設計微流道特徵 模擬工具也能幫得上忙

客戶簡介

都柏林大學學院:成立於1854年,是愛爾蘭最大的一所大學,也是歐洲研究導向的領先大學之一,提供大學、碩士及博士學生多元的研究和創新環境。(來源:https://www.ucd.ie/)

天津大學:於1895年成立,是中國第一所現代大學,開中國近代高等教育之先河。1959年,被中國中央確定為國家重點大學。2000年被確定為中國「985工程」重點建設的高水準研究型大學。 (來源:http://www.tju.edu.cn/)

大綱

複雜的3D塑膠產品製造,普遍會使用模擬技術來優化模具設計,然而若要精確掌握射出成型中微小特徵的流動行為,卻是非常困難。本專案以一微流體流式細胞儀晶片中關鍵的典型微特徵,來研究可行的模擬微特徵流動行為的方法,同時探討導熱係數、排氣、壁滑移、凝固溫度等因素之影響。研究結果發現可以成功預測微特徵的充填不足現象,並且藉由兩種微流體模具工具嵌件的配置來驗證參數。本專案是一個重要的模擬案例,對於高分子微小儀器製造中的微特徵射出成型,以及具有微小特徵的模具工具嵌件的研究,都有很大的幫助。

挑戰

  • 微特徵模腔中的高分子熔膠流動行為難以掌握
  • 在模具工具製造前,很難用預設或一般的參數來模擬預測微小特徵的缺陷

解決方案

利用Moldex3D Designer BLM修正特定的網格節點灑點。分析過程中並結合實際機台響應和物理現象(包括導熱係數、排氣、壁滑移和凝固溫度)等真實製程條件,確保微特徵的流動問題能夠被預測出來

效益

  • 成功預測微特徵的不完全充填
  • 在製造前評估替代設計方案,省下時間和金錢

案例研究

具有複雜幾何和高精密度的微小聚合物產品,普遍使用微結構射出成型技術來進行大量生產,例如微流道、微光學及功能性表面等產品。都柏林大學團隊使用模流分析技術來優化大於毫米和厘米的複雜3D產品之模具設計和製造,然而同樣的模擬方式,在進行更微小特徵的成型模擬時(例如高分子微小儀器等),就會欠缺精確度。

因此本專案以一微流體流式細胞儀晶片中關鍵的典型微結特徵,來研究微小特徵流動行為可行的模擬。

由第一個案例的模擬和實驗結果比較,發現若使用軟體預設值來進行模擬,無法預測出真實的關鍵成型缺陷(圖一)。

圖一 以預設值模擬微小特徵的(a)充填階段及(b)實驗結果對照

因此接下來的分析會將影響到微結構射出成型品質的關鍵因素都納入考量,包括熱傳導係數、排氣、壁滑移、固化溫度等。此外,透過射壓、流動波前和橫切面輪廓等分析結果,也優化了微流體流式細胞儀晶片基板的宏觀高分子流動情形之預測,最後並可成功預測出現場射出成型所產生的缺陷 (圖二)。

圖二 (a)原始設計在射出階段後的情形
(b)設變在保壓、冷卻階段及成型週期完成後的情形
(c)成型週期結束後的實驗結果

在第二個案例中,須檢視模擬和實驗結果的差異,尤其是產品表面柱狀體的流動行為,該柱狀結構即為晶片中所謂的微小結構。如圖三所示,模擬的充填行為(a)、(c)與實驗結果(b)、(d)有很大的差異。

圖三 原始設計的模擬和實驗結果比較

接下來進行第二個案例中控制變因的優化,可觀察到短射現象的模擬結果與實驗相符(圖四)。

圖四 優化設計之後的模擬和實驗結果比較

結果

透過Moldex3D的分析,都柏林大學研究團隊得以探查出微流道晶片中微特徵之充填行為和計算參數之間的關聯,並重現微結構的充填不完全行為。如此一來可確保微特徵充填的真正問題能被預測出來,及時做出調整。否則當實際開模製造後才發現問題,將須花費更多成本來彌補。


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