的直徑為10～100μm。微流道寬度為30μm,深度為20μm,其截面形狀為梯形。微流道相交處有一個圓柱形組裝池,其直徑為150μm,深度為35μm。微流控芯片總體尺寸為30 mm×35 mm×0.75 mm,注射澆口直徑為1 mm,材料選用聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)。利用Pro/E軟件建立微流控芯片的模型,其中組裝池處局部放大圖如圖2所示。

圖2 組裝池相交處局部放大圖Fig.2 Enlargement of local assembly interaction

1.2 基本工藝參數(shù)

根據(jù)微注射成型的特點和PMMA材料的成型工藝推薦值,設置的成型工藝為模具溫度70℃、熔體溫度250 ℃、注射行程 60mm、最大注射 速率100 cm3/s、螺桿直徑 18 mm、保壓時間 10 s、保壓壓力80 MPa。

2 運用Moldflow進行數(shù)值模擬

2.1 劃分網(wǎng)格

將Pro/E生成的三維圖形導入到Moldflow軟件中,以單元邊長為1.4 mm對微流控芯片進行整體網(wǎng)格劃分,然后再對微結構部分進行網(wǎng)格局部細化,整體的網(wǎng)格圖和局部放大圖如圖3和圖4所示。對網(wǎng)格進行檢查和修補,對縱橫比進行診斷,根據(jù)網(wǎng)格統(tǒng)計結果顯示網(wǎng)格質量良好。

圖3 網(wǎng)格劃分整體圖Fig.3 Whole map of meshing

圖4 網(wǎng)格劃分局部放大圖Fig.4 Enlargement of local mesh

2.2 創(chuàng)建澆口和流道

注射澆口位置的設計決定了聚合物的流動方向和流動的平衡性。利用Moldflow軟件優(yōu)化澆口位置功能,得到澆口位置位于產(chǎn)品的幾何中心成型質量最佳,澆口位置越向外匹配性越差,因此,確定澆口位置在微流控芯片背面中心處。澆口類型選擇為針點式澆口,主流道截面選為圓形,流道底部直徑為3 mm。

2.3 充填過程的數(shù)值模擬及分析

模具溫度70℃時,充填過程的實驗方案和工藝條件見表1。

表1 模擬實驗方案Tab.1 Simulation program

利用Moldflow軟件,得到各組實驗的模擬結果,分別對填充時間、翹曲變形、壁面剪切應力、速度/壓力切換時的壓力分布、充填結束時的總體溫度分布、氣孔、體積收縮率的模擬結果進行分析。

2.3.1 充填時間

在模具溫度為70℃,注射速度不變的條件下,充填時間會隨著熔體溫度的增加而減少,但并不明顯;當熔體溫度不變時,充填時間隨著注射速度的增加而明顯減少。

2.3.2 翹曲變形

從圖5可以看出,翹曲變形沿著制品的幾何中心由小到大對稱分布;熔體溫度不變時,最大翹曲變形隨著注射速度的增加而減少;注射速度不變時,最大翹曲變形隨著熔體溫度的增加而減小,但降低的幅度都非常小,均在幾十微米左右。

圖5 實驗12翹曲變形圖Fig.5 The picture of warpage in experiment 12

2.3.3 壁面剪切應力

模擬結果中壁面剪切應力分別為 3.57、3.62、3.51 MPa,因此注射速度不變,改變熔體溫度,剪切應力沒有規(guī)律性變化;熔體溫度不變時,剪切應力隨著注射速度的增加而減小。從圖6可以看出,剪切應力的分布是沿著制品的幾何中心對稱分布。

圖6 實驗3中壁上剪切應力Fig.6 Wall shear stress in experiment 3

2.3.4 速度/壓力切換時的壓力分布

圖7為熔體溫度為270℃、注射速度為20 cm3/s時的模擬結果。當充填體積達到99%時,充填由速度控制轉換為壓力控制,此時的最大壓力在流道處為22.86 MPa。著色部分C為已充填部分,均是在速度控制下完成充填的;灰色區(qū)域A、B為未充填區(qū)域,這一部分將在壓力的控制下完成充填。

圖7 速度/壓力切換時的壓力Fig.7 The pressure at velocity/pressure switch

2.3.5 充填結束時的總體溫度分布

充填結束時的總體溫度分布如圖8所示(熔體溫度為270℃,注射速度為20 cm3/s)。流動前沿的最高溫度不在澆口位置,產(chǎn)生這種現(xiàn)象的原因是當熔體前沿流到芯片末端的時候,澆口附近的表面已經(jīng)冷卻,溫度沿著制品幾何中心由小到大對稱分布,其最高溫度與最低溫度差為0.2℃。充填結束時的總體溫度分布并不均勻,容易引起收縮不均勻而導致制件變形。

圖8 充填結束時的總體溫度Fig.8 Overall temperature at the ending of filling

2.3.6 氣孔

從圖9可以看出,熔體溫度為270℃、注射速度為20 cm3/s時,氣孔主要分布于微流道的末端以及芯片拐角末端,這使得微流道的成型質量降低。因此需要在型腔最后充填的區(qū)域增加排氣設計,否則可能導致氣體無法排出,形成死角,使芯片在這里出現(xiàn)燒結現(xiàn)象。

圖9 氣孔分布Fig.9 Distribution of stoma

2.3.7 體積收縮率

圖10為熔體溫度為270℃、注射速度為20 cm3/s時體積收縮率的分布圖。從圖中可以看出,微流控芯片體積收縮率沿著芯片的幾何中心由小到大對稱分布,紅色區(qū)域最大,達到6.020%。這是由于在邊緣處可能存在充填分布不均而形成的。

圖10 體積收縮率Fig.10 Volume shrinkage

3 結論

(1)通過模擬發(fā)現(xiàn)熔體溫度的改變對充填時間的影響甚微,而充填時間隨著注射速度的增加明顯減小;

(2)注射壓力隨熔體溫度的增加而減小,隨注射速度的增加而增加;

(3)增加熔體溫度和注射速度可以降低翹曲變形。

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Simulation of Injection Molding of Micro Fluidic Chips

ZHUAN GJian,ZHANG Yajun＊,WU Daming,DONG Pengwei
(Institute of Plastic Machinery and Engineering,Beijing University of Chemical Technology,Beijing 100029,China)

The micro fluidic chips were studied in this work.The configuration of the micro fluidic chips were designed by software Moldflow ,which was used to simulate the micro fluidic chips under different process parameters.It showed that the melt temperature had little effect on the filling time,while filling time decreases with increasing injection speed.Injection pressure decreases with increasing melt temperature and injection speed.The warpage of the fluidic chip can be reduced by increasing the melt temperature and injection speed.

micro injection molding;micro fluidic chip;melt filling flow;numerical simulation

TQ320.5+1

B

1001-9278(2011)03-0061-04

2010-11-17

中央高?；痦椖抠Y助(ZZ1011,JD0905)

＊聯(lián)系人,zhyj@mail.buct.edu.cn