微流控芯片注射成型过程的数值模拟研究

庄 俭,张亚军,吴大鸣,董鹏伟

(北京化工大学塑料机械及塑料工程研究所,北京100029)

微流控芯片注射成型过程的数值模拟研究

庄 俭,张亚军＊,吴大鸣,董鹏伟

(北京化工大学塑料机械及塑料工程研究所,北京100029)

以生物测试上广泛使用的微流控芯片为研究对象,研究使用聚合物微型注塑方法进行类似产品大规模、批量化生产的可能性。在建立微流控芯片结构模型的基础上,运用聚合物成型分析软件Moldflow对其在不同工艺参数下的成型过程进行了系统研究。结果表明,熔体温度的改变对充填时间的影响甚微,充填时间随着注射速度的增加而明显缩短,注射压力随熔体温度的增加而减小,随注射速度的增加而增加。增加熔体温度和注射速度可以降低翘曲变形。

微注射成型;微流控芯片;熔体充模流动;数值模拟

0 前言

随着生物医疗、信息和微机电系统等领域对微小制品需求的不断增长,微注射成型技术得到了越来越广泛的应用[1-3]。由于微注塑制品与传统注塑制品在整体或者局部尺寸上存在巨大差异,影响注塑制品加工过程中的因素与传统注塑制品加工过程相比发生很大变化,许多研究者从不同的角度对微注塑过程进行了研究[4-6]。Shen等[7]通过数值模拟的方式,得到了模具温度是影响微结构填充效果的最重要因素。Sha等[8]得到了除模具温度之外,熔体温度是影响微注塑产品质量的重要因素。其他学者通过研究也表明,在影响微注塑成型的众多因素中,模具温度、熔体温度和注射速度占主导地位[9-11]。但目前的总体状况是微注射成型技术研究还处于初级阶段,许多基础理论还不完善,微注射成型工艺还不够成熟[12-14]。

微流控芯片是在微小芯片上,由微通道形成的网络,以可控流体贯穿整个系统,可实现样品制备、反应、分离、检测,细胞培养、分选、裂解等基本操作单元的集成,主要应用于化学分析、食品检测、药品分析、病原检测等方面[15]。本文以微结构典型制品——微流控芯片为研究对象,进行微结构的注射成型模拟实验。研究利用三维设计软件Pro/E建立了微流控芯片的结构模型,然后运用聚合物成型分析软件Moldflow对其在不同熔体温度和注射速度等工艺参数下的注射加工过程进行了数值模拟,并对模拟结果进行系统的分析,可为具有微结构注塑件产品的实际生产提供有益的理论依据。

1 微流控芯片及其工艺参数

1.1 微流控芯片结构设计

设计微流控芯片的基本结构为 Y型,用于药物和包裹液的混合,实现药物包裹的自组装功能,其主要过程是药物和包裹液通过注射液体孔注射到上面的药物池和包裹液池,通过光学操纵法或电场操纵法等方法将样品运输到中间的组装池中并进行充分混合、反应、分离等实验,最后获得的药物由下面的微流道流入成品池中,过程原理如图1所示。

图1 药物自组装位置示意Fig.1 Schematic of drug self-assembly

真核细胞的直径为10～100μm。微流道宽度为30μm,深度为20μm,其截面形状为梯形。微流道相交处有一个圆柱形组装池,其直径为150μm,深度为35μm。微流控芯片总体尺寸为30 mm×35 mm×0.75 mm,注射浇口直径为1 mm,材料选用聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)。利用Pro/E软件建立微流控芯片的模型,其中组装池处局部放大图如图2所示。

图2 组装池相交处局部放大图Fig.2 Enlargement of local assembly interaction

1.2 基本工艺参数

根据微注射成型的特点和PMMA材料的成型工艺推荐值,设置的成型工艺为模具温度70℃、熔体温度250 ℃、注射行程 60mm、最大注射 速率100 cm3/s、螺杆直径 18 mm、保压时间 10 s、保压压力80 MPa。

2 运用Moldflow进行数值模拟

2.1 划分网格

将Pro/E生成的三维图形导入到Moldflow软件中,以单元边长为1.4 mm对微流控芯片进行整体网格划分,然后再对微结构部分进行网格局部细化,整体的网格图和局部放大图如图3和图4所示。对网格进行检查和修补,对纵横比进行诊断,根据网格统计结果显示网格质量良好。

图3 网格划分整体图Fig.3 Whole map of meshing

图4 网格划分局部放大图Fig.4 Enlargement of local mesh

2.2 创建浇口和流道

注射浇口位置的设计决定了聚合物的流动方向和流动的平衡性。利用Moldflow软件优化浇口位置功能,得到浇口位置位于产品的几何中心成型质量最佳,浇口位置越向外匹配性越差,因此,确定浇口位置在微流控芯片背面中心处。浇口类型选择为针点式浇口,主流道截面选为圆形,流道底部直径为3 mm。

2.3 充填过程的数值模拟及分析

模具温度70℃时,充填过程的实验方案和工艺条件见表1。

表1 模拟实验方案Tab.1 Simulation program

利用Moldflow软件,得到各组实验的模拟结果,分别对填充时间、翘曲变形、壁面剪切应力、速度/压力切换时的压力分布、充填结束时的总体温度分布、气孔、体积收缩率的模拟结果进行分析。

2.3.1 充填时间

在模具温度为70℃,注射速度不变的条件下,充填时间会随着熔体温度的增加而减少,但并不明显;当熔体温度不变时,充填时间随着注射速度的增加而明显减少。

2.3.2 翘曲变形

从图5可以看出,翘曲变形沿着制品的几何中心由小到大对称分布;熔体温度不变时,最大翘曲变形随着注射速度的增加而减少;注射速度不变时,最大翘曲变形随着熔体温度的增加而减小,但降低的幅度都非常小,均在几十微米左右。

图5 实验12翘曲变形图Fig.5 The picture of warpage in experiment 12

2.3.3 壁面剪切应力

模拟结果中壁面剪切应力分别为 3.57、3.62、3.51 MPa,因此注射速度不变,改变熔体温度,剪切应力没有规律性变化;熔体温度不变时,剪切应力随着注射速度的增加而减小。从图6可以看出,剪切应力的分布是沿着制品的几何中心对称分布。

图6 实验3中壁上剪切应力Fig.6 Wall shear stress in experiment 3

2.3.4 速度/压力切换时的压力分布

图7为熔体温度为270℃、注射速度为20 cm3/s时的模拟结果。当充填体积达到99%时,充填由速度控制转换为压力控制,此时的最大压力在流道处为22.86 MPa。着色部分C为已充填部分,均是在速度控制下完成充填的;灰色区域A、B为未充填区域,这一部分将在压力的控制下完成充填。

图7 速度/压力切换时的压力Fig.7 The pressure at velocity/pressure switch

2.3.5 充填结束时的总体温度分布

充填结束时的总体温度分布如图8所示(熔体温度为270℃,注射速度为20 cm3/s)。流动前沿的最高温度不在浇口位置,产生这种现象的原因是当熔体前沿流到芯片末端的时候,浇口附近的表面已经冷却,温度沿着制品几何中心由小到大对称分布,其最高温度与最低温度差为0.2℃。充填结束时的总体温度分布并不均匀,容易引起收缩不均匀而导致制件变形。

图8 充填结束时的总体温度Fig.8 Overall temperature at the ending of filling

2.3.6 气孔

从图9可以看出,熔体温度为270℃、注射速度为20 cm3/s时,气孔主要分布于微流道的末端以及芯片拐角末端,这使得微流道的成型质量降低。因此需要在型腔最后充填的区域增加排气设计,否则可能导致气体无法排出,形成死角,使芯片在这里出现烧结现象。

图9 气孔分布Fig.9 Distribution of stoma

2.3.7 体积收缩率

图10为熔体温度为270℃、注射速度为20 cm3/s时体积收缩率的分布图。从图中可以看出,微流控芯片体积收缩率沿着芯片的几何中心由小到大对称分布,红色区域最大,达到6.020%。这是由于在边缘处可能存在充填分布不均而形成的。

图10 体积收缩率Fig.10 Volume shrinkage

3 结论

(1)通过模拟发现熔体温度的改变对充填时间的影响甚微,而充填时间随着注射速度的增加明显减小;

(2)注射压力随熔体温度的增加而减小,随注射速度的增加而增加;

(3)增加熔体温度和注射速度可以降低翘曲变形。

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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

中央高校基金项目资助(ZZ1011,JD0905)

＊联系人,zhyj@mail.buct.edu.cn