聚苯乙烯微针阵列精密热压印成型仿真研究

聚苯乙烯微针阵列精密热压印成型仿真研究

吴肖盟

长沙理工大学机械装备高性能智能制造关键技术湖南省重点实验室，长沙，410114

摘要：热压印成型技术是现如今低成本、高精度、大批量生产聚合物微针阵列最有效的方法，为了研究热压印温度对微针阵列成型应力的影响规律，本文采用有限元软件MSC.MARC对聚苯乙烯微针的热压印成型过程进行数值模拟。结果表明：随着热压印温度的升高，微针阵列成型应力越小, 聚苯乙烯微针阵列的最佳热压印温度为125℃。

关键词：热压印；成型应力；有限元；聚苯乙烯

0 引言

聚合物微针阵列因具有增大皮肤渗透性、无痛微创、针刺风险低、生物相容性好等优点，广泛应用于药物注射、局部麻醉及美容整形等领域，致使聚合物微针阵列的市场需求与日俱增。

热压印成型技术是当前低成本、高精度、大批量生产聚合物微针阵列最有效的方法。为了研究热压印温度对微针阵列成型应力的影响规律，本文采用有限元模拟的方法对聚苯乙烯微针阵列的热压印成型过程进行仿真分析。仿真的开展，对于降低成型微针的成型应力，提供了一定的理论基础，具有一定的工程意义和实际应用价值。

1 仿真模型的构建

热压印上下模具均为Φ20×6mm的圆柱形铍铜基体，下模具上端面分布着3×3的倒圆锥台孔阵列，微针孔的中心距为1.5mm，微针孔底部直径为60μm，顶部直径为400μm，孔深度为700 μm ；聚苯乙烯预形体为尺寸Φ12×3.5mm的圆柱形坯料。

为了加快仿真计算速度，建立聚苯乙烯微针阵列热压印成型的1/4模型， 其中，上模单元数为822，下模单元数为38086，聚苯乙烯预形体单元数为497534。

图1 聚苯乙烯微针阵列热压印成型的1/4有限元模型

2 仿真结果分析

2.1 热压印温度

本文采用120℃、125℃、130℃三种不同的热压印温度对聚苯乙烯微针阵列进行热压印成型仿真模拟，热压印速率均为10μm/s，下压量均为2.0mm，以探究热压印温度对聚苯乙烯微针阵列成型应力的影响。

图2为不同热压印温度下聚苯乙烯微针阵列成型应力分布云图，由图可知，随着热压印温度的升高，聚苯乙烯微针的最大成型应力呈现下降的趋势，当热压印温度为120℃时，微针的最大成型应力达到12.61MPa，当热压印温度升至125℃时，微针最大成型应力迅速降低至6.132 MPa，当热压印温度继续升高至130℃时，微针最大成型应力变化较小，仅降低至5.697 MPa，造成这一现象的原因是随着热压印温度的升高，在热压印速率保持恒定的情况下，聚苯乙烯材料的流动性变好，当继续升高温度至130℃，聚苯乙烯的流动性已经提升得较为缓慢，使得其应力变化不明显。

综上分析，热压印温度为125℃时，既能大幅降低成型微针阵列的成型应力，又能避免温度过高时聚苯乙烯与模具发生粘黏，提升模具的使用寿命。因此，本文认为聚苯乙烯微针阵列的热压印温度宜为125℃。

(a) 120℃         (b) 125℃         (c) 130℃

图2 不同热压印温度下微针阵列成型应力分布图

3 结论

本文构建了聚苯乙烯微针阵列的热压印成型有限元模型，并进行了聚苯乙烯微针阵列的热压印成型仿真，研究了热压印温度对微针阵列成型应力的影响规律，得到以下结论：

在120-130℃的热压印温度下，随着热压印温度的升高，聚苯乙烯微针的最大成型应力呈现下降的趋势，综合考虑模具寿命，最佳热压印温度为125℃。