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微型注塑一一工艺、模具及其应用* ?) i. t+ S ?
+ E, u# A3 i m! _ 近年来随着电子和微电子技术的发展，制品
2 }) h+ E' U: ~" @和系统的微型化已成为新的研究方向。市场研究, o# X5 I" l( t' A
表明，到2002年微型部件和系统的市场占有量将
" O( A2 `' p4 M& J4 Z达到4。亿美元，尤其在汽车和电信领域将会有更3 {1 _- n2 B8 _* @1 a* j$ I! d6 p3 f
大的发展，目前已商品化的微型注塑制品主要有- N3 Z' n$ _! H7 C
微型齿轮、微泵、硬盘的读写磁头、温度压力传6 \$ w9 ~ i: ?, g4 J: J
感器、CD盘等[Il。广义的微型注塑制品可以分为
4 t& d2 k( X/ l以下三类:微型注射模塑制品、带有微结构的注- B' l4 u+ W5 C& d5 A, z' u: j
塑制品和高精密注塑制品。其中微型注射模塑制- d( N% G5 \) b
品是指尺寸为微米级、质量为几毫克的注塑制
1 k8 a2 x3 \! ~- _品;带有微结构的注塑制品则指制品的尺寸为常6 A8 y' s8 y3 |. x/ }$ p5 |5 }
规注塑制品的尺寸，但局部结构的尺寸达到微米
+ e1 u X. U; |级;而高精密注塑制品没有尺寸限制，但其尺寸
2 @( M3 Z: ?* B! `% H9 n0 o公差为微米级。但通常所指的微型注塑(Nlicro-, \5 x; e) v' ?$ D `; K. A: z
Injection Moulding)一般是指用来成型尺寸为
) c. g; {8 H1 F7 g" U1 |微米级、质量为毫克级的制品的注塑方法}2}。正
# N, b8 k' V, r! K3 a- I2 Z是当今社会对微型部件和系统的日益重视，使得+ k5 g+ s( x+ t
微型注塑技术在过去短短几年内便有了很大的发
0 p" `2 f: V& ?( |& s展。本文将对微型注塑技术的工艺、模具和应用
5 e) ^% j6 ~8 f情况作扼要介绍。. n- D$ F/ J6 s( M9 A, m- n2 N* U7 m+ a
2、微型注塑用注射机〔‘一“7
( i; _7 _7 j! j) I4 Y 现代普通注射机可以用于微型注塑。当注塑
* t! _ F- T* O2 u% S尺寸为微米级的微结构部件时，可选用小型的普
7 V* }; D5 S! ^通注射机。研究表明用来注塑CD片的普通注射机
2 b" Q. w8 l) L! w6 b(如Bayer公司的Macrolon CD 2005)适用于微型) Y7 K! e+ ]! V8 n$ _+ n
注塑，可用来注塑高度尺寸为50 um、流程与壁
9 U( l% J y( N- y/ ~厚之比为1的制品，并可获得较为理想的效果。" l, @2 y+ G" w! T
但对大多数普通注射机而言，其计量装置的精度
1 {- K1 s# n* a* m较低，成型后的注塑制品尺寸相差较大、精度较7 b) \7 J. b& i! }6 c$ t! C* n# D
低。而且微型注塑制品的质量一般为1-30mg,与0 p' |# \8 q1 a
此相比，普通注射机的主流道和分流道尺寸显得
B6 S$ E/ `) n( J! W过于庞大，只有不到10%的物料真正用于微型注$ U2 w+ B9 \5 ` t
塑，同时使得循环时间和物料用量与注塑制品的. o8 X- C% `; d8 s* {$ C
尺寸无关。因此普通注射机主要用来注射精度要3 T0 n& ~! O' q" ?2 i1 }) L# _% d8 M: R
求不高、尺寸较大的制品。
# V w0 R# @! e, q- K z8 E1 P 为此，国外厂家研制出许多微型注塑专用的5 L9 Q# R; W8 H) e/ e
注射机，表1列出了常用的微型注塑注射机及其% B U: X# c# G: b; r
主要的参数，用户可根据制品注射量和浇注系统" M% }& v" L6 A4 S
的类型来进行选择。当注塑尺一寸大小为几微米的
1 Z }2 D2 |2 \微型注塑制品时，宜选用注射量为毫克级的注射
: \/ c! Y( X" x1 R7 ~机。这类注射机的注射单元一般采用螺杆―柱8 R/ {' R3 c% s# u) e1 o
塞组合式，由螺杆部分完成对物料的塑化，并由9 {; Y% u& w; `1 f6 [7 j
柱塞将熔体注人到型腔。该类注射机中性能良好
+ X7 H, b4 V8 K$ q3 V的是Battenfeld公司研制的Microsystem 50。该- ~( ?: q& Z$ X0 @4 W$ {
注射机由合模导向机构、注射系统、气动脱模机
. x9 A1 ^! a. C" V- X6 _9 u构、质量检测机构和自动包装系统组成。采用自
8 W) e( e/ r" x% D& m8 E( e动抽真空将注塑制品从型腔中脱出的气动脱模可 }* g7 M- m/ x) R
微型注塑一一工艺、模具及其应用
: H. O8 y; Y. W9 z1 p$ V表1微型注塑用射机及其主要参数
0 x- K4 }: v+ n9 _3 w防止脱模时对注塑制品的破坏，而利用质量检测
7 q ]. B0 y, j4 h系统可保证微型精密注塑制品的成品率。% S2 A5 o6 p/ S9 d K1 c& Q
) q& J& l" X; w- C( D, x
由于微型注塑成型的是质量为毫克级的制- p8 z5 \! Q6 i. @4 s+ h
品，如果采用普通浇注系统来注塑制品，即使是2 W4 ?# o$ g! {+ b$ p) k2 ^# ~
在作了最优化改进后，制品和浇注系统内的物料
- M* }9 i, [& I7 q* x% {& ]质量比仍为I:10。只有不到10%的物料被注塑成
; M& R) O# f7 m6 |: J7 [" r0 w3 f微型制品，产生大量浇注系统凝料，所以应采用; h6 f4 g" B" _7 w
热流道浇注系统。此时，从注射机的喷嘴到型腔# n. D/ }. ~5 E; I
人口为止的这一段流道中的塑料始终处于熔融状
$ I' V* A" v' w+ q态，开模时只需取出注塑制品，不必取出浇注系/ h% W4 Q' P3 ^
统凝料，可缩短循环时间。通过使热流道的喷嘴
; m. Y3 p* i( R0 l$ e ^0 A5 u i2 L尽可能靠近型腔，采用多型腔同时浇注成型，使
: [+ F+ V! q1 A8 I# L6 l物料的利用率大为提高，则制品和浇注系统内的
z' H/ ^* S1 F9 ^6 X熔体的质量比减小至1:1，从而可避免物料热降
3 R! A1 [2 U/ p. J解。而且采用热流道浇注系统有利于压力的传
- q1 T" G1 n- v, {; Z) U6 F递，在一定程度上避免了制品因供料不足而产生4 j2 H$ i/ Z; q: G9 f. D
凹陷、缩孔等缺陷。由于微型注塑所用的塑料的
! w& y7 a0 T4 J; H$ L: u熔融粘度很低，为避免出现流延现象，热流道模8 |: ^7 N& I) G- G% n( A
具宜采用针阀式喷嘴，在注射和保压阶段使喷嘴5 l/ l ^ J. r7 N% r" {, s
处的针阀处于开启状态，而在保压结束后则将针
X4 d- z" A0 h/ Y' h阀关闭。此外，模具型腔和热流道应有单独的控
; r2 w: Q: _$ x" ^- U温系统(见下文)。
2 s" e% R; Z1 \7 v+ j 因为微型注塑制品是薄壁、质量为毫克级的' B# v Z a1 Z; ^& C
制品，在脱模方面，为确保制品在脱模时不发生' n; b( z5 ^: [5 E
变形、影响制品的外观，不宜采用顶杆脱模方$ O2 z2 G1 ~4 C8 [# s( _
式，而应该采用自动抽真空将注塑制品从型腔中7 n3 c# ~& {6 d6 K3 H3 l2 o& E/ P
吸出的气动脱模装置。在模具制造方面，由于微
6 u* `) P6 t: d+ D3 E" P. @型注塑制品主要用于精密仪器，其尺寸和精度要% }; w7 O1 F# n3 x/ R
求很高，因此微型注塑的型腔制造时应选择高精( X c$ r8 d" N* D
度的加工方法来进行加工。通常情况下选用电火$ Z v1 } M/ N( J* u% G
花加工，但用电火花加工的型腔表面有较深的凹; S! ]. t6 X( L
坑，光洁度不高，使得注塑后的制品精度较低，/ d$ C$ ~# N" ]( z- r/ s; a7 V% [9 x
所以注塑高精密制品的型腔加工时应选用电火花' t" D: d3 l: d+ b, t1 g
和LIGA(Lithography/Electroforming moulding)
9 a7 Z& e* I3 }& d" j: B, h. t―石印电子成型技术相结合的加工方法。
D5 Y4 h: {' ^$ { 为了进一步缩短循环时间，Battenfeld公司. ]; }& s ^4 z+ c, I
研制出一种新型的微型注塑模具。该模具有两个2 y [5 I# ]: [. F% i0 @3 \! ]0 P
动模，安装在可以旋转动模板上。开模后，动模
8 n1 d! J9 @$ ~- ^绕注射机工作轴旋转180“，离开注射机工作
; `/ K0 [3 |7 W6 L8 i轴，而另一个动模则刚好处于闭模位置，闭模后
( B$ D& c; {% i* Q% ?又可进行下一轮注射，在注射的同时，可对注射; n q. `' w* @: Y# ~; S+ }6 @ d
机工作轴的那个动模进行脱模和质量检验。作了 `4 P& E/ P; C) p1 w+ C9 j
这样改进后，微型注塑的循环时间可缩短至几( {" R+ j3 ]4 w+ j" e5 {
秒。
3 r' @5 y# D u3 b7 G, Z* J 3.2工艺技术
2 P$ s" r% T% E# a0 } 3?2.1模具温度I -al
0 k+ e7 i& I+ R+ P3 T6 @ 在微型注塑成型过程中，模具温度直接影响
5 E3 p+ D* L/ {) y到注塑制品的质量和生产效率。对于不同的塑, ^/ ^/ v- v# l" T) ?% ^
料，模具的温度有不同的要求，同时为了尽可能
# O: p2 Q* |2 L: w& U: s4 j. |! W缩短循环时间，必须对模具添加变温调节系统。2 b* Q$ ^( w0 w9 F
理想的模具变温调节系统是当充模时.模具温度
( i" a2 }8 i7 ^- a足够高(超过所用塑料的熔点)，使得熔体能快速; ~' [& K# x a# E! ]' Z: e
充满型腔，防止熔体在充模过程中温度降低过快
& |' W0 J& R9 R% [# }而造成充模不全;而当脱模时，模具温度又能保
1 H2 m/ y5 B1 S) t: Y$ H% }持在比塑料热变形温度稍低的温度，并且模具内! n% G: u5 J. S; U9 N8 m
《上海塑料》2002年3月第1期(总117期)
2 F3 Y! N5 L4 j0 N, v部温度变化迅速以缩短循环时间。对于成型尺、J-
* g* \, y: b1 b% ]3 b7 X, k `为50、流程一与壁厚之比为160的制品，若用传7 Z& A5 i2 j) E5 u$ E
统的油浴或水浴控温，循环时间一般为儿分钟，8 A; w; ]7 Y) s' k. R
这很大程度上限制了微型注塑的经济性。采用模
* t8 t8 |" V! @具变温调节系统则可明显缩短循环时间。如果采
1 |& _' Z6 P# [1 g" ^' @# T用只对微型型腔部分进行电加热和快速冷却、而
2 e( i+ Z! V- ?. } N' C6 j整个模具温度始终保持在脱模温度，不仅可以减
2 b5 U& X+ U# A' Q( M; [少模具重量，使得模具成本相对降低，而且_可将
+ ]7 A# G" T7 q1 o. q循环时间缩短至15:左右。除了采用电加热方法
/ G/ A9 w$ |* Q1 F+ [以外，还可采用电感式控温的变温调节系统可
6 j! J3 W |& k* e: K! C用来注塑尺寸为2. }-20 a m、流程与壁厚之比为, i8 ^" E1 a) ^( U3 Z$ U
2。的带有微结构的注塑制品。% a# g! N4 q3 f' @9 K8 [& M" a
3.2.2注射单元的工艺参数’“}5 I- P6 O& |1 K" e1 ], Y! z
微型注塑成型的是薄壁、流程壁厚比较大的
- t/ T0 j3 S( a$ T5 [+ K2 W: D3 K9 A制品，因而型腔和浇口需添加单独的变温调节一系9 @" c0 u8 W+ J$ \
统，否则在充模过程中熔体温度逐渐降低，容易
+ y* q6 P9 W2 z- T* B# e造成充模不全，成型的注塑制品的内应力较大。& w" l9 f$ u8 ]4 `7 l/ w* W/ t# Q+ ~
添加变温调节系统后，注射时能保证熔体充模时
! n. M4 a" K1 T$ x7 x4 ?温度保持不变，熔体能快速充满型腔;而当冷却
6 F8 ? k7 ~: I* g: E- P: q3 C# [2 f时，又能保证注塑制品的各部位同时凝固，不仅
$ g- d! ^# j D" y/ F8 P, h提高了制品的质量，也缩短了循环时间。同时为
4 L. o7 b6 f* r了防止熔体的热降解，有必要减少熔体在高温下
1 P/ G2 A+ U# W的停留时间，为此常采用螺杆柱塞组合式注射单$ G- b1 a W B! f, M2 Y
元，螺杆直径为12-18mm，而柱塞的直径一般为7 ^3 m5 c6 M" O9 _: R+ B w
4、微型注塑用塑料〔}, 41
: @8 e; d1 l# F: D, j) { 近年来对微型注塑用材料进行了较为系统的
5 s. @3 }0 ?0 E研究，研究发现，螺旋流动的试验模具不能用来; y% D) c5 ^/ h" |* v7 i' Y' s
研究尺寸小于100 um的制品的可模塑性。尽管可+ K; |/ }/ j9 u: j$ t8 ]* q
以充模，但制品的稳定性差，不容易脱模。并且- ?1 Z. s% l! n; ~0 w3 f Y) t3 X
材料不能用来重复生产局部尺寸小于lpm的制品
) U9 x( j' H: ?% o6 Q9 G也不能用该模具来进行试验。为此，Webel等I41设' f& J0 O S Q
计出能用来研究微型制品可模塑性的模具，其型
) s2 M9 L, q1 I( r( b腔为采用X射线成像和电火花蚀刻技术加工的高1 k T2 G) `; f/ |
精密注塑型腔，型腔的壁厚为2. 5-20 u m，顶角; p$ H, E/ D! y0 _& |- v: ?
半径为。. 3-5 u m，可用来模拟材料在型腔的一些
; S- I( c8 T* g阶梯和顶角处的充模情况。表2为所研究的各种7 \2 o' b$ m7 T6 n
不l司性能的热塑性工程塑料作为微型注塑材料的- A* ]0 L% j4 j9 F
适用性。除了考虑到工艺条件对制品的影响之
4 y8 B6 G2 M9 G8 h9 R2 [外，成型后的制品的精度也是材料选择的重要考
5 ]1 q7 N* N7 P, C; |* Q. v虑因素，制品的精度不仅指单个制品生产的重复3 u1 k+ }- X7 I- t" l7 c, E
性，也指制品收缩和翘曲的趋势、表面均吉度、
9 F! L3 F9 H- p1 i; n8 B' R4 D部分结晶材料的相态结构、内应力等等。
2 M, M! J4 L5 m% }$ y 研究发现能用于微型注塑的材料是粘度低、6 m$ g7 i. |$ |7 o! a
6 m* e1 Y) f) e热稳定性好的通用工程塑料。选择低粘度的工程1 d: Z- x& s3 J% a
塑料是因为在充模过程中，熔体的粘度低，浇注- ?2 s7 W' _. i7 t% \$ Y
系统的阻力小，这样充模速度快，能保证熔体顺
, c" Y" \0 U* g5 q ?3 ~# }利充满型腔，熔体温度也不会有明显的降低，否: U, _8 i/ W& X$ X5 W- [2 s0 A# i
则在制品上容易形成冷接缝，而且在充模过程中& L3 h; Q1 K; U- e$ `0 v2 J
分子取向少，所得制品的性能比较均匀。如果选
6 d9 r' ~, Y% O- b7 m择高粘度塑料，不仅充模较慢，而且补料时间较
- l8 ?/ q' Y5 H# G( W* u f& ?8 d长，由于补料引起的剪切流动容易使链状分子沿8 J |2 q/ n# R, V) ^# r
微型注塑一一工艺、模具及其应用* t& `, L. `8 K; N/ s4 @1 j
剪切流动方向取向，在这样情况下冷却到软化点; z% F4 z1 Y5 X& y# n
以下时取向状态被冻结，而这种在一定程度上的 D P, ^6 M C8 U1 L3 p
冻结取向容易造成制品的内应力，甚至引起制品
9 p1 s' c& z$ n9 [2 f的应力开裂或翘曲变形。要求塑料的热稳定性好
, W" [$ A5 \$ I+ O2 b# [的理由则是由于物料长时间停留在热流道内或受# _- ]1 A3 r' l7 o) z' T' v
螺杆剪切作用容易造成热降解，尤其是对热敏性
4 v7 K5 v" y# T/ O0 G% I塑料，即使在很短的循环时间内，也会因为物料# r* A/ {; f1 ~/ K
注射量小，在浇注系统内的停留时间相对较长，' d6 H9 t, N p5 o k( ]" D! h
造成塑料相当程度的降解，因此热敏性塑料不适
8 H. W) C7 W1 E# m合微型注塑。当然，从经济角度考虑，每个微型
1 ]; t o# t: g1 t$ `6 w' ^注射件的质量通常为0.001一1g，若不考虑热流道5 @4 g& M' x) S0 O' `$ a
中停留的物料，则年生产100万个制品其原料用
" c7 u% r; y" |$ K量也不会超过1吨，而且选用新型的工程塑料和
. K) z$ @; u4 h, ^9 B- B# Q1 U2 N/ z8 r高级塑料，不仅使原料成本大为增加，微型注塑
9 S" K; _. t3 Z1 `/ @模具也会有很大的变化，因而，如果微型注塑制6 y0 k1 g% u0 I" |( w: T# `
品没有特殊的性能要求，一般选用通用工程塑料
. q0 f- y- E4 j8 g( X" N9 B- m: K' m为微型注塑用原料。
$ M) {7 ?5 j5 [# G2 M# t外，也可用于需要精确计量液体用量的场合，如
% P( `) u! b, u" @( ?( Z用于对精密仪器进行上油润滑场合。! F9 W$ I- z4 O' x+ W0 X8 O9 c
(3)传感器和传动部件。在这个领域，微型
" E3 ]( Q6 g5 J, G& j/ x( T注塑制品同样有了较大的发展。小型的注塑制品
4 ]! J1 l1 J5 ?; i& H可用于测量吸光指数和折光指数的传感器、测定7 N, w2 g! J+ X
液体流动速率的传感器、压力和温度传感器等/ O0 V9 E7 ?1 A6 T, a) t8 O4 y
等。用微型注塑成型的微型齿轮用在微型电动机$ W; ~8 R! {/ r: k
上可以增加扭矩，例如用聚甲醛(POM)借助LlGA
P+ n3 M% v M技术生产的微型齿轮，该注塑制品的尺寸小于50/ h" u2 P) J- ] T9 c, l
it m，质量仅为。.008g，但其精度高、表面光滑: x. |# C1 n$ d* j9 p2 N# v; }
平整(表面粗糙度仅为几十个纳米)，用在微型电
2 B4 B5 C/ K! {( N. ]4 s/ z动机上可产生150uNm的扭矩。7 u5 s) z( E- h$ ?+ u
6、结语
$ ] v3 }. i. ]; k) W9 `5、应用[41
$ o& @/ ?' Y7 F1 \( @8 Z 微型注塑技术的出现使得微型制品的生产发/ c/ E. a, I- o1 ~+ w
生了深远的变化。目前已商品化或极具发展潜力
, J8 k1 M+ i! S5 X9 J$ w的微型注塑制品主要在光学通信、医学工程、汽2 K$ o$ b9 Z/ q$ K1 j: c
车和钟表的传感器和传动部件等领域。; P: o, I$ o5 t4 V
(1)在光学通信领域。单个部件的价格及其! _, c% N* V( p1 H; ~: D8 D
精度是决定制品能否大批量生产的决定因素，而7 H4 G4 o/ q! h0 Y& Z* d
微型注塑制品的尺寸达到微米级、精度高，其价% e2 t/ c# p( m: @# G3 N
格与传统部件的价格相比要低，这使得将来微型8 Y$ v' C4 \: c, e5 x% z1 ^+ H, `/ B
注塑制品在光学通信领域必有较广泛的应用。如- L2 ~% `$ o) r
用微型注塑成型的连接光纤拔插式连接器，不仅! H6 f9 d" @0 l* P3 v' U
可以连接光导纤维，也可用作发送和接收部件。
2 v5 w, X2 @6 k (2)医学工程领域。目前在医学工程方面的
9 h# A1 b) X. {) d5 }进行的研究是用自吸收的聚合物来注塑微型制品
! A4 G- Q# o, V' @- h! E% c' L来替代以金属制成的制品，若不考虑其生产的经' V' Y, q# I& o! ~% N( N& C& ]4 E
济性，选用这类聚合物的一个显著优点是在体内
- S4 N% @5 u/ k, o, w g! W可以被选择性的吸收。此外，微型的泵也可用微
+ m7 }* E+ F0 Z! x+ {型注塑进行成型，模具内嵌人一些刚性材料可以
) C* n% W2 U9 q! ?/ Z, K增强制品的刚度。微型万除了可用于医学工程
0 Y; C& ]- a! s8 P 微型注塑成型后的制品尺寸精度高，易实现
/ C, g7 @" s i" ^4 w工业自动化生产，生产效率高，今后将成为微型# p2 ^7 m2 k9 {' a
制品成型的重要方法。微型部件和系统的逐步推
, z. E* Y+ d' F( _ G* \8 m广，必将使那些掌握微型注塑技术的厂家在未来& _2 }( R, \3 ~* x/ \1 g6 L1 R2 \# g
的激烈竞争中处于明显的优势。因此，国内的研1 M+ k L* k; h1 x' s4 y
究所和厂家应尽早开展该方面的研究工作。 |
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发表于 2006-12-20 17:42:30