随着20世纪80年代后期微机械电子系统（MEMS）等新兴学科的兴起，工业产品的设计和制造呈现微型化、轻量化、精密化的发展趋势。聚合物材料因具有密度小、刚度和强度高、生物相容性好等其他材料不可比拟的优势，逐渐成为微小工业产品的主要成型材料之一。光学装置、电子产品、通信设备、医疗器械等对聚合物制件提出了微型化的要求，聚合物微成型技术应运而生。

聚合物微成型技术是采用模塑成型方法高效率、高精度、低成本、批量生产聚合物微制件的成型技术，主要包括微注射成型技术、微热压成型技术和微挤出成型技术等。目前，对于聚合物微成型尚未形成统一的定义和分类，主要通过其成型的微制件进行定义和分类。广义上讲，聚合物微制件包括以下3种类型^[1]：

（1）制件体积或质量微小，整体尺寸小于1 mm，如微机械系统中使用的微齿轮、微透镜、微螺栓螺母等。

（2）制件整体尺寸在毫米和厘米量级，但表面具有微细特征结构，如光学、生化医疗领域使用的导光板、微光栅、微流控芯片、介入导管等。

（3）制件整体尺寸和特征尺寸均无限制，但局部尺寸精度在微米量级，如聚合物高精度非球面镜片等。微成型模具是成型上述微制件的重要装备，其设计的合理性和加工质量直接决定了微制件的成型质量。聚合物微成型模具的型腔或流道尺寸跨越宏—微观尺度范围，受到尺度效应的影响，成型过程中熔体的流动、传热都与宏观尺度下不同；对模具型腔的通气、排气、微小制品的脱模取件等有特殊要求，传统的模具设计理论和方法在微成型模具设计中不再完全适用，因此微成型模具的设计已成为国内外研究的热点和难点^[2]。

微成型模具的精密制造是成型高质量聚合物微制件的技术保证。传统加工方法可以实现微成型模具部分零部件的加工，但难以加工具有微细三维结构的成型零件，而微细加工技术为微成型模具微细结构的加工提供了条件。微细加工技术是指制造微小尺寸零件或结构的生产加工技术，可以分为以下3种类型：

（1）在传统加工方法上发展起来的微机械加工技术，如微车削、微铣削、微磨削技术等。

（2）在特种加工方法上发展起来的微细特种加工技术，如微细电火花加工、微细电化学加工、微细高能束加工、微细电铸加工、水射流微细切割技术等。

（3）基于LIGA的加工技术，如LIGA、UV-LIGA、电子束LIGA和激光LIGA技术等^[3]。微细加工技术的选择主要取决于加工尺寸、表面质量、深宽比和经济条件等。微成型模具存在跨尺度的几何尺寸，局部特征尺寸微小，几何精度和装配精度要求极高，因此制造微成型模具关键零部件可能需要结合多种微细加工技术。

随着微成型理论和微细加工技术的逐渐成熟，聚合物微成型技术进入了快速发展的黄金时期。以下主要从微成型模具设计和制造2个方面介绍目前微成型技术领域的微注射成型、微热压成型和微挤出成型所取得的进展，并且展望微成型模具设计与制造技术的未来发展趋势。

2 微注射成型模具设计与制造技术

微注射成型一般是指用注射的方法，成型尺寸为微米级、质量为毫克级的塑件。通常将微注射成型产品简单分为微小体积塑件和微结构塑件（具有微结构的常规尺度塑件）。微注射成型技术因具有成型工艺简单、塑件质量稳定、生产效率高、制造成本低、易于实现批量化与自动化生产等优点，在光电通讯、影像传输、生化医疗、信息存储、精密机械、传感器等领域得到了广泛应用。但是，由于微注射制品的尺寸微小，对成型模具的设计与制造技术提出了更高的要求。大连理工大学在微机电系统（MEMS）技术的基础上开展了微注射成型方面的研究，在国内较早地制造出应用于MEMS领域的微齿轮塑件，微齿轮成型模具型腔及制品如图1所示。

图1 微齿轮成型模具型腔及制品

2.1 微注射成型模具设计

微注射成型模具的加工精度及成本决定了制品的成本以及大规模生产的可能，因此设计具有合理结构的模具是获得高质量注射制品的关键。微注射成型模具设计关键技术主要包括变温模具设计、真空排气系统设计、脱模机构设计等。

（1）变温模具设计。在微注射成型过程中，因模具型腔表面积与体积之比较大，导致熔体温度在填充阶段变化范围大，严重影响塑件的成型质量和成型周期，因此，微注射模通常需要设计模具变温系统。目前，模具变温系统主要有感应加热变模温系统、电热水冷变模温系统等。例如，美国佐治亚理工学院的YAO等^[4]设计的高频感应加热变模温系统，能在5 s内使型腔温度从室温提高到240 ℃，极大地缩短了成型周期。

（2）真空排气系统设计。由于微模具表面加工精度高，当模具合模后，动模与定模之间的间隙极小，型腔内所残留空气和熔体释放的气体很难从型腔间隙排出，影响塑件成型质量和熔体填充率。因此，微模具通常设计真空排气系统。目前，真空排气方式主要是通过将型腔周围进行密封，在分型面上开设排气通道，再用真空泵将气体从型腔内抽出^[5]。

（3）脱模机构设计。鉴于微塑件具有质量小、壁薄、强度低的特点，传统的脱模机构容易使微结构变形，甚至损坏，严重影响制品的成型质量。因此，为使塑件顺利脱模且保证其成型质量，微注射模需要设计适合微塑件结构特点的脱模方式。研究学者针对不同微制品结构的特点，采用不同的脱模设计机构。大连理工大学于同敏等^[6]设计一种微塑件间接脱模机构，该机构的推杆推出作用力不直接作用在塑件上，而是直接推出尺寸相对较大的流道，再通过流道和浇口带动塑件脱模，从而保证了塑件尺寸精度和表面质量。

2.2 微注射成型模具制造技术

微型腔是微注射成型模具的核心零件，其结构尺寸及精度在微米级，表面精度要求较高，微型腔的加工质量直接影响制品的成型质量，是微注射模制造的难点。对于微型腔的加工目前主要采用微机械加工技术、微细特种加工技术和基于LIGA的加工技术。

微铣削可对多种材料进行加工，可铣削出形状各异、特征尺寸在10 μm～10 mm的微结构，常用来加工微注射成型模具型芯。德国卡尔斯鲁厄大学WEULE等^[7]铣削出微型汽车钢质轮壳模具，刀具采用硬质合金微铣刀，所铣削的模具表面近似镜面，表面粗糙度Rz0.5 μm。

用于加工微注射成型模具型腔的微细特种加工技术主要包括微细电火花加工、微细电化学加工、微细电铸等，加工精度一般在100 nm内^[8]。例如，美国MTD公司的电火花系列机床步距进给量可达到1.5 μm，金属丝直径范围为φ25～φ250 μm。MTD公司制造了多种微模具，用于注射各种微塑件，如微光纤连接器、微流体塑件、介入医疗微塑件，制件尺寸可达几十微米^[6]。

基于LIGA的微细加工技术加工精度一般在φ10 nm内，工艺包括同步辐射深度刻蚀、电铸成型和注射3个过程。作为一种微细加工技术，该技术具有很好的应用前景。基于LIGA的微细加工技术还可以与微细特种加工方法相结合，以加工金属微结构。例如，大连理工大学杜立群等^[9]将UV-LIGA技术与微细电火花加工技术相结合，加工出局部为梯形凸台和锥形凹槽微结构的镍模具。

2.3 细胞皿超声振动微注射模设计与制造

细胞皿微型制件在生物工程研究和应用领域得到了广泛应用，其整体结构尺寸微小，属于微小体积塑件。细胞皿结构如图2所示，图2中尺寸单位为μm。其整体形状为方形盒状结构，外形尺寸为1 820μm×1 820 μm×350 μm，盒内阵列分布着16个330 μm×330 μm×300 μm的方形微槽，每个微槽底部阵列分布着9个直径为φ30 μm，深度为50 μm的微圆柱形通孔。整个培养皿制件上共有144个微圆柱通孔^[10]。

图2 细胞皿结构

细胞皿要求熔体结晶分布均匀，以获得较好的力学性能，因此，模具温度要有较好的均匀性。为此，变模温系统采用油、水、电相结合模温调节方式。其基本结构是在靠近型腔两侧对称布置加热棒，微型腔周围设置热油道，热油道与加热棒之间开设冷却水道。其工作基本原理是注射成型之前通过热油使模具温度恒定在脱模温度，然后电热棒开始对模具加热，待温度达到预定值后，通过温度传感器控制电源，使之断开，开始注射熔料。在冷却过程中，保持油温不变，切断电热棒电源，并接通冷却装置，则模具快速降温。塑件脱模时，冷却水路断开。连续成型时，只需定时切换加热和冷却开关，即可控制对模具的快速加热和冷却^[11]。

对于微注射成型，有无抽真空对制件成型质量的影响很大，若熔体进入型腔前气体无法排除，将造成短射或烧焦等缺陷^[2]。因此在细胞皿模具型腔两侧开设排气槽，真空泵与定模侧的排气通道相连，在熔体填充前，对型腔进行抽真空。同时使用耐高温硅胶密封圈对分型面、拉料杆、推杆、超声振子、浇口套处进行密封，以保证真空度。

由于微制件尺寸微小，强度低，冷却后制件与型芯间的包紧力较大，直接推出制件容易对制件造成损伤，因此采用在浇口两侧对称布置推杆，通过推动流道凝料带动推出塑件的方法进行脱模。

超声外场在模具中有多种施加方式，可以对镶块施加超声振动，也可以将振动直接作用在流道内的熔体上。振动方向可以采用垂直或平行熔体流动方向。考虑到超声振子的安装与作用效果，采用将振动直接作用在流道内熔体上且方向垂直熔体流动方向的方案。将超声振子通过法兰固定在动模板下方，为防止模具开闭模过程中推杆和换能器干涉，需在法兰盘上加工出推杆孔。细胞皿超声振动微注射模结构如图3所示。细胞皿模具型腔如图4所示，由大连理工大学自行研制的微细电火花铣削机床加工而成。采用微注射成型的细胞皿微型制件如图5所示

图3 细胞皿超声振动微注射模结构

1.定位圈 2.定模固定板 3.导套 4.导柱 5.定模板 6.动模镶块 7.动模板 8.动模垫板 9.垫板 10.拉料杆 11.推杆固定板 12.推板 13.限位钉 14.浇口套 15.传感器套筒 16.压力传感器 17.密封圈 18.定模镶块 19.超声振子 20.环氧树脂垫片 21.推杆 22.动模固定板

2.4 微流控芯片微注射模设计与制造

微流控芯片的基本结构是平板状，其作用是把生物和化学等领域中一些独立的操作单元集成到一块微芯片上，如样品的制备、反应、分离和检测等。芯片上有尺寸微小的微通道，属于具有微结构的常规尺度塑件，其尺度可能跨越几个数量级^[12-15]。图6所示是一种典型的微流控芯片，平板长63 mm，宽18 mm，厚1.5 mm，含有一个单十字微通道，通道深50 μm ，宽80 μm

（b)微流控芯片结构

图6 微流控芯片结构及微通道截面

微流控芯片成型模具型腔由定模镶块2、微细加工镶块3、动模镶块4组合而成，如图7所示。其结构特点是镶块3放置在镶块4内，以使微通道从镶块2中顺利脱出，且避免推出时被拉伤。同时这种结构使熔体直接冲击到镶块3上的凸起，避免了推杆在微通道一侧留下痕迹。

1.定模板 2.定模镶块 3.微细加工镶块 4.动模镶块 5.动模板 6.推杆

由微流控芯片结构及尺寸可知，模具的型芯上需要加工出对应微通道的矩形凸起，宽80 μm、高50 μm。采用常规加工方法加工不仅周期长且难度极大。因此采用UV-LIGA技术制备出微流控芯片模具型腔，如图8所示。图9为由PMMA材料微注射成型的微流控芯片制件。

3 微热压成型模具设计与制造技术

微热压成型是一种在适当的温度和压力下，通过热压方法将模具上的微结构转移到聚合物基体的复制技术^[16]。按照转印时模具和基板之间接触方式的不同，可以将热压成型工艺分为平压式、步进式和滚压式3种类型^[17]。与微注射成型工艺相比，微热压成型具有模具设备简单、制造成本低、成型压力小、微细结构复制精度高等优点。在微成型领域，尤其是微流体机械、微光学器件、微流控芯片等的加工方面，微热压成型具有广阔的应用前景。但是，在采用微热压技术成型微结构时，存在高深宽比结构难以完全填充、脱模过程冷却不均引起脱模缺陷等问题。因此合理设计和高精制造微热压模具，改进热压成型工艺，成为提高微热压产品质量的关键。

3.1 微热压成型模具设计

微热压成型，需要首先在模具表面加工微结构，然后经过热压将微结构转印到聚合物基体。微热压成型过程大多在专门设计的热压装备上进行。国外的热压装备研究较早，一些科研院所和公司已经研制出各自的成型试验设备，而且部分已经实现产业化。国内的一些高校对热压工艺及装备开展了研究，如大连理工大学开发出的RYJ系列热压机及微流控芯片全自动加工系统。在热压成型装备研究中，合理设计参与压印的微热压模具尤为重要。

平压式热压工艺中，模具被平整地压在基板表面，在一次工艺周期中转印复制出模具上所有特征结构。步进式热压工艺中，一个小面积模具在大面积基板的一个位置完成转印之后移动到下一个位置，重复进行热压过程。连续滚压式热压转印工艺成型可以分为辊子—平板和辊子—辊子滚压成型2类。设计辊子—平板热压模具有2种方法：加工出圆形辊子模具，接着使模具在聚合物基板上滚压成型或者将平板模具放在基板上，然后用光滑辊子滚压平板模具。设计辊子—辊子热压模具时，可以首先将微结构加工在板状模具表面，然后弯曲固定在辊子上，但难以避免地出现连接缝隙，造成周期性的不连续压印。因此，可以将微结构直接设计在金属辊子表面，对于保证滚压成型质量更为有利。

微热压成型过程，脱模前需要降低模具温度以保证填充模腔的聚合物充分固化。冷却阶段会增加成型时间，因此可以通过提高模具的热循环速率来提高微热压成型效率和质量。例如，美国麻省大学的FAGAN等^[18]设计了一种传送带式的变温滚压模具。传动带模具和聚合物薄膜预热后进入压印系统，充分冷却后脱模进入下一个热压循环，不仅保证了较高的滚压效率，而且提高了微结构复制精度。

采用微热压方法成型高深宽比微结构时，往往需要自动脱模装置。常规自动脱模装置可能会导致聚合物翘曲变形，因此可以通过设计新型的脱模机构提高微热压制品质量。例如，浙江大学的贺永等^[19]设计了气动脱模机构集成到自行设计的热压装备中，并且通过压印试验验证了该脱模装置的有效性。

3.2 微热压成型模具制造

微热压模具的加工精度是影响成型质量的关键因素。微热压成型模具的制造方法取决于模具材料和使用场合等，现有的制造技术主要包括微机械加工技术、微细特种加工技术和基于LIGA的制造技术等。

（1）微机械加工技术。微车削、微铣削、微磨削等微机械加工技术可以用来直接在模具表面加工出微结构。这些方法具有高效率、易操作和大面积制造的优点，适于特征尺寸较大的金属微热压模具的制造。例如韩国大邱加图立大学的KIM等^[20]采用单晶金刚石刀具在镀镍的模具钢和镍合金表面加工出连续的V形沟槽和金字塔形状的微结构。微机械加工还可用来制造尺寸较大的滚压成型模具，如韩国机械和材料研究院的JE等^[21]采用超细车床在直径为φ320mm，长为1 600 mm的铜辊子模具表面加工出了精密的微棱柱结构。

（2）微细特种加工技术。在特种加工方法上发展起来的微细特种加工技术，如微细电火花加工、微细高能束加工、微细电铸加工等加工方法在微热压模具的制造方面也得到了广泛应用。大连理工大学的褚德南等^[22]采用微电铸方法加工出符合设计标准的镍金属微流控芯片热压成形模具。

（3）基于LIGA的加工技术。当加工特征尺寸非常小或者较高深宽比的微结构时，需要采用光刻的方法制造微热压模具。基于LIGA的加工技术都包括光刻、显影、电铸制模和注射复制等工艺，根据光刻射线的不同可以将其分为LIGA、UV-LIGA、电子束LIGA和激光LIGA等，上述方法广泛应用于微热压模具的制造。德国卡尔斯鲁厄大学的MAPPES等^[23]采用LIGA技术在镍基板上加工出横向尺寸0.48 μm，深4.7 μm的微沟槽。大连理工大学的杜立群^[24]等采用UV-LIGA表面微加工工艺制作了一种塑料微流控芯片热压金属模具。此外，光刻技术还可用来在金属辊子表面直接加工出微结构，以保证滚压成型的连续压印。台湾成功大学的LEE等^[25]基于圆柱形光刻、各项同性化学刻蚀和电解抛光原理，提出了一种在辊子表面加工微结构的方法制作滚压成型模具。

3.3 仿生鲨鱼皮微结构滚压模具的设计与制造

鲨鱼皮表面盾甲鳞结构具有生物减阻功能，其结构如图10所示^[26]。利用CLI 2000触针式表面轮廓仪测量盾甲鳞结构的截面尺寸，发现在真实鲨鱼皮每个鳞片上存在着长度、高度各不相同的纵肋。在与真实鲨鱼皮表面微结构保持较高相似度的同时结合加工技术，用菱形结构简化鳞片形状，用等高梯形结构简化纵肋截面形状，得到仿生鲨鱼皮微结构如图11所示

仿生鲨鱼皮微结构截面尺寸主要包括：微结构宽度w，微结构斜度θ，微结构间距f，微结构深度h，如图12所示。由于加工方法的限制，仿生鲨鱼皮微结构的斜度取θ=0°。与测量的真实鲨鱼皮微结构尺寸保持一致，确定仿生鲨鱼皮微结构间距f=100 μm，微结构深度h=50 μm，微结构宽度w=50 μm。

UV-LIGA技术作为微制造领域的重要技术，可制作复杂微小的图形结构，且加工精度高，用材广泛，因此采用UV-LIGA方法制造用于复制仿生鲨鱼皮微结构的镍模具。以仿生鲨鱼皮微结构为基准确定微热压模具结构如图13所示，尺寸单位为mm。根据金属模具尺寸制作掩膜板，以镍作为基片依次完成预处理、甩胶、前烘、曝光、后烘、显影、酸洗、微电铸、退火、去胶等工艺过程，最终得到仿生鲨鱼皮微结构镍模具。制得的镍模具结构和轮廓十分清晰和完整，没有出现裂痕和粘胶现象，具有较好的独立性和规则性，如图14所示。将镍模具弯曲粘贴在滚压机辊子表面，即可实现微结构在聚合物表面的连续滚压复制。经过滚压工艺试验制得具有仿生鲨鱼皮微结构的PVC薄膜如图15所示，可应用在薄膜减阻、表面防污等场合。

4 微挤出成型模具设计与制造技术

微挤出成型一般是指成型截面尺寸微小(外径≤φ2 mm)、壁厚为微米量级型材的微成型技术^[28]。微挤出成型的微小截面塑料制品，如介入导管、微结构光纤、汽车油气路微管等具有优越的性能，并且在医学、通讯、汽车等领域具有广阔的应用前景。由于微挤出制品通常尺寸小、中空内腔、截面形状复杂、壁厚不均匀、几何精度要求高，传统挤出模设计理论不再完全适用于微挤出成型模具设计，同时对模具微小成型流道的加工也提出了更高的要求^[29]。

4.1 微挤出成型模具设计

在聚合物微挤出成型过程中，模具流道结构是否合理将直接影响制品的成型质量。模具结构参数设计不合理，可能会导致制品内筋开裂、壁厚不均、熔体破裂、扭曲、翘曲等缺陷^[30]。聚合物微挤出模具设计主要包括模具结构形式设计、非对称流道的流动平衡设计、成型段流道设计和注气系统设计等。

（1）模具结构形式设计。根据聚合物熔体挤出成型方向和挤出机轴线的关系，微挤出模具主要分为直通式、十字头和补偿式3种结构形式。直通式模具的成型流动方向与挤出机轴线方向相同。这种结构可保证聚合物熔体的流动平衡，但是容易产生熔接痕，且模具的注气孔难以加工和密封。大连理工大学的赵丹阳等^[31]和北京化工大学的邹维东等^[32]分别设计了无注气系统和具有分路注气系统的直通式双腔挤出模。十字头模具的挤出成型流动方向与挤出机轴线呈一定角度。这种结构的优点是制品不会产生熔接痕，注气孔也相对容易加工和密封，然而其转角处的非对称流道结构较难实现熔体流动平衡。补偿式模具流道经过2次转向后，模具成型段流道与挤出机轴线平行。这种结构通过第2次转向来补偿第1次转向引起的熔体流动不平衡，但模具结构复杂，生产中较少使用。

（2）模具非对称流道的流动平衡设计。聚合物熔体流动平衡是指在挤出模出口各个区域获得均匀的挤出压力和挤出速度。国外的微挤出模设计主要是凭借多年试错法获得宝贵的经验，被国外Guill、Maillefer、M&S、Putnam等公司所垄断。随着计算机仿真技术的快速发展，在模具制造前进行挤出流动模拟及模具结构优化，成为提高挤出模设计质量和效率的有效手段。美国麻省大学卢尔分校的NIRANCHANA^[33]利用流动模拟优化了三腔微管十字头挤出模的流道结构，实现了非对称流道内的流动平衡。华南理工大学的龚炫^[34]基于数值模拟进行了微挤出模的流动平衡性设计。但是由于仿真过程的大量简化假设，其计算结果通常与真实的成型过程存在较大差异，因此还需要建立流动平衡理论。大连理工大学的靳国宝等^[35]针对微管直角挤出模非对称流道结构，建立了关于直角挤出模非对称流道流动平衡设计理论。

（3）模具成型段流道设计。微挤出模成型段流道设计主要包括成型段长度设计和成型段截面设计2个方面。模具成型段长度较短容易引起显著的挤出胀大，但是成型段长度的增加会导致挤出机压力显著增大而降低生产效率、增加能耗。英国邓迪大学CHAN等^[36]建立了自动生成流线型挤出模流道的算法。大连理工大学的靳国宝等^[37]根据力学平衡原理推导了狭缝形、圆形和非规则形3种口模的微挤出模成型段长度模型。成型段截面设计的合理性是决定微挤出制品精度的重要因素。具有复杂截面形状的多腔微管具有各向异性的粘弹性挤出胀大，难以通过传统模具设计方法实现模具成型段截面形状的准确设计。由于制品形状的复杂性，对模具成型段截面的设计多基于数值分析和优化设计理论实现。例如，北京化工大学的朱常伟等^[38]采用POLYFLOW软件的逆向求解功能，设计了双腔微管模具成型段截面。

（4）注气系统设计。对于具有中空型腔的微小型材，微挤出模需要引入微细注气系统。但微细注气系统容易与模具流道发生干涉，增大了模具结构的整体布局难度。大连理工大学的靳国宝等^[39]指出，为实现不同型腔注气参数的分路控制，多腔微挤出模具应该采用十字头模具的结构形式，沿流动方向在芯棒上加工注气孔，以避免流道结构与注气系统的干涉。另外，为了降低注气孔的加工难度，应当将注气孔设计成沿流动方向直径不断减小的阶梯状结构。

4.2 微挤出成型模具制造技术

微挤出模具制造的难点在于成型段零件大长（深）径（宽）比微细结构的加工。目前，对于精度要求高、深宽比大的微结构，微细电火花加工技术和LIGA技术应用较为广泛^[40]。但是针对具有极大长（深）径比的微挤出模微细特征的加工技术研究尚处于起步阶段。

（1）芯棒成型段微细结构加工。芯棒成型段微细结构的尺寸微小，径向刚度较差，如果采用微机械加工容易使成型段微细结构发生振动或弯曲，影响加工质量，甚至导致断裂。微细电火花加工是一种非接触式的加工技术，很大程度上减小了工件所受的径向力，在细长轴类零件的加工上极具优势。大连理工大学的靳国宝^[37]将微细电火花成型和微细电火花铣削相结合，通过微细电火花穿孔和微细电火花线切割制作成型电极，利用成型电极端面一次性加工芯棒成型段的微细结构。这种方法易于制作复杂截面的成型电极，而且避免了芯棒上细长结构的弯曲或断裂。

（2）口模成型段微细结构加工。微挤出模口模成型段截面尺寸小且深径比大，同时还要考虑流道压缩段到成型段的平滑过渡，传统刀具难以胜任具有上述特征的口模成型段加工。大连理工大学的靳国宝^[37]将传统加工与微细电火花成型加工相结合，采用该方法制造的口模精度和流道表面粗糙度完全可以达到使用要求。

（3）芯棒内部微细注气孔加工。芯棒内的注气孔一般设计为沿注气方向直径逐渐减小的阶梯状圆孔，这样就可以采用微细电火花阶梯孔渐进加工。该方法分别采用钻削加工、电火花成型加工和微细电火花穿孔加工逐步成型各段注气孔，从而缩短单次加工长度，逐级实现注气孔的加工^[37]。

4.3 五腔异径导管微挤出模具设计与制造

五腔异径导管可以将不同手术器械、辅助器械和药物同时或先后送达病灶部位，在介入手术治疗中具有广泛的应用。其典型制品截面如图16所示，由一个主型腔和4个等径的次型腔组成，4个次型腔均布于主型腔四周，最小壁厚只有180 μm^[37]。生产该导管所用材料为医用挤出级聚丙烯。

该五腔导管壁厚不均匀，因此需要根据微小复杂截面型材的挤出胀大和冷却收缩规律对模具成型段截面进行补偿。另外，模具成型段截面尺寸过小将引起模具零件的制造和装配困难，因此还要根据胀大比和拉伸比对成型段截面尺寸进行适当的放大，由此得到五腔微管挤出模具成型段截面如图17所示。根据非规则截面熔体流量与压降关系，采用当量半径法进行成型段长度设计，可以得到模具成型段长度为11.6 mm。由于制品具有多个型腔，因此采用直角十字头模具结构。为保证挤出物离开模具后不发生扭曲，采用直角挤出模非对称流动平衡设计方法对转角流道进行优化设计，得到模具流道的转向角θ为37.5°，实现流动平衡所需的最短平直段长度为0.57 mm。五腔异径导管微挤出模具结构如图18所示。

模具中大部分零件可以用传统机械加工。但模具芯棒上存在多个跨尺度的微细特征，局部尺寸极其微小，且形状复杂，精度要求高，因此采用微细电火花成型电极端面一次性蚀除技术加工芯棒成型段结构，采用微细电火花阶梯孔渐进式加工技术加工注气孔，挤出模成型段与芯棒如图19所示。通过对模具流道结构和成型段截面的合理设计，并采用合理的微细加工工艺组合，设计制造了五腔异径导管微挤出模。利用该模具成型出满足设计和使用要求的五腔异径导管微挤出制品，如图20所示。

5 结束语

微机械电子系统的兴起促进了微成型模具设计与制造技术的快速发展，聚合物微成型产品正逐步走向产业化。但是，聚合物熔体跨尺度流动理论、针对不同微细特征结构的微细加工方法组合和工艺等尚未发展完善，在一定程度上影响了聚合物微塑件的成型质量。同时，生物、医学、光学、通信等领域的快速发展对聚合物微塑件的尺寸、精度和力学性能不断提出更高的要求，需要进一步研究和解决微成型模具设计与制造中出现的新问题，拓宽其应用领域，以不断适应微塑件的市场需求。因此聚合物微成形技术的进一步发展还面临着许多挑战，如何提高微成型质量成为该领域的研究重点。

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