CN105946176A - 一种基于准静密封状态下的可插拔换芯微注塑模具 - Google Patents

Abstract

本发明涉及微注塑成型模具技术领域，具体为一种基于准静密封状态下的可插拔换芯微注塑模具。该模具包括定模、动模和顶出装置，定模包括定模板、阶梯型插板、型芯、螺钉C和密封框；定模板通过注塑机螺钉与注塑机后座相连接；定模板分型面上开设有阶梯型插槽，型芯位于阶梯型插槽内，阶梯型插板末端表面与定模板分型面平齐，阶梯型插板与阶梯型插槽形成定模型腔。本发明模具的分体式结构简单可靠，便于零部件的调整和更换；顶出时，推杆与制件上无微结构面接触，避免了结构破坏；模具型腔周向布置有O型密封圈，利用真空泵连接动模板上的真空接头，在注塑过程中实现抽真空排气。

Description

一种基于准静密封状态下的可插拔换芯微注塑模具

技术领域

本发明涉及一种基于准静密封状态下的可插拔换芯微注塑模具，属于微注塑成型模具技术领域，主要应用在聚合物平板微器件的多品种、小批量生产制造中。

背景技术

平板式微器件是一种包含微纳结构的平板状零件，常见的平板微器件有微流控芯片、导光板、平板微透镜阵列、波导微环谐振器及微波导光栅等，它们在生物或化学分析，液晶显示，光学成像，光通信等领域都具有应用价值。

在平板微器件的生产中，聚合物材料由于具有成本低、光学特性好、生物兼容性好的优点，已成为平板微器件理想的制备材料。聚合物平板微器件的成型技术有热压成型、微注塑成型、挤出成型、纳米压印等，其中，微注塑成型具有周期短、成本低、重复性好、成型精度高等优点，适合平板微器件的批量生产。

在微注塑成型中，微模具对制件的成型质量有显著的影响，微注塑过程中的模温控制、排气控制、塑件顶出等设计也与微模具结构密不可分。平板微器件上的微结构的尺寸在微米或纳米级别，并且具有一定的尺寸精度，模具型芯的制造方法，直接影响到微结构的成型精度及后续的使用性能；型芯的装配方法，不仅影响模具的闭合精度和制件的成型质量，而且是平板微器件批量生产的重要因素。因此，在微注塑过程中获得成型质量好的平板微器件，需要设计制造出精度高、使用方便的微模具。

发明内容

本发明提供了一种基于准静密封状态下的可插拔换芯微注塑模具，以插拔方式实现微结构部分的更换，可以方便、快速的更换型芯，有利于不同精度和材料工艺的兼容，能够发挥不同加工方法的优势，重复性高，满足不同结构平板微器件的生产要求。

本发明的技术方案如下：一种基于准静密封状态下的可插拔换芯微注塑模具，包括定模、动模和顶出装置，

定模包括定模板、阶梯型插板、型芯、螺钉C和密封框；定模板通过注塑机螺钉与注塑机后座相连接；定模板分型面上开设有阶梯型插槽，型芯位于阶梯型插槽内，阶梯型插板末端表面与定模板分型面平齐，阶梯型插板与阶梯型插槽形成定模型腔，阶梯型插板上设有与阶梯型插槽底部的螺纹孔相对应的沉孔，沉孔与螺纹孔分别与螺钉C配合使用，定模板板上设有主流道，主流道与动模板上的分流道和浇口构成模具的浇注系统；定模板和动模板内部均开设有水道，水道通过热水道接头、软管与模温机相连；

动模包括动模固定板、动模垫板和动模板；动模板、动模垫板和动模固定板通过螺钉A和定位销连接；动模板通过注塑机螺钉与注塑机前座连接；动模板分型面上开有动模板型腔，动模板型腔周向布置有密封圈；动模固定板、动模垫板和动模板上均开设有推杆孔和拉料杆孔，与顶出装置中的推杆和拉料杆配合；动模板内部开有排气通道，排气通道通过真空接头与软管、真空泵相连；

顶出装置包括顶针、顶针圆盘、推杆固定板、推杆和拉料杆；推杆和拉料杆装配在推杆固定板上，顶针装配在顶针圆盘上，顶针圆盘和推杆固定板通过螺钉B连接；推杆和拉料杆利用顶针和注塑机连接，在注塑机动力装置的驱动下实现顶出运动。

进一步的，所述的阶梯型插槽为阶梯型半通槽。

进一步的，所述的定模板和动模板内部均开设有U型水道。

进一步的，所述的密封圈为O型密封圈。

进一步的，所述的拉料杆与推杆固定板连接处设有拉料杆O型密封圈。

进一步的，所述的螺钉C为内六角螺钉。

本发明的有益效果如下：模具的分体式结构简单可靠，便于零部件的调整和更换；顶出时，推杆与制件上无微结构面接触，避免了结构破坏；模具型腔周向布置有O型密封圈，利用真空泵连接动模板上的真空接头，在注塑过程中实现抽真空排气；型芯装配简单易行，解决了型芯拆卸困难的问题，而且操作过程不影响模具的闭合精度，多个插板与不同结构的型芯配套使用，实现了型芯的快速更换，型芯周向粘贴有密封框，避免塑料熔体渗入插板与插槽的空隙中，造成拆卸困难。经实验验证，在注塑过程中可以获得满意的成型制件。

附图说明

图1是基于准静密封状态下的可插拔式微注塑模具的主视图；

图2是图1的A-A剖视图；

图3是图1的B-B剖视图；

图4是图1的C向视图；

图5是图1的D向视图；

图6是图1的E向视图；

图7是图1的F向视图；

图8是阶梯型插板的零件图；

图9是加工后的模具型芯图；

图10是密封框图；

图11是型芯装配流程图；

图12是加工完成后的模具图；

图13是使用本发明的可插拔式微注塑模具生产制造出的微混合器芯片；

图14是准静态密封元件的结构示意图。

其中：1、注塑机螺钉，2、定模板，3、热水道接头，4、真空接头，5、动模板，6、动模垫板，7、定位销，8、动模固定板，9、推杆固定板，10、顶针圆盘，11、顶针，12、螺钉B，13、推杆，14、拉料杆，15、螺钉A，16、拉料杆O型密封圈，17、动模板O型密封圈，18、螺钉C，19、阶梯型插板，20、密封框，21、模具型芯，22、动模板型腔，23、阶梯型插槽，24、注塑机后座，25、注塑机前座。

具体实施方式

以下结合技术方案和附图详细说明本发明的实施。

如图1-图12所示，一种基于准静密封状态下的可插拔换芯微注塑模具，包括定模、动模和顶出装置，定模包括定模板2、阶梯型插板19、型芯21、螺钉C 18和密封框20；定模板2通过注塑机螺钉1与注塑机后座24相连接；定模板分型面上开设有阶梯型插槽23，型芯21插入阶梯型插槽23后，阶梯型插板19末端表面与定模板分型面平齐，阶梯型插板19与阶梯型插槽23形成定模型腔，阶梯型插板19上设有与阶梯型插槽23底部的螺纹孔相对应的沉孔，沉孔与螺纹孔分别与螺钉C 18配合使用，定模板2板上设有主流道，动模板5上加工有分流道和浇口，主流道、分流道和浇口构成模具的浇注系统；定模板2和动模板5内部均开设有水道，水道通过热水道接头3、软管与模温机相连；动模板5内部开有排气通道，排气通道通过真空接头4与软管、真空泵相连；

动模包括动模固定板8、动模垫板6和动模板5；动模板5、动模垫板6和动模固定板8通过螺钉A15和定位销7连接；动模板5通过注塑机螺钉1与注塑机前座25连接；动模板分型面上开有动模板型腔22，动模板型腔22周向布置有密封圈17；动模固定板8、动模垫板6和动模板5上均开设有推杆孔和拉料杆孔，与顶出装置中的推杆13和拉料杆14配合；

顶出装置包括顶针11、顶针圆盘10、推杆固定板9、推杆13和拉料杆14；推杆13和拉料杆14装配在推杆固定板9上，顶针11装配在顶针圆盘10上，顶针圆盘10和推杆固定板9通过螺钉B12连接；推杆13和拉料杆14利用顶针11和注塑机连接，在注塑机动力装置的驱动下实现顶出运动，所述的阶梯型插槽23为阶梯型半通槽，所述的定模板2和动模板5内部均开设有U型水道，所述的密封圈17为O型密封圈，所述的拉料杆14周向设有拉料杆O型密封圈，所述的螺钉C18为内六角螺钉。

本发明设计制造了一种插拔式微注塑模具，模具采用分体式结构，包括顶出装置，定模和动模三部分，设计了浇注系统、模温控制系统和真空排气系统，选择玻璃、硅等材料，利用湿法刻蚀等微加工工艺制造带有微结构的模具型芯，设计了插拔式型芯装配方法，将型芯21与阶梯形插板19粘贴后，再插入模具的阶梯型插槽23内，利用密封框20避免塑料熔体渗入阶梯形插板与阶梯型插槽23形成的空隙中。

推杆固定板9上开有推杆孔和拉料杆孔，将推杆13和拉料杆14装入后，通过螺钉B 12与装有顶针11的顶针圆盘10连接，顶针11末端开有通孔，通过螺钉B 12与注塑机的驱动单元连接，在注塑机的驱动下，顶针圆盘10和推杆固定板9前后移动，从而实现了推杆13和拉料杆14的顶出运动，由于型芯21装配在定模板2上，因此推杆13与制件无微结构的一面接触，避免了结构破坏；动模固定板8，动模垫板6和动模板2上均开有位置对应的销孔和螺纹孔，通过定位销7和动模固定板螺钉15连接后，安装在注塑机前座25上，使推杆13和拉料杆14从对应的推杆孔和拉料杆孔中穿过，动模通过注塑机螺钉1与注塑机前座25连接，在注塑机的驱动下实现合模运动；定模板2安装在注塑机后座24上，通过注塑机螺钉1连接；动模板5和定模板2内均加工有U形热水道，通过顶部的热水接头3与模温机连接，通过水循环加热实现对模具的温度控制；动模型腔22周向布置有动模板O形密封圈，在合模后防止空气进入动模型腔22，动模板5内部加工有真空排气通道，通过真空接头4与真空泵连接，合模后抽出动模型腔22内残余气体。

型芯21的制作过程为；首先将一定厚度的硅、玻璃材料切割成所需的尺寸，然后清洗、氧化，利用光刻技术在氧化后的材料上加工出所需的图案，再以坚膜后的光刻胶为掩膜，用湿法刻蚀或干法刻蚀技术加工出所需尺寸的微结构。

型芯21的装配过程为：设计了一种阶梯形插板19，其形状和尺寸与定模板阶梯形插槽23相一致，阶梯形插板19一端钻有沉孔，插入后与定模板阶梯形插槽23的螺纹孔位置对应；装配时，首先用高温胶将已加工的型芯23粘贴在阶梯形插板19上，然后，将阶梯形插板19连同型芯21插入定模板阶梯形插槽23内，用螺钉C 18将插板与定模板2紧固，最后用高温胶将密封框20粘贴在型芯21周向的对应位置，此时，型芯21已填满定模型腔；拆卸型芯21时，首先将密封框20取下，松开螺钉C 18，即可将插板19连同型芯从定模板2上卸下，无需将定模板2从注塑机上卸下；为了实现不同型芯21的快速更换，加工出多个阶梯形插板19，与不同结构的模具型芯21配套使用，型芯21与阶梯形插板19粘贴后不再取下，使用时只需将带有型芯21的阶梯形插板19插入定模阶梯形插槽23即可。

本发明设计制造的可插拔式微注塑模具，采用分体式结构，设计有浇注系统、真空排气系统和模温控制系统；型芯的制造方法为：型芯部分根据其材料不同、要求的加工精度不同，采用不同的微加工方式制造微结构。如选用金属材料型芯，适用的加工方法分为去除材料成形(激光切割、微细铣削、微细电火花加工等方法)和堆积材料成形(UV-LIGA和LIGA加工方法)；选用非金属材料型芯如硅、玻璃、陶瓷等材料，则利用干法刻蚀或湿法刻蚀等技术实现微纳结构制造。在材料上加工出与平板微器件对应的微结构，将其切割成所需的尺寸，插入定模安装，实现了型芯的快速、无损装配，在平板微器件的生产中取得了满意的效果。

图14是安装在阶梯型插板19和定模外沟槽内的O形密封圈，大小根据型芯尺寸而定。O形密封圈受到挤压后，在承受压力的一侧会产生镰刀形空腔，在工作压力升高时，O形密封圈被推向外侧，致使这个镰刀形的空腔减少，只要工作压力不低于O形密封圈的变形阻力，O形密封圈将保持其变形状态，在这种工作状态下，密部位不会产生泄露；在工作压力不大于O形密封圈的变形阻力时，O形密封圈恢复到其初始状态。这个过程在压力冲击时反复出现，在这种状态下，O形密封圈已经不再是静态的密封件件，而是“准静态”的密封元件。

本发明将微模具的型芯部分分离出来，模具不含要复制的微细结构部分，一般采用机械加工方法就能满足精度要求。微模具中，用于复制的微结构部分称为型芯，微注塑要求型芯尺寸精度高、耐高温、耐冲击、耐疲劳、并且能与模具其它机构和特征位置相配合。型芯材料可以是金属材料，也可为非金属材料，根据不同的材料、精度，采用不同的微、精加工方式。型芯的快速更换，有利于不同精度和材料工艺的兼容，能够发挥不同加工方法的优势，有效降低模具的制作成本，提高生产效率，进而满足多品种小批量、灵活的生产方式。

实施例：微流控芯片的制作

利用本发明的可插拔式微注塑模具加工制造微流控芯片，芯片尺寸(长×宽×厚)为35×20×1.2mm。模具的顶出装置、动模部分和定模部分(不含插板和型芯)选用45钢，采用车削、铣削等机械加工技术进行制造；插板选用耐磨性较好的Cr12钢，采用电火花、线切割等机械加工技术进行制造；选用硅作为型芯材料，其制造过程为：选取一定厚度的单晶硅片，清洗、氧化后，硅片表面沉积了一层二氧化硅薄膜；在薄膜表面用甩胶机均匀地覆盖上一层光刻胶，采用光刻技术将掩膜板上的图案通过曝光成像的原理转移到光胶层上；然后，采用干法刻蚀或湿法刻蚀技术在硅片表面加工出一定尺寸的微结构；最后，用砂轮划片机将硅片切割成所需的尺寸。图12为加工完成后的模具。

图13为本发明制造完成的微混合器芯片，芯片表面的微通道尺寸为100μm×60μm(宽×深)，储液池与废液池的直径为φ2mm，经实验验证，芯片质量满足要求。

Claims (6)

1.一种基于准静密封状态下的可插拔换芯微注塑模具，其特征在于，包括定模、动模和顶出装置，

定模包括定模板(2)、阶梯型插板(19)、型芯(21)、螺钉C(18)和密封框(20)；定模板(2)通过注塑机螺钉(1)与注塑机后座(24)相连接；定模板分型面上开设有阶梯型插槽(23)，型芯(21)位于阶梯型插槽(23)内，阶梯型插板(19)末端表面与定模板分型面平齐，阶梯型插板(19)与阶梯型插槽(23)形成定模型腔，阶梯型插板(19)上设有与阶梯型插槽(23)底部的螺纹孔相对应的沉孔，沉孔与螺纹孔分别与螺钉C(18)配合使用，定模板(2)上设有主流道，主流道与动模板(5)上的分流道和浇口构成模具的浇注系统；定模板(2)和动模板(5)内部均开设有水道，水道通过热水道接头(3)、软管与模温机相连；

动模包括动模固定板(8)、动模垫板(6)和动模板(5)；动模板(5)、动模垫板(6)和动模固定板(8)通过螺钉A(15)和定位销(7)连接；动模板(5)通过注塑机螺钉(1)与注塑机前座(25)连接；动模板分型面上开有动模板型腔(22)，动模板型腔(22)周向布置有密封圈(17)；动模固定板(8)、动模垫板(6)和动模板(5)上均开设有推杆孔和拉料杆孔，与顶出装置中的推杆(13)和拉料杆(14)配合；动模板(5)内部开有排气通道，排气通道通过真空接头(4)与软管、真空泵相连；

顶出装置包括顶针(11)、顶针圆盘(10)、推杆固定板(9)、推杆(13)和拉料杆(14)；推杆(13)和拉料杆(14)装配在推杆固定板(9)上，顶针(11)装配在顶针圆盘(10)上，顶针圆盘(10)和推杆固定板(9)通过螺钉B(12)连接；推杆(13)和拉料杆(14)利用顶针(11)和注塑机连接，在注塑机动力装置的驱动下实现顶出运动。

2.如权利要求1所述的基于准静密封状态下的可插拔换芯微注塑模具，其特征在于，阶梯型插槽(23)为阶梯型半通槽。

3.如权利要求1所述的基于准静密封状态下的可插拔换芯微注塑模具，其特征在于，定模板(2)和动模板(5)内部均开设有U型水道。

4.如权利要求1所述的基于准静密封状态下的可插拔换芯微注塑模具，其特征在于，所述的密封圈(17)为O型密封圈。

5.如权利要求1所述的基于准静密封状态下的可插拔换芯微注塑模具，其特征在于，所述的拉料杆(14)与推杆固定板(9)连接处设有拉料杆O型密封圈。

6.如权利要求1所述的基于准静密封状态下的可插拔换芯微注塑模具，其特征在于，所述的螺钉C(18)为内六角螺钉。