微流控芯片脱模缺陷分析及其脱模装置研究.pdf

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1、72工程塑料应用2010年，第38卷，第1期微流控芯片脱模缺陷分析及其脱模装置研究术蒋炳炎翟瞻宇申瑞霞邱庆军(中南大学机电工程学院现代复杂装备设计与极端制造教育部重点实验室，长沙410083)摘要为减小微流控芯片的脱模缺陷，设计了4种顶杆式脱模方案。采用有限元法模拟了4种脱模方案下微流控芯片的脱模过程。模拟结果显示，顶杆的数目和位置对微流控芯片的脱模应力具有重要影响，采用第1种脱模方案时，微流控芯片的最大脱模应力达到123MPa，超过了微流控芯片所用聚甲基丙烯酸甲酯的强度极限110MPa，微流控芯片在脱模后发生断裂；其

2、它3种脱模方案下微流控芯片均能顺利脱出，且脱模应力均小于强度极限。为了克服顶杆脱模方式下芯片易出现表面质量差的缺陷，设计了一种新型的气动脱模装置，并通过有限元法模拟了微流控芯片在此装置下脱模应力的分布，证实了该装置的有效性及优越性。关键词注射成型脱模应力有限元微流控芯片集样品制备、进样、反应、分离、检测1脱模过程的有限元模型等于一体，具有高效性、微型化、集约化、自动化等特在脱模过程中，由于聚合物与模具问热膨胀系点，在DNA分析、基因表达分析、疾病诊断、药物筛数的差异，冷却到脱模温度时相互之间出现了较大选、免疫学测定等方

3、面有着广泛的应用前景，对人类的热应力，聚合物由于冷却收缩对型芯产生较大的生活与健康将产生深远影响¨J。注射成型技术以包紧力。在本有限元数值模拟过程中，首先计算微批量化、高精度、低成本等优势逐渐成为生产微流控流控芯片热一结构耦合下的热应力，然后对微流控芯片的主要方法之一。，开辟了批量制造一次性芯片施加脱模位移以模拟芯片的整个动态脱模过微流控芯片的道路，使微流控芯片商品化、家庭化成程。脱模温度均设定为80~C，储液池的直径为4为可能。mm，微流控芯片的厚度为1mm。脱模作为注射成型过程的一个重要阶段，担负1．1边界条件着将

4、制件与型腔顺利脱离的任务。J。如果脱模系微流控芯片脱模过程有限元分析的边界条件统设计不合理会导致制件应力集中、变形等缺为：约束模具底面全部自由度，限制其全部位移；将陷J。与常规制件相比，微流控芯片壁薄、结构特型芯与型芯成型孔面处定义为面面接触；微流控芯征尺寸小等特点给传统的脱模机构带来了巨大的挑片开始脱模时，选择芯片底面事先做出的顶杆面，并战。A．M．Dieudonne等均采用顶杆实现微流控芯片对其施加1mm的脱模位移。的脱模，但脱模质量不高“J。脱模系统中顶杆的1．2材料性能数目、分布及顶杆的面积是影响脱模质量的重要

5、因选用作为模具材料，微流控芯片材料选用台素，尽管顶杆越多，制件的受力面积越均匀，但是较湾奇美实业公司生产的CM一205型聚甲基丙烯酸多的顶杆会影响制件的表面光洁度。一个较为合理甲酯(PMMA)，其玻璃化转变温度约为100~C，强度的脱模系统不仅能提高制件的质量，而且能够节省极限为110MPa。Ni、PMMA的性能见表1。在脱模阶段可将PMMA视为弹性材料，Ni、PMMA间的等空间，提高制件的生产效率。效摩擦系数约为0．4l】引。相对于微流控芯片注射成型充填方面的研究成表1PMMA、Ni的性能果来说，关于其脱模方面的研究

6、还十分缺乏。笔者材料度／kg·rn。热膨胀系数／K拉伸弹性模量／GPa泊松比采用有限元法模拟了微流控芯片的动态脱模过程，PMMAl1905．50×10一2．740．355分析了产生脱模缺陷的原因，详细比较了不同脱模Ni8880131×10一207O．31O方案下微流控芯片脱模应力的分布和演变规律。同2脱模过程的模拟分析时，为了克服顶杆脱模方式造成芯片表面质量较差影响制件脱模应力分布的主要因素有脱模系统的问题，设计了一种新型的气动脱模装置，并通过有限元法模拟研究采用此气动脱模装置时微流控芯片{国家高技术研究发展计划(86

7、3)项目(2007AA04Z351)的应力分布情况。收稿日期：2009．10—18蒋炳炎，等：激流控芯片脱模缺陷分析及其脱模装置研究73的设计、脱模温度、模具与聚合物之问热膨胀系数的14O12O差异等。根据微流控芯片的质量要求及顶杆脱模方主100式的设计经验，本着脱模过程中制件受力均匀、变形80量小及脱模过程连续的原则，设计了4种不同的顶釜60杆脱模方案，具体见图1，其中顶杆均设在微流控芯羹4020片检测区域以外。O0．10-20．3O40．5060．7080910芯片j模具的相对位移／illnl1～4～第1～4种方案

8、2不同脱模方案对微流控芯片脱模应力分布的影响a～d-第l～4种方案图14种脱模方案顶杆布置示意图基于有限元法对以上4种脱模方案下微流控芯片的脱模过程分别进行数值模拟，结果见图2。由(c)(d)图2可知，第1种脱模方案下，微流控芯片在脱模过芯片与模具的相对位移分别为：a—O．211111；b—0．6mm；c—．8nlnl：d一1．0