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(shí)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(dòng)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(fèi)率低、能耗小、裝置結(jié)構(gòu)簡單等一系列優(yōu)點(diǎn)[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(fèi)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。現(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(dòng)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(shí)，超聲工具頭向聚合物施加高頻縱向振動(dòng)，聚合物會(huì)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(huì)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(dòng)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(gè)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(gè)聚合物顆粒界面摩擦瞬時(shí)生熱率q(t)[5]計(jì)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(dòng)的頻率和振幅有關(guān)，當(dāng)超聲頻率和振幅越大時(shí)，界面摩擦瞬時(shí)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(shí)間極短等問題。蔣炳炎團(tuán)隊(duì)采用實(shí)驗(yàn)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(gè)作用時(shí)間極短、生熱強(qiáng)度極大的瞬態(tài)過程[6]。該團(tuán)隊(duì)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(dòng)力學(xué)模擬方法來研究界面摩擦加熱的分子運(yùn)動(dòng)機(jī)制，得出以下結(jié)論：往復(fù)滑動(dòng)摩擦引起的聚合物集中高頻鏈運(yùn)動(dòng)比單次滑動(dòng)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(xiàng)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(dòng)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(shí)的變形功大于卸載時(shí)的變形功，在一個(gè)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(dòng)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(chǔ)存在聚合物分子內(nèi)部，多次循環(huán)后，儲(chǔ)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(dòng)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(huì)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(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)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(dòng)力學(xué)模擬和實(shí)驗(yàn)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(shí)，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(shí)，分子間平均距離超過極限距離，出現(xiàn)空化泡或空穴[11]?？栈?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(dòng)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(jí)熱點(diǎn)，該熱點(diǎn)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(jí)熱點(diǎn)，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(shí)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?yàn)樗芑瘔毫?、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(dòng)時(shí)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(shí)驗(yàn)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)和性能實(shí)驗(yàn)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(shí)間、超聲頻率等超聲工藝參數(shù)會(huì)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(huì)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?chǔ)?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(shí)，可能會(huì)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(shí)會(huì)使材料退化，特別是在塑化壓力較低時(shí)[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(gè)諧振頻率，因此很難開展不同超聲頻率下的工藝研究實(shí)驗(yàn)。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(shí)間

超聲時(shí)間為超聲工具頭振動(dòng)的時(shí)間，超聲時(shí)間直接影響著傳遞給聚合物材料的總能量。超聲時(shí)間過長，可能會(huì)造成聚合物材料降解退化；超聲時(shí)間過短會(huì)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(shí)間在2～10 s左右[14，24]，不同的材料所需的超聲時(shí)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(shí)間[25]。

2.1.4 注射壓力

注射時(shí)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(jì)，過大的注射壓力可能會(huì)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(shí)會(huì)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(shí)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(shí)，成品的拉伸強(qiáng)度會(huì)下降，出現(xiàn)這一現(xiàn)象的原因?yàn)樽⑸渌俣容^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(shí)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(shí)間，作者認(rèn)為填充時(shí)間由塑化速率控制，而塑化速率由超聲振動(dòng)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(huì)對超聲塑化工藝產(chǎn)生影響。Sánchez-Sánchez等[19]在實(shí)驗(yàn)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(huì)影響成品的拉伸強(qiáng)度。Sacristán等[22]發(fā)現(xiàn)處理PLA顆粒時(shí)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(shí)，采用24 μm的超聲振幅即可實(shí)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(shí)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(huì)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(shí)，可以認(rèn)為成品性能良好。因此為評(píng)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(shí)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(shí)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(huì)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(shí)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(shí)間增加時(shí)厚度精度會(huì)提高，這是因?yàn)殡S著壓力和超聲時(shí)間的增加，材料熔體的黏度降低，流動(dòng)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(shí)，成品平均厚度大于模具厚度；當(dāng)速度較高時(shí)，成品平均厚度則小于模厚，而超聲振幅并不會(huì)影響成品的厚度精度。

2.2.4 分子量

超聲振動(dòng)可增加分子鏈的運(yùn)動(dòng)，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(shí)發(fā)現(xiàn)，在型腔中沿著熔體的流動(dòng)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(shí)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(dòng)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(píng)估PEEK樣品的結(jié)晶度水平，通過吸熱峰和放熱峰的面積計(jì)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(shí)，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(shí)間、注射壓力、模具溫度等，大多采用單因素或多因素實(shí)驗(yàn)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(píng)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(lì)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(dòng)，通過變幅桿的放大作用，使超聲工具頭產(chǎn)生高頻振動(dòng)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(dòng)的同時(shí)軸向移動(dòng)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(dòng)，注射和填充操作由底部移動(dòng)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(dòng)，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(dòng)，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(diǎn)在于塑化腔均與型腔相連，塑化與注射過程是同時(shí)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(xiǎn)，但仍會(huì)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(jì)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(jì)量模塊，計(jì)量后由注射柱塞將聚合物熔體注射至型腔內(nèi)，實(shí)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(jì)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(diǎn)提出了節(jié)點(diǎn)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(shí)驗(yàn)，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(jì)了輔助流動(dòng)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(dòng)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(shí)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(shí)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(jì)新型結(jié)構(gòu)以便進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究和工業(yè)生產(chǎn)。UPMIM通過施加高頻低幅的振動(dòng)直接塑化聚合物，但單一的振動(dòng)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(duì)提出了將高頻低幅振動(dòng)與低頻高幅振動(dòng)進(jìn)行疊加振動(dòng)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(dòng)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(jì)時(shí)，可考慮引入其他振動(dòng)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(gè)階段[7]。以圖4的結(jié)構(gòu)2設(shè)備為例：①下料階段，將計(jì)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(shí)聚合物顆粒；②塑化階段，超聲工具頭向聚合物施加振動(dòng)，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(shí)，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(shí)，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(shí)，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(fèi)率小、成型壓力低、熔體停留時(shí)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(fèi)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(dòng)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(dòng)性顯著增強(qiáng)，UPMIM基于該優(yōu)點(diǎn)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(shí)，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(shí)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(jì)了兩種結(jié)構(gòu)的UPMIM設(shè)備并進(jìn)行了優(yōu)化與設(shè)計(jì)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(shí)驗(yàn)和性能測試，驗(yàn)證了UPMIM技術(shù)具有材料浪費(fèi)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(shí)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(shí)際應(yīng)用時(shí)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(jì)具有新型結(jié)構(gòu)的成型機(jī)器，以便進(jìn)行實(shí)驗(yàn)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(shí)間、注射壓力等，大多采用單因素或多因素實(shí)驗(yàn)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(píng)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(dú)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)。