大綱

復(fù)雜的3D塑料產(chǎn)品制造，普遍會(huì)使用仿真技術(shù)來(lái)優(yōu)化模具設(shè)計(jì)，然而若要精確掌握射出成型中微小特征的流動(dòng)行為，卻是非常困難。本項(xiàng)目以一微流體流式細(xì)胞儀芯片中關(guān)鍵的典型微特征，來(lái)研究可行的仿真微特征流動(dòng)行為的方法，同時(shí)探討導(dǎo)熱系數(shù)、排氣、壁滑移、凝固溫度等因素之影響。研究結(jié)果發(fā)現(xiàn)可以成功預(yù)測(cè)微特征的充填不足現(xiàn)象，并且藉由兩種微流體模具工具嵌件的配置來(lái)驗(yàn)證參數(shù)。本項(xiàng)目是一個(gè)重要的模擬案例，對(duì)于高分子微小儀器制造中的微特征射出成型，以及具有微小特征的模具工具嵌件的研究，都有很大的幫助。

挑戰(zhàn)

• 微特征模腔中的高分子熔膠流動(dòng)行為難以掌握

• 在模具工具制造前，很難用預(yù)設(shè)或一般的參數(shù)來(lái)仿真預(yù)測(cè)微小特征的缺陷

解決方案

利用Moldex3D Designer BLM修正特定的網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)灑點(diǎn)。分析過(guò)程中并結(jié)合實(shí)際機(jī)臺(tái)響應(yīng)和物理現(xiàn)象(包括導(dǎo)熱系數(shù)、排氣、壁滑移和凝固溫度)等真實(shí)制程條件，確保微特征的流動(dòng)問(wèn)題能夠被預(yù)測(cè)出來(lái)

效益

• 成功預(yù)測(cè)微特征的不完全充填

• 在制造前評(píng)估替代設(shè)計(jì)方案，省下時(shí)間和金錢(qián)

案例研究

具有復(fù)雜幾何和高精密度的微小聚合物產(chǎn)品，普遍使用微結(jié)構(gòu)射出成型技術(shù)來(lái)進(jìn)行大量生產(chǎn)，例如微流道、微光學(xué)及功能性表面等產(chǎn)品。都柏林大學(xué)團(tuán)隊(duì)使用模流分析技術(shù)來(lái)優(yōu)化大于毫米和厘米的復(fù)雜3D產(chǎn)品之模具設(shè)計(jì)和制造，然而同樣的模擬方式，在進(jìn)行更微小特征的成型仿真時(shí)(例如高分子微小儀器等)，就會(huì)欠缺精確度。

因此本項(xiàng)目以一微流體流式細(xì)胞儀芯片中關(guān)鍵的典型微結(jié)特征，來(lái)研究微小特征流動(dòng)行為可行的仿真。

由第一個(gè)案例的模擬和實(shí)驗(yàn)結(jié)果比較，發(fā)現(xiàn)若使用軟件默認(rèn)值來(lái)進(jìn)行仿真，無(wú)法預(yù)測(cè)出真實(shí)的關(guān)鍵成型缺陷(圖一)。

圖一 以默認(rèn)值仿真微小特征的(a)充填階段及(b)實(shí)驗(yàn)結(jié)果對(duì)照

因此接下來(lái)的分析會(huì)將影響到微結(jié)構(gòu)射出成型質(zhì)量的關(guān)鍵因素都納入考慮，包括熱傳導(dǎo)系數(shù)、排氣、壁滑移、固化溫度等。此外，透過(guò)射壓、流動(dòng)波前和橫切面輪廓等分析結(jié)果，也優(yōu)化了微流體流式細(xì)胞儀芯片基板的宏觀高分子流動(dòng)情形之預(yù)測(cè)，最后并可成功預(yù)測(cè)出現(xiàn)場(chǎng)射出成型所產(chǎn)生的缺陷 (圖二)。

圖二 (a)原始設(shè)計(jì)在射出階段后的情形
(b)設(shè)變?cè)诒骸⒗鋮s階段及成型周期完成后的情形
(c)成型周期結(jié)束后的實(shí)驗(yàn)結(jié)果

在第二個(gè)案例中，須檢視模擬和實(shí)驗(yàn)結(jié)果的差異，尤其是產(chǎn)品表面柱狀體的流動(dòng)行為，該柱狀結(jié)構(gòu)即為芯片中所謂的微小結(jié)構(gòu)。如圖三所示，模擬的充填行為(a)、(c)與實(shí)驗(yàn)結(jié)果(b)、(d)有很大的差異。

圖三 原始設(shè)計(jì)的模擬和實(shí)驗(yàn)結(jié)果比較

接下來(lái)進(jìn)行第二個(gè)案例中控制變因的優(yōu)化，可觀察到短射現(xiàn)象的模擬結(jié)果與實(shí)驗(yàn)相符(圖四)。

圖四 優(yōu)化設(shè)計(jì)之后的模擬和實(shí)驗(yàn)結(jié)果比較

結(jié)果

透過(guò)Moldex3D的分析，都柏林大學(xué)研究團(tuán)隊(duì)得以探查出微流道芯片中微特征之充填行為和計(jì)算參數(shù)之間的關(guān)聯(lián)，并重現(xiàn)微結(jié)構(gòu)的充填不完全行為。如此一來(lái)可確保微特征充填的真正問(wèn)題能被預(yù)測(cè)出來(lái)，及時(shí)做出調(diào)整。否則當(dāng)實(shí)際開(kāi)模制造后才發(fā)現(xiàn)問(wèn)題，將須花費(fèi)更多成本來(lái)彌補(bǔ)。