超聲塑化微注射成型技術(shù)研究現(xiàn)狀及展望

金勝祥，趙南陽，許忠斌1，，4，葉如清，林增榮，胡高峰

[1.浙江大學(xué)寧波科創(chuàng)中心，浙江寧波 315100； 2.浙江大學(xué)工程師學(xué)院，杭州 310027； 3.浙江大學(xué)能源工程學(xué)院，杭州 310027；4.材料成型集成技術(shù)與智造裝備浙江省工程研究中心(浙大城市學(xué)院)，杭州 310015； 5.德清申達(dá)機(jī)器制造有限公司，浙江湖州 313200]

傳統(tǒng)微注射成型(TMIM)技術(shù)相比納米壓印、熱壓成型等微納制造技術(shù)，有著高效率低成本的優(yōu)勢，被應(yīng)用于大批量生產(chǎn)聚合物微制件[1]。TMIM使用小直徑螺桿或柱塞塑化聚合物，小直徑螺桿存在塑化時間長、單次塑化熔體過多、易對材料造成剪切破壞等問題，柱塞塑化雖然單次塑化量適中，但塑化效果差。由于微制件的型腔精細(xì)狹小[2]，TMIM需要采用較大注射速度、注射壓力和較高的模具溫度來解決填充困難的問題，從而增加了能耗，機(jī)器裝置成本和生產(chǎn)成本也隨之大幅度上升。

超聲塑化微注射成型(UPMIM)技術(shù)，通過高頻超聲振動完成微量聚合物的熔融，利用柱塞或超聲工具頭將熔體注射到型腔內(nèi)成型[3]。相比TMIM技術(shù)，UPMIM無需使用螺桿或者柱塞塑化，使用超聲波直接塑化聚合物，簡化了塑化裝置，避免了螺桿或柱塞塑化的各類技術(shù)弊端，具有塑化熔體黏度低、注射壓力低、材料浪費率低、能耗小、裝置結(jié)構(gòu)簡單等一系列優(yōu)點[4]。UPMIM具有的技術(shù)優(yōu)勢對于提高聚合物微制件成型質(zhì)量、降低材料浪費率和控制微結(jié)構(gòu)零件生產(chǎn)成本意義重大。目前國內(nèi)暫無相關(guān)文章總結(jié)UPMIM技術(shù)的研究進(jìn)展。

筆者分析概括了超聲塑化生熱機(jī)理研究、成型工藝研究和現(xiàn)有設(shè)備結(jié)構(gòu)研究，進(jìn)一步總結(jié)了UPMIM技術(shù)的應(yīng)用情況，最后對其未來應(yīng)用及研究方向進(jìn)行了展望。

1 超聲塑化生熱機(jī)理研究

通過超聲塑化生熱機(jī)理預(yù)測UPMIM過程中的溫度變化趨勢，對于控制聚合物微制件的成型質(zhì)量和提高尺寸精度具有重要意義?，F(xiàn)有針對超聲塑化生熱機(jī)理的研究表明，聚合物在超聲振動作用下熔融塑化是界面摩擦生熱、黏彈性生熱和空化效應(yīng)共同作用的結(jié)果。

1.1 界面摩擦生熱

塑化開始時，超聲工具頭向聚合物施加高頻縱向振動，聚合物會與工具頭和塑化腔壁面之間發(fā)生劇烈的高頻摩擦，聚合物顆粒之間也會產(chǎn)生高頻摩擦和往復(fù)滑移。由于聚合物本身傳熱性能較差，高頻摩擦迅速產(chǎn)生并累積大量熱能使聚合物溫度快速上升，形成界面摩擦生熱。當(dāng)溫度上升到聚合物熔融溫度后，聚合物開始熔化，塑化過程開始。

高頻縱向振動下簡化的理想界面摩擦生熱模型如圖1所示，其中Fn(t)和Fs(t)為法向應(yīng)力和剪切應(yīng)力，Vs(t)為兩個聚合物顆粒之間的相對滑移速度，接觸面積為A，摩擦系數(shù)為uf，等效摩擦應(yīng)力為τ(t)，則兩個聚合物顆粒界面摩擦瞬時生熱率q(t)[5]計算公式見式(1)。

圖1 聚合物界面摩擦生熱簡化模型Fig. 1 Simplified model of friction heat generation at polymer interface

其中等效摩擦應(yīng)力和相對滑移速度與超聲振動的頻率和振幅有關(guān)，當(dāng)超聲頻率和振幅越大時，界面摩擦瞬時生熱率越大。

目前界面摩擦生熱的研究面臨諸多困難，如顆粒的隨機(jī)堆積和界面摩擦生熱持續(xù)時間極短等問題。蔣炳炎團(tuán)隊采用實驗和數(shù)值模擬方法研究了聚合物顆粒之間界面摩擦的生熱特性和機(jī)理，以聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)為例，發(fā)現(xiàn)顆粒界面處可以在0.078 s內(nèi)上升到熔融溫度，因此得出結(jié)論：界面摩擦生熱是一個作用時間極短、生熱強(qiáng)度極大的瞬態(tài)過程[6]。該團(tuán)隊還發(fā)現(xiàn)增大超聲振幅、塑化壓力和超聲頻率可提高界面摩擦生熱速率，并且超聲振幅對生熱強(qiáng)度的影響比塑化壓力更為顯著[6-7]。Qiang等[8]和Wu等[9]通過分子動力學(xué)模擬方法來研究界面摩擦加熱的分子運(yùn)動機(jī)制，得出以下結(jié)論：往復(fù)滑動摩擦引起的聚合物集中高頻鏈運(yùn)動比單次滑動摩擦引起的傳統(tǒng)彈塑性變形具有更強(qiáng)的生熱能力；聚合物大分子鏈的鍵長、鍵角以及二面角對摩擦生熱的強(qiáng)度變化有著顯著的影響；超聲振幅對聚合物與金屬之間的界面摩擦生熱強(qiáng)度影響高于超聲頻率。

除了宏觀工藝參數(shù)對界面摩擦生熱機(jī)理的影響，微觀分子層面的研究也將有助于更深入地理解生熱機(jī)理，但目前在微觀層面對界面摩擦的生熱機(jī)制研究仍較為匱乏；此外尚未將宏觀層面各項工藝參數(shù)的影響結(jié)果與微觀行為建立具體的聯(lián)系，仍需對界面摩擦生熱機(jī)理進(jìn)行更深層次的研究。

1.2 黏彈性生熱

在超聲工具頭的簡諧振動下，聚合物顆粒發(fā)生周期性變化的應(yīng)力與應(yīng)變。聚合物屬于黏彈性體，黏彈特性使聚合物的應(yīng)力與應(yīng)變的加載和卸載并不同步，應(yīng)變變化滯后于應(yīng)力變化，存在應(yīng)力應(yīng)變滯后角。如圖2所示，加載時的變形功大于卸載時的變形功，在一個周期內(nèi)產(chǎn)生了滯后能量損耗，部分滯后損耗的能量轉(zhuǎn)化為了聚合物分子的彈性勢能。上一周期內(nèi)加載產(chǎn)生的應(yīng)力變形未完全恢復(fù)，聚合物分子又立即受到下一周期的振動作用，導(dǎo)致滯后損耗能量轉(zhuǎn)化后的彈性勢能未被完全釋放，未被釋放的彈性勢能儲存在聚合物分子內(nèi)部，多次循環(huán)后，儲存的彈性勢能在聚合物內(nèi)部以摩擦生熱的形式耗散，產(chǎn)生熱量熔融塑化聚合物顆粒。

圖2 振動周期內(nèi)聚合物應(yīng)力-應(yīng)變曲線示意圖Fig. 2 Schematic diagram of polymer stress-strain curve during vibration period

對于黏彈性生熱的研究集中在生熱機(jī)理的分析、數(shù)學(xué)模型的推導(dǎo)、生熱強(qiáng)度的影響因素研究等方面。Janer等[3]指出柱塞壓力會引起聚合物材料的高應(yīng)變，有助于黏彈性加熱，這意味著之前的黏彈性方程可能不再適用，需要引入新的非線性模型。后續(xù)對黏彈性生熱機(jī)理的研究應(yīng)重新考慮成型過程中所有可能因素的影響，建立新的數(shù)學(xué)模型或通過實驗對現(xiàn)有數(shù)學(xué)模型進(jìn)行校核修改，提高研究精度。Jiang等[5]通過仿真建模和實驗探索黏彈性加熱的特性和機(jī)理，研究結(jié)果表明，聚合物初始溫度顯著影響?zhàn)椥陨鸁釓?qiáng)度；在超聲塑化初期，黏彈性生熱強(qiáng)度較低，當(dāng)達(dá)到玻璃化轉(zhuǎn)變溫度后黏彈性生熱強(qiáng)度遠(yuǎn)大于塑化初期；生熱強(qiáng)度隨著超聲頻率和振幅的增大而上升。強(qiáng)元寶[10]采用分子動力學(xué)模擬和實驗結(jié)合的方法，研究了黏彈性生熱機(jī)理下聚合物在不同工藝參數(shù)下的生熱規(guī)律，結(jié)果表明超聲振幅和頻率的提升可以明顯降低體系的纏結(jié)度。

1.3 空化效應(yīng)

聚合物熔融塑化時，熔體收到強(qiáng)超聲波的壓縮相與膨脹相交替作用，在超聲波壓縮相位內(nèi)，分子間平均距離減小，在超聲波膨脹相位內(nèi)，分子間平均距離增大，當(dāng)超聲波聲強(qiáng)較大時，分子間平均距離超過極限距離，出現(xiàn)空化泡或空穴[11]。空化效應(yīng)是指微小空化泡在膨脹相與壓縮相的交替作用下完成振蕩、生長到高速崩潰的動態(tài)變化過程，如圖3所示。對于單一空化泡，在超聲波壓縮相位內(nèi)體積被壓縮，膨脹相位內(nèi)體積增大，在高頻持續(xù)的交替變化過程中生長、振蕩到最終高速崩潰，形成微米級熱點，該熱點可達(dá)到15 000 K和100 MPa的高溫和高壓[12]，高速崩潰的空化泡形成的微米級熱點，可持續(xù)加熱聚合物熔體和改變聚合物熔體特性。

圖3 超聲空化效應(yīng)示意圖Fig. 3 Schematic diagram of ultrasonic cavitation effect

各類工藝參數(shù)對空化效應(yīng)的影響和空化效應(yīng)對聚合物的性能影響機(jī)制尚未明確。陳錢[13]以空化泡破裂時間為空化效應(yīng)結(jié)果的表征指標(biāo)，采用多因素分析法研究超聲工藝參數(shù)對空化效應(yīng)的影響程度，得到影響因素的重要程度排序為塑化壓力、聲壓幅值和超聲頻率。隨著塑化壓力的增加，空化效應(yīng)的強(qiáng)度減弱。Dorf等[14]發(fā)現(xiàn)超聲工具頭與柱塞之間的較低塑化壓力加上較長的超聲振動時間使材料在塑化腔中降解，從而使聚合物顆粒殘留在澆口底部而未熔化。文章中解釋產(chǎn)生降解的原因可能為空化效應(yīng)生熱強(qiáng)度過高引起的聚合物材料降解。因此在塑化腔內(nèi)需保持一定的塑化壓力，以控制空化效應(yīng)的強(qiáng)度，從而防止材料降解，提高成品質(zhì)量。

目前關(guān)于空化效應(yīng)機(jī)理的研究中使用的聚合物材料較少，部分工藝參數(shù)的影響尚未進(jìn)行實驗驗證，未來可開展不同聚合物材料的空化效應(yīng)影響因素探究及空化效應(yīng)對成品性能的影響研究。

2 UPMIM工藝研究

UPMIM作為一種新興技術(shù)，已經(jīng)在多種聚合物材料中開展了加工實驗和性能實驗等測試，被證明可用于加工各類聚合物材料，例如聚丙烯(PP)、聚苯乙烯(PS)、聚甲醛(POM)、聚乳酸(PLA)、聚醚醚酮(PEEK)、聚亞苯基砜樹脂(PPSU)、超高分子量聚乙烯(PE-UHMW)、聚己內(nèi)酯(PCL)、聚丁二酸丁二酯(PBS)等聚合物材料[14-21]，主要研究集中在UPMIM工藝參數(shù)的影響效果探究和UPMIM成品性能的影響因素研究。

2.1 UPMIM工藝參數(shù)的影響效果

由塑化機(jī)理的介紹可知，超聲振幅、超聲時間、超聲頻率等超聲工藝參數(shù)會影響超聲塑化的生熱強(qiáng)度進(jìn)而影響UPMIM成品質(zhì)量，除此之外注射壓力、注射速度、原材料形狀等工藝參數(shù)也會影響UPMIM加工過程。

2.1.1 超聲振幅

超聲工具頭傳遞給聚合物的振幅為超聲振幅，超聲工具頭在聚合物中引起的最大應(yīng)變ε0與超聲振幅直接相關(guān)。超聲振幅對UPMIM過程的影響受聚合物顆粒形狀和塑化壓力等因素的影響[18]。當(dāng)超聲振幅過低時，可能會出現(xiàn)聚合物材料塑化不完全或產(chǎn)品填充不均勻的現(xiàn)象；超聲振幅過高時會使材料退化，特別是在塑化壓力較低時[22]。在不使材料降解或退化的前提下，超聲振幅的增大可以顯著提高塑化速率[23]、填充效果和尺寸精度[24]。

2.1.2 超聲頻率

UPMIM裝置中超聲單元內(nèi)的元件經(jīng)過調(diào)諧在相同的頻率下工作，目前超聲波發(fā)生器和換能器只能傳遞一個諧振頻率，因此很難開展不同超聲頻率下的工藝研究實驗。Jiang等[5]通過數(shù)學(xué)建模和有限元軟件ANSYS仿真分析出黏彈性生熱強(qiáng)度隨著超聲頻率的增加而增加，并且超聲頻率對塑化生熱強(qiáng)度的影響遠(yuǎn)小于超聲振幅。

2.1.3 超聲時間

超聲時間為超聲工具頭振動的時間，超聲時間直接影響著傳遞給聚合物材料的總能量。超聲時間過長，可能會造成聚合物材料降解退化；超聲時間過短會造成聚合物材料未完全塑化或填充不均勻等現(xiàn)象。一般的超聲波施加時間在2～10 s左右[14，24]，不同的材料所需的超聲時間也不同。如果在保壓階段繼續(xù)施加超聲波容易造成聚合物材料降解[14]，可根據(jù)柱塞所受到的壓力作為切換參考值來確定超聲時間[25]。

2.1.4 注射壓力

注射時柱塞需施加一定的壓力將聚合物熔體推入型腔，所需的壓力稱為注射壓力。鑒于目前的UPMIM裝置結(jié)構(gòu)設(shè)計，過大的注射壓力可能會導(dǎo)致未塑化的聚合物顆粒進(jìn)入型腔，當(dāng)注射壓力過小時會造成填充不完全均勻的現(xiàn)象。Grabalosa等[24]針對聚酰胺的工藝研究表明，當(dāng)施加的注射壓力增大時可獲得較好的填充率、尺寸精度和均勻性，因此在確保進(jìn)入型腔的聚合物完全塑化的前提下可適當(dāng)提高注射壓力以提高成品質(zhì)量。

2.1.5 注射速度

目前商業(yè)化的UPMIM機(jī)器具備了調(diào)節(jié)注射速度的功能[26]，學(xué)者們通過商業(yè)化設(shè)備分析了柱塞的注射速度對UPMIM工藝的影響。Dorf等[18]發(fā)現(xiàn)當(dāng)注射速度較低時，成品的拉伸強(qiáng)度會下降，出現(xiàn)這一現(xiàn)象的原因為注射速度較低導(dǎo)致超聲工具頭與柱塞表面之間的腔體壓力下降，造成空化效應(yīng)增強(qiáng)，氣泡增多，從而造成強(qiáng)度下降。Masato等[27]研究了UPMIM時注射速度對填充流變行為的影響，但結(jié)果表明注射速度的變化幾乎不影響填充時間，作者認(rèn)為填充時間由塑化速率控制，而塑化速率由超聲振動特性決定，與注射速度無關(guān)。

2.1.6 原材料形狀

原材料形狀也會對超聲塑化工藝產(chǎn)生影響。Sánchez-Sánchez等[19]在實驗中發(fā)現(xiàn)使用不規(guī)則形狀的PE-UHMW材料比使用圓形PE-UHMW的填充效果更好，并且PE-UHMW的材料形狀會影響成品的拉伸強(qiáng)度。Sacristán等[22]發(fā)現(xiàn)處理PLA顆粒時需要48.1 μm的超聲振幅，而Planellas等[28]發(fā)現(xiàn)當(dāng)PLA為粉末狀時，采用24 μm的超聲振幅即可實現(xiàn)所有情況下的超聲塑化微成型，這表明當(dāng)聚合物樣品為粉末形式時塑化所需的能量較低。

除了上述的主要工藝參數(shù)外，還有多種因素例如原材料干燥度[15]、排氣孔[17]、料筒溫度[29]、模具溫度[30]等都會影響UPMIM工藝。所以應(yīng)根據(jù)不同的聚合物材料和最終成品的加工需求，確定能夠使工藝穩(wěn)定性最高和產(chǎn)品性能最好的加工工藝參數(shù)。

2.2 UPMIM成品性能的影響因素

在傳統(tǒng)的注射成型中，當(dāng)樣品具有所需加工的幾何形狀、合格的力學(xué)性能并且無缺陷或雜質(zhì)時，可以認(rèn)為成品性能良好。因此為評估不同工藝參數(shù)下UPMIM工藝的加工效果，學(xué)者們對UPMIM成品的性能如填充性能、力學(xué)性能、尺寸精度、分子量、結(jié)晶性等進(jìn)行了大量研究。

2.2.1 填充性能

均勻且完全地填充是聚合物材料加工成型的必要條件。對于PP[15]或PS[31]等通用高分子材料，UPMIM可實現(xiàn)完全填充，對于PEEK[14]或PPSU[18]等高性能材料，完全填充的可重復(fù)性較低。Grabalosa等[24]將UPMIM的聚酰胺(PA)制品長度與試樣總長度進(jìn)行比較確定成型工藝的填充率，發(fā)現(xiàn)超聲振幅對填充率的影響最大，在80%的振幅下，獲得的完整樣本不到15%，而較高的超聲振幅可以改善零件的填充率。Dorf等[14]發(fā)現(xiàn)使用較高注射速度加工PEEK可獲得更好的填充率，但Ferrer等[31]發(fā)現(xiàn)采用較低的注射速度加工帶有微通道的薄壁形狀PS時填充率更好，因此注射速度對填充率的影響取決于材料與型腔形狀。表1給出了不同聚合物材料獲得最佳填充率的工藝參數(shù)值。

表1 UPMIM不同材料最佳填充率的工藝參數(shù)Tab. 1 UPMIM process parameters for best filling rate of different materials

2.2.2 力學(xué)性能

力學(xué)性能是衡量加工質(zhì)量的重要指標(biāo)之一，工藝參數(shù)對力學(xué)性能的影響因材料而異。Dorf等[14]通過UPMIM的PEEK所測得的拉伸強(qiáng)度與傳統(tǒng)螺桿注射成型的拉伸強(qiáng)度相當(dāng)，都在87.4～87.6 MPa范圍內(nèi)。Sánchez-Sánchez等[19]發(fā)現(xiàn)模具溫度升高可使UPMIM的PE-UHWM成品強(qiáng)度更好。Grabalosa等[24]在針對PA的研究中發(fā)現(xiàn)壓力的變化不會對PA的力學(xué)性能產(chǎn)生顯著影響。Masato等[27]發(fā)現(xiàn)UPMIM的PP制品最大拉伸強(qiáng)度平均值比傳統(tǒng)注射成型大約高了10%。

2.2.3 尺寸精度

尺寸精度是影響微注射成型成品質(zhì)量的重要因素。Grabalosa等[24]發(fā)現(xiàn)UPMIM加工PA時厚度的變化范圍為22 μm，寬度的變化范圍為39 μm，當(dāng)柱塞壓力和超聲時間增加時厚度精度會提高，這是因為隨著壓力和超聲時間的增加，材料熔體的黏度降低，流動速度上升。Ferrer等[31]發(fā)現(xiàn)UPMIM的PP樣品厚度尺寸誤差小于7%，當(dāng)注射速度較低時，成品平均厚度大于模具厚度；當(dāng)速度較高時，成品平均厚度則小于模厚，而超聲振幅并不會影響成品的厚度精度。

2.2.4 分子量

超聲振動可增加分子鏈的運(yùn)動，使大分子鏈解纏，降低聚合物熔體的黏度。Sánchez-Sánchez等[19]在分析UPMIM工藝對PE-UHMW成品性能的影響時發(fā)現(xiàn)，在型腔中沿著熔體的流動方向，下游區(qū)域的分子量明顯低于上游區(qū)域的分子量，當(dāng)超聲振幅從90%上升到100%時分子量下降更為顯著。產(chǎn)生該現(xiàn)象的原因是靠近超聲工具頭的區(qū)域更易受到超聲波的影響，位于流動方向下端的區(qū)域接收到的超聲能量相較上游區(qū)域衰減嚴(yán)重。Sacristán等[22]發(fā)現(xiàn)隨著超聲振幅的增加，PLA的分子量沒有明顯地降低，而在高成型壓力下，超聲處理過的PLA分子量顯著降低。Chen等[34]發(fā)現(xiàn)隨著超聲強(qiáng)度的增加，PP的分子量減小，分子量分布變窄。

2.2.5 結(jié)晶性

聚合物的結(jié)晶性受聚合物結(jié)構(gòu)和成型加工條件的影響，進(jìn)而影響材料的使用性能。Dorf等[14]使用差示掃描量熱法評估PEEK樣品的結(jié)晶度水平，通過吸熱峰和放熱峰的面積計算結(jié)晶度，在180 ℃的模具溫度下兩組樣品結(jié)晶度為26.4%和25.9%，十分接近于原料27.2%的結(jié)晶度水平。Sánchez-Sánchez等[19]發(fā)現(xiàn)通過UPMIM加工PE-UHMW時，模具溫度從90 ℃上升至100 ℃，成品結(jié)晶相增加，非結(jié)晶相減少，成品剛度上升。Sacristán等[22]使用FTIR對超聲處理過的PLA樣品進(jìn)行分析發(fā)現(xiàn)，超聲作用下的樣品中非晶相含量增加。Masato等[27]發(fā)現(xiàn)UPMIM加工PP具有更高的結(jié)晶度，意味著結(jié)晶結(jié)構(gòu)中大分子鏈排列的增加，從而增強(qiáng)了成品的拉伸強(qiáng)度。

目前研究認(rèn)為UPMIM影響因素包括超聲振幅、超聲時間、注射壓力、模具溫度等，大多采用單因素或多因素實驗方法，很難量化各類參數(shù)之間相互作用的影響，未來需要系統(tǒng)地評估各類因素與塑化生熱之間的關(guān)系，以便優(yōu)化控制UPMIM的零件產(chǎn)品質(zhì)量。

3 UPMIM設(shè)備研究

3.1 UPMIM設(shè)備結(jié)構(gòu)

UPMIM裝置主要由進(jìn)料單元、超聲單元和模具單元組成。進(jìn)料單元主要負(fù)責(zé)將每次塑化所需的聚合物材料輸送進(jìn)塑化腔。超聲單元主要由發(fā)生器、換能器、變幅桿、工具頭組成，由超聲波發(fā)生器發(fā)出的高頻激勵電壓傳遞給超聲波換能器，在逆壓電效應(yīng)作用下超聲換能器產(chǎn)生高頻振動，通過變幅桿的放大作用，使超聲工具頭產(chǎn)生高頻振動直接作用于聚合物[35]。模具單元一般包括塑化腔、模腔、柱塞等。

從結(jié)構(gòu)上UPMIM裝置主要可分為兩類，如圖4所示。結(jié)構(gòu)1中，柱塞在超聲塑化、注射和成型過程中是固定的，超聲工具頭在施加振動的同時軸向移動進(jìn)行注射填充操作。在結(jié)構(gòu)2中，超聲工具頭只負(fù)責(zé)對聚合物材料施加振動，注射和填充操作由底部移動柱塞完成。兩種結(jié)構(gòu)的區(qū)別在于結(jié)構(gòu)1中超聲工具頭在成型過程中不斷移動，工具頭磨損嚴(yán)重，超聲系統(tǒng)往往由于負(fù)載過大而出現(xiàn)停振的現(xiàn)象；結(jié)構(gòu)2中的工具頭位置保持不動，降低了工具頭的摩擦損耗，延長了工具頭使用壽命[14]。兩種結(jié)構(gòu)相同點在于塑化腔均與型腔相連，塑化與注射過程是同時進(jìn)行的，目前大部分UPMIM裝置都采用了“邊塑化邊注射”的工藝流程。

圖4 UPMIM裝置結(jié)構(gòu)示意圖Fig. 4 Schematic diagram of UPMIM device

結(jié)構(gòu)1中能量由工具頭向下傳遞，靠近工具頭端面的聚合物先被塑化，因此在注射填充過程中，未塑化的雜質(zhì)極易進(jìn)入型腔降低產(chǎn)品質(zhì)量。結(jié)構(gòu)2中雖然可以在一定程度上減少超聲工具頭的磨損和降低未塑化雜質(zhì)進(jìn)入的風(fēng)險，但仍會存在塑化不完全和填充不均勻的問題。

國內(nèi)外學(xué)者基于上述兩種結(jié)構(gòu)進(jìn)行了UPMIM設(shè)備的優(yōu)化與設(shè)計研究。吳旺青等[36]提出了一種“先塑化后注射”的UPMIM裝置結(jié)構(gòu)，聚合物在塑化腔內(nèi)被超聲工具頭完全塑化后，在柱塞的壓力作用下進(jìn)入計量模塊，計量后由注射柱塞將聚合物熔體注射至型腔內(nèi)，實現(xiàn)了塑化階段與注射階段的解耦，但該裝置結(jié)構(gòu)復(fù)雜，控制精度要求高，仍處于研究設(shè)計階段。李霞等[37]研究了超聲設(shè)備不同結(jié)構(gòu)參數(shù)對聚合物生熱的影響規(guī)律，結(jié)果表明超聲變幅桿放大比對聚合物溫度變化影響最大，前蓋板厚度和工具頭長度次之，影響最小的是變幅桿長度。

Janer等[33]針對目前UPMIM缺乏穩(wěn)定性的缺點提出了節(jié)點超聲波成型(NPUSM)，使用定制的階梯狀超聲工具頭，并對POM進(jìn)行了加工實驗，結(jié)果表明NPUSM可以提高零件的質(zhì)量以及加工穩(wěn)定性。Lee等[38]設(shè)計了輔助流動裝置提高超聲塑化效果和熔體流速，將下方柱塞替換成由交流電機(jī)、錐齒輪和轉(zhuǎn)子組成的輔助流動系統(tǒng)，加工成型PP試件的結(jié)果表明采用該種結(jié)構(gòu)可使熔體流速提高66%，模內(nèi)填充長度提高26.5%，試件拉伸強(qiáng)度提高38%。Gül?ür等[39]通過在模具內(nèi)設(shè)置高速成像儀、壓力傳感器等傳感設(shè)備對注射過程進(jìn)行在線檢測，實現(xiàn)了對柱塞位置的在線監(jiān)測，而柱塞位置與產(chǎn)品的關(guān)鍵幾何特征具有良好的線性關(guān)系，因此可以實現(xiàn)間接控制產(chǎn)品的關(guān)鍵幾何特征。

目前UPMIM設(shè)備結(jié)構(gòu)仍不成熟，存在塑化不均勻、加熱不穩(wěn)定、成型重復(fù)率低等問題[40]，需要改進(jìn)現(xiàn)有機(jī)器裝置或設(shè)計新型結(jié)構(gòu)以便進(jìn)行實驗研究和工業(yè)生產(chǎn)。UPMIM通過施加高頻低幅的振動直接塑化聚合物，但單一的振動模式在一定程度上限制了對聚合物材料加工性能的提升，許忠斌團(tuán)隊提出了將高頻低幅振動與低頻高幅振動進(jìn)行疊加振動的方式并應(yīng)用在聚合物注射成型中[41-42]，結(jié)果表明疊加振動成型的樣品具有更好的結(jié)晶度和力學(xué)性能，未來進(jìn)行UPMIM設(shè)備結(jié)構(gòu)設(shè)計時，可考慮引入其他振動模式提升設(shè)備性能。

3.2 UPMIM加工步驟

現(xiàn)有的UPMIM過程主要可分為5個階段[7]。以圖4的結(jié)構(gòu)2設(shè)備為例：①下料階段，將計量稱重后的聚合物加入塑化腔內(nèi)，下料完全后，控制超聲工具頭的位置壓實聚合物顆粒；②塑化階段，超聲工具頭向聚合物施加振動，柱塞施加一定塑化壓力，聚合物顆粒開始生熱塑化，當(dāng)聚合物不斷塑化時，柱塞施加壓力將已熔融的聚合物熔體注射進(jìn)型腔內(nèi)，當(dāng)聚合物幾乎填滿型腔時，柱塞需增大壓力才可繼續(xù)將熔體推入型腔，當(dāng)壓力達(dá)到一定值時，停止增加壓力，由注射階段切換到保壓階段；③保壓階段，在該階段柱塞繼續(xù)對聚合物施加壓力以確保成品質(zhì)量；④冷卻階段，聚合物熔體在模具內(nèi)從熔融狀態(tài)冷卻到脫模溫度；⑤頂出階段，模具打開，由柱塞將成品頂出。結(jié)構(gòu)1設(shè)備的成型過程與結(jié)構(gòu)2類似，差別在于結(jié)構(gòu)1設(shè)備通過超聲工具頭進(jìn)行注射填充操作。

4 UPMIM應(yīng)用研究

與TMIM相比，UPMIM具有材料浪費率小、成型壓力低、熔體停留時間短和能量消耗低等優(yōu)勢，十分適合應(yīng)用在精密藥物輸送裝置、智能定制植入物、微流控設(shè)備等高精密產(chǎn)品生產(chǎn)制造領(lǐng)域。

4.1 精密藥物輸送裝置

目前主要通過TMIM、熱壓和溶劑澆鑄等方式制造控制雙向藥物傳送的醫(yī)用微針[43]，而UPMIM相比上述制造方式可有效降低聚合物的熱降解和材料浪費率。Gulcur等[44]使用西班牙Ultrasion公司開發(fā)的超聲注射成型機(jī)器Sonorus 1G將PP注射成型為5×5的400 μm高的醫(yī)用微針陣列，佐證了UPMIM制造精密藥物輸送裝置的可行性。

4.2 智能定制植入物

UPMIM還可將藥物摻入聚合物基質(zhì)一并加工成型為載有抗菌藥物的醫(yī)用植入物。Heredia等[17]利用Moldflow論證了UPMIM加工20 mm×25 mm的PLA微型板的可行性，該板厚度僅為400 μm，可用于治療兒童下頜骨骨折和引導(dǎo)骨骼康復(fù)治療等醫(yī)用植入物治療領(lǐng)域[1]。Olmo等[26]使用Sonorus 1G將抗菌藥物三氯生(TCS)和氯已定(CHX)摻入PLA中一同超聲塑化成型為1.5 cm×1.5 cm×0.1 cm的試樣，發(fā)現(xiàn)超聲處理后的CHX和TCS活性不受影響，證明了UPMIM在利用可降解生物材料、生物相容性聚合物和藥理學(xué)藥物生產(chǎn)微切片復(fù)合產(chǎn)品的能力。UPMIM不僅在處理生物材料方面具有優(yōu)勢，也十分適合開發(fā)納米復(fù)合材料和新型工程材料，Sánchez-Sánchez等[30]使用Sonorous 1G制造了增強(qiáng)力學(xué)性能和熱穩(wěn)定性的PE-UHMW/石墨復(fù)合材料。

4.3 微流控設(shè)備

Jiang等[21]針對PBS的流動性研究發(fā)現(xiàn)，UPMIM可以顯著降低聚合物熔體的剪切黏度，從而在微觀尺度上使熔體流動性顯著增強(qiáng)，UPMIM基于該優(yōu)點可用于生產(chǎn)工業(yè)微流體裝置。Ferrer等[31]通過Sonorus 1G成功制備了具有150 μm×80 μm微通道的薄壁矩形試樣，成品試樣的厚度平均偏差小于7%，微通道深度平均偏差為4%，寬度平均偏差為11%，證明了通過UPMIM技術(shù)加工微流控設(shè)備的可行性。

相比TMIM成型技術(shù)，采用UPMIM技術(shù)加工醫(yī)療器械等高精密微小型裝置時，在材料使用率、能源轉(zhuǎn)換效率、防止材料退化等方面具有競爭優(yōu)勢。

5 總結(jié)與展望

綜述了近幾年UPMIM技術(shù)的研究現(xiàn)狀，總結(jié)了UPMIM技術(shù)的應(yīng)用研究情況。UPMIM技術(shù)在界面摩擦生熱、黏彈性生熱和空化效應(yīng)共同作用下實現(xiàn)聚合物熔融塑化。研究人員基于超聲塑化生熱機(jī)理目前設(shè)計了兩種結(jié)構(gòu)的UPMIM設(shè)備并進(jìn)行了優(yōu)化與設(shè)計研究。研究人員在UPMIM設(shè)備上成功開展了多種聚合物材料的加工實驗和性能測試，驗證了UPMIM技術(shù)具有材料浪費率低、能效高、有效防止材料退化等優(yōu)勢，適合應(yīng)用在高精密工業(yè)產(chǎn)品或醫(yī)用微結(jié)構(gòu)制品的生產(chǎn)制造中。但作為一種新興技術(shù)，UPMIM大規(guī)模市場化應(yīng)用仍面臨諸多挑戰(zhàn)，具體如下。

(1)基礎(chǔ)理論研究不足。3種生熱機(jī)理的影響大小、持續(xù)時間、相互作用效果和對成品性能的影響機(jī)理未知。超聲塑化生熱仍未形成統(tǒng)一成熟的理論體系，導(dǎo)致實際應(yīng)用時成型過程不穩(wěn)定，重復(fù)性差，未來進(jìn)行大規(guī)模工業(yè)應(yīng)用仍需進(jìn)一步對塑化生熱機(jī)理開展研究。

(2)目前市場上商業(yè)UPMIM機(jī)器種類數(shù)量少，設(shè)備結(jié)構(gòu)不成熟，大部分UPMIM設(shè)備采用“邊塑化邊注射”的模式，容易造成未塑化雜質(zhì)進(jìn)入型腔，降低產(chǎn)品質(zhì)量。因此需改進(jìn)現(xiàn)有機(jī)器或設(shè)計具有新型結(jié)構(gòu)的成型機(jī)器，以便進(jìn)行實驗探究和工業(yè)生產(chǎn)。

(3)目前研究認(rèn)為UPMIM的影響因素包括超聲振幅、超聲時間、注射壓力等，大多采用單因素或多因素實驗方法，很難量化各類參數(shù)之間相互作用的影響，需要系統(tǒng)地評估各類因素與塑化生熱之間的關(guān)系，以便優(yōu)化控制UPMIM的零件產(chǎn)品質(zhì)量。

(4) UPMIM已成功應(yīng)用于加工大量熱塑性聚合物和制造各類微納器件，獨有的技術(shù)優(yōu)勢使其在微流控設(shè)備、微型醫(yī)療器械、微型航空零件等高精密微納制件制造領(lǐng)域有著廣闊的應(yīng)用前景，但很難完全取代TMIM技術(shù)，UPMIM更適用于精密產(chǎn)品的小批量生產(chǎn)。