微型注塑

icanyes

微型注塑一一工艺、模具及其应用
! G- s& ?" s  o      
  近年来随着电子和微电子技术的发展，制品
和系统的微型化已成为新的研究方向。市场研究
6 D/ z2 Z9 f4 L2 C; n& }2 ]表明，到2002年微型部件和系统的市场占有量将
达到4。亿美元，尤其在汽车和电信领域将会有更
大的发展，目前已商品化的微型注塑制品主要有
2 K7 q! Y  N5 p. ?1 E# H. G微型齿轮、微泵、硬盘的读写磁头、温度压力传
3 a% f. `. ^5 @( X, g$ `( }& r2 ^感器、CD盘等[Il。广义的微型注塑制品可以分为
以下三类:微型注射模塑制品、带有微结构的注
塑制品和高精密注塑制品。其中微型注射模塑制
品是指尺寸为微米级、质量为几毫克的注塑制
品;带有微结构的注塑制品则指制品的尺寸为常
6 r# R! z6 A1 m( |# g7 ?# ~规注塑制品的尺寸，但局部结构的尺寸达到微米
级;而高精密注塑制品没有尺寸限制，但其尺寸
公差为微米级。但通常所指的微型注塑(Nlicro-
$ S7 D0 h: J5 v! |8 y  ^* ZInjection Moulding)一般是指用来成型尺寸为
- k- {) k! Q4 ~0 s7 w0 Y0 D微米级、质量为毫克级的制品的注塑方法}2}。正
7 _5 L  }+ [5 O' R1 \& J$ g是当今社会对微型部件和系统的日益重视，使得
6 K, v7 E; A( A微型注塑技术在过去短短几年内便有了很大的发
) h5 `( ?4 o6 x- w9 c8 {展。本文将对微型注塑技术的工艺、模具和应用
6 M' j' _; x4 M情况作扼要介绍。
2、微型注塑用注射机〔‘一“7
; b8 a, ~  e) [2 v3 Z! j* Q  现代普通注射机可以用于微型注塑。当注塑
尺寸为微米级的微结构部件时，可选用小型的普
% V  [) E+ [, t! g通注射机。研究表明用来注塑CD片的普通注射机
4 m9 _! x( k; ?9 l(如Bayer公司的Macrolon CD 2005)适用于微型
0 i' X  n1 l0 @4 r  ]( Z注塑，可用来注塑高度尺寸为50 um、流程与壁
厚之比为1的制品，并可获得较为理想的效果。
: m$ R. P6 Z9 d2 v/ t; E0 ^但对大多数普通注射机而言，其计量装置的精度
; \6 r8 ~0 f6 _! l2 q较低，成型后的注塑制品尺寸相差较大、精度较
低。而且微型注塑制品的质量一般为1-30mg,与
此相比，普通注射机的主流道和分流道尺寸显得
过于庞大，只有不到10%的物料真正用于微型注
塑，同时使得循环时间和物料用量与注塑制品的
2 g. F. E4 M- Y: R尺寸无关。因此普通注射机主要用来注射精度要
" E$ H  j7 B4 E9 L4 m2 T求不高、尺寸较大的制品。
- q" A3 T$ O. @# `* ^2 M: I. C  为此，国外厂家研制出许多微型注塑专用的
+ U) W- B$ F2 g1 P7 }/ M2 h& y, t注射机，表1列出了常用的微型注塑注射机及其
主要的参数，用户可根据制品注射量和浇注系统
7 Q& Z5 G0 c/ ?. I的类型来进行选择。当注塑尺一寸大小为几微米的
+ A0 \4 B* p$ ~1 V7 ?3 c微型注塑制品时，宜选用注射量为毫克级的注射
: D; V  q: ^5 k1 n7 y5 M( X机。这类注射机的注射单元一般采用螺杆―柱
( r" J" y, S) H6 ^塞组合式，由螺杆部分完成对物料的塑化，并由
柱塞将熔体注人到型腔。该类注射机中性能良好
1 n2 E/ R2 D# S/ t8 W" ~的是Battenfeld公司研制的Microsystem 50。该
注射机由合模导向机构、注射系统、气动脱模机
3 M3 p+ D0 j2 a, ^- ?% W; H构、质量检测机构和自动包装系统组成。采用自
4 O. x# ]  n7 Z8 ^8 Q2 y& S动抽真空将注塑制品从型腔中脱出的气动脱模可
微型注塑一一工艺、模具及其应用
4 ?& m5 k7 d  F表1微型注塑用射机及其主要参数
防止脱模时对注塑制品的破坏，而利用质量检测
系统可保证微型精密注塑制品的成品率。
2 A6 y) @8 p5 U# ?  F- H( L& P! U
  由于微型注塑成型的是质量为毫克级的制
品，如果采用普通浇注系统来注塑制品，即使是
  N% `0 I* o+ ^7 j  @8 ~6 ?9 L' U. o: B在作了最优化改进后，制品和浇注系统内的物料
质量比仍为I:10。只有不到10%的物料被注塑成
- H6 q$ r5 K9 t微型制品，产生大量浇注系统凝料，所以应采用
热流道浇注系统。此时，从注射机的喷嘴到型腔
人口为止的这一段流道中的塑料始终处于熔融状
* I6 ^2 Q8 E; v+ m  P& U态，开模时只需取出注塑制品，不必取出浇注系
' Z* T/ z0 ?2 G, _5 Q$ u3 ]统凝料，可缩短循环时间。通过使热流道的喷嘴
( g5 r+ n' v3 ~8 E& s' S, J尽可能靠近型腔，采用多型腔同时浇注成型，使
物料的利用率大为提高，则制品和浇注系统内的
7 Z! y, H9 \5 q熔体的质量比减小至1:1，从而可避免物料热降
解。而且采用热流道浇注系统有利于压力的传
递，在一定程度上避免了制品因供料不足而产生
凹陷、缩孔等缺陷。由于微型注塑所用的塑料的
. b3 O# ~/ p3 M) K1 i9 l2 g熔融粘度很低，为避免出现流延现象，热流道模
具宜采用针阀式喷嘴，在注射和保压阶段使喷嘴
$ h- \; p% A/ i5 i. P4 _. h处的针阀处于开启状态，而在保压结束后则将针
. ~2 G# Q3 _* M" I: P阀关闭。此外，模具型腔和热流道应有单独的控
温系统(见下文)。
+ S2 ?( E+ K" S  因为微型注塑制品是薄壁、质量为毫克级的
制品，在脱模方面，为确保制品在脱模时不发生
变形、影响制品的外观，不宜采用顶杆脱模方
) m7 ~3 [5 N$ z2 P6 a式，而应该采用自动抽真空将注塑制品从型腔中
& T3 z$ A8 W( A吸出的气动脱模装置。在模具制造方面，由于微
型注塑制品主要用于精密仪器，其尺寸和精度要
% g8 h# z2 d. j0 c求很高，因此微型注塑的型腔制造时应选择高精
  I) L6 D) Q. g" W4 T) ]) C度的加工方法来进行加工。通常情况下选用电火
* @/ S4 x( i2 {花加工，但用电火花加工的型腔表面有较深的凹
4 r+ e7 Y5 @7 r) d$ \! e. N; @1 A坑，光洁度不高，使得注塑后的制品精度较低，
所以注塑高精密制品的型腔加工时应选用电火花
和LIGA(Lithography/Electroforming moulding)
% j/ a( M2 K6 f―石印电子成型技术相结合的加工方法。
  为了进一步缩短循环时间，Battenfeld公司
研制出一种新型的微型注塑模具。该模具有两个
1 m' i3 p; P+ p) E- q% ~动模，安装在可以旋转动模板上。开模后，动模
绕注射机工作轴旋转180“，离开注射机工作
  P& q' ]" Y2 @; s9 P& i! l轴，而另一个动模则刚好处于闭模位置，闭模后
$ ^( f- f& R  [% K/ K- B4 k9 ^又可进行下一轮注射，在注射的同时，可对注射
+ M% H" v# h' K机工作轴的那个动模进行脱模和质量检验。作了
这样改进后，微型注塑的循环时间可缩短至几
) G( l8 q9 s$ O8 P秒。
& D# M8 N' E4 k$ S  Q  3.2工艺技术
  3?2.1模具温度I -al
6 F6 r  ~( }* z% b  在微型注塑成型过程中，模具温度直接影响
到注塑制品的质量和生产效率。对于不同的塑
料，模具的温度有不同的要求，同时为了尽可能
" f+ S: s" E/ p2 T. Z缩短循环时间，必须对模具添加变温调节系统。
  H# y9 z2 m- m/ Z7 f理想的模具变温调节系统是当充模时.模具温度
/ Q. v) y; H, c足够高(超过所用塑料的熔点)，使得熔体能快速
充满型腔，防止熔体在充模过程中温度降低过快
3 j4 \5 A3 g* f  J3 A) M- g! c/ d而造成充模不全;而当脱模时，模具温度又能保
3 x: q) U7 {2 [+ G4 F持在比塑料热变形温度稍低的温度，并且模具内
% t! @2 o" C9 g2 F: B1 m0 L《上海塑料》2002年3月第1期(总117期)
部温度变化迅速以缩短循环时间。对于成型尺、J-
为50、流程一与壁厚之比为160的制品，若用传
% v% |. m8 b' K: s& u统的油浴或水浴控温，循环时间一般为儿分钟，
! w6 J$ \# r( h! Y这很大程度上限制了微型注塑的经济性。采用模
3 L( _' p5 l& Z具变温调节系统则可明显缩短循环时间。如果采
用只对微型型腔部分进行电加热和快速冷却、而
  q- p4 T/ G! x$ R) n整个模具温度始终保持在脱模温度，不仅可以减
7 i: H# t' |5 c  a$ s! X少模具重量，使得模具成本相对降低，而且_可将
8 C8 G, ~$ P3 n循环时间缩短至15:左右。除了采用电加热方法
4 E, f7 {9 b: z8 C- W( `( l以外，还可采用电感式控温的变温调节系统可
用来注塑尺寸为2. }-20 a m、流程与壁厚之比为
2。的带有微结构的注塑制品。
: a' B7 T) W0 I9 u& ~  3.2.2注射单元的工艺参数’“}
  微型注塑成型的是薄壁、流程壁厚比较大的
制品，因而型腔和浇口需添加单独的变温调节一系
统，否则在充模过程中熔体温度逐渐降低，容易
3 t% l8 O# [9 N. ~4 q造成充模不全，成型的注塑制品的内应力较大。
添加变温调节系统后，注射时能保证熔体充模时
温度保持不变，熔体能快速充满型腔;而当冷却
时，又能保证注塑制品的各部位同时凝固，不仅
5 V. U4 B+ c4 ^' B$ G, x7 m" b提高了制品的质量，也缩短了循环时间。同时为
8 v. z' H5 |/ e+ g了防止熔体的热降解，有必要减少熔体在高温下
) K9 B- J. _* K; b% G" P3 Q的停留时间，为此常采用螺杆柱塞组合式注射单
元，螺杆直径为12-18mm，而柱塞的直径一般为
$ W5 N. f5 c) ~; i7 C0 F8 a8 d4、微型注塑用塑料〔}, 41
. ~$ V) b* G% \4 F8 N$ n  近年来对微型注塑用材料进行了较为系统的
: h# G% B1 A  P% u5 @研究，研究发现，螺旋流动的试验模具不能用来
研究尺寸小于100 um的制品的可模塑性。尽管可
以充模，但制品的稳定性差，不容易脱模。并且
# p$ n( i" M8 y6 I9 g材料不能用来重复生产局部尺寸小于lpm的制品
/ P- A! `: T3 G8 d也不能用该模具来进行试验。为此，Webel等I41设
+ Z+ g1 K$ K1 J; B" b计出能用来研究微型制品可模塑性的模具，其型
腔为采用X射线成像和电火花蚀刻技术加工的高
& {8 \* t. N  c0 g+ Y; O% ~  r精密注塑型腔，型腔的壁厚为2. 5-20 u m，顶角
半径为。. 3-5 u m，可用来模拟材料在型腔的一些
阶梯和顶角处的充模情况。表2为所研究的各种
不l司性能的热塑性工程塑料作为微型注塑材料的
适用性。除了考虑到工艺条件对制品的影响之
外，成型后的制品的精度也是材料选择的重要考
" C  p) W* A1 A$ e7 y虑因素，制品的精度不仅指单个制品生产的重复
9 u) N& e$ j. a性，也指制品收缩和翘曲的趋势、表面均吉度、
, k4 m9 ?( s# y& i部分结晶材料的相态结构、内应力等等。
! G! y  E0 a( H2 e# `; y# {) }( f  研究发现能用于微型注塑的材料是粘度低、
3 e5 q9 n/ N4 l$ t      
" E! q  |9 ]3 S, t. J热稳定性好的通用工程塑料。选择低粘度的工程
塑料是因为在充模过程中，熔体的粘度低，浇注
& b9 e9 y! _8 k% h* a系统的阻力小，这样充模速度快，能保证熔体顺
利充满型腔，熔体温度也不会有明显的降低，否
则在制品上容易形成冷接缝，而且在充模过程中
" n6 W- L1 Z* l; n分子取向少，所得制品的性能比较均匀。如果选
择高粘度塑料，不仅充模较慢，而且补料时间较
长，由于补料引起的剪切流动容易使链状分子沿
5 O3 _. X$ |7 F! c' x微型注塑一一工艺、模具及其应用
剪切流动方向取向，在这样情况下冷却到软化点
以下时取向状态被冻结，而这种在一定程度上的
冻结取向容易造成制品的内应力，甚至引起制品
的应力开裂或翘曲变形。要求塑料的热稳定性好
# \& H6 h3 l* l' j8 ^的理由则是由于物料长时间停留在热流道内或受
" I4 y# @0 {6 ]9 i螺杆剪切作用容易造成热降解，尤其是对热敏性
0 y3 y1 y& ~8 X0 O1 N3 K塑料，即使在很短的循环时间内，也会因为物料
注射量小，在浇注系统内的停留时间相对较长，
' y, R9 k4 w5 Z. j7 F# K造成塑料相当程度的降解，因此热敏性塑料不适
% N9 p. s) z- k合微型注塑。当然，从经济角度考虑，每个微型
5 |' g9 u$ a) d7 O: `; B1 P注射件的质量通常为0.001一1g，若不考虑热流道
# r9 \& e2 V: x4 l6 v; ^3 R% C: y中停留的物料，则年生产100万个制品其原料用
量也不会超过1吨，而且选用新型的工程塑料和
高级塑料，不仅使原料成本大为增加，微型注塑
模具也会有很大的变化，因而，如果微型注塑制
  ~+ n2 d7 i, o/ L; v$ U品没有特殊的性能要求，一般选用通用工程塑料
为微型注塑用原料。
外，也可用于需要精确计量液体用量的场合，如
! `4 b7 S( J1 k1 C. D用于对精密仪器进行上油润滑场合。
3 W4 X, z/ L' i- {  (3)传感器和传动部件。在这个领域，微型
7 h) a& F* r2 ], V注塑制品同样有了较大的发展。小型的注塑制品
可用于测量吸光指数和折光指数的传感器、测定
+ A( u! l6 |2 |( m! |; n7 p) F液体流动速率的传感器、压力和温度传感器等
等。用微型注塑成型的微型齿轮用在微型电动机
上可以增加扭矩，例如用聚甲醛(POM)借助LlGA
技术生产的微型齿轮，该注塑制品的尺寸小于50
it m，质量仅为。.008g，但其精度高、表面光滑
3 X% A) T9 B; ]; a' \% t平整(表面粗糙度仅为几十个纳米)，用在微型电
- m( }- K) C8 @+ i: p动机上可产生150uNm的扭矩。
) E' q+ j& j6 |5 W6 W5 D; d6、结语
. [3 `9 _, K: K7 \: y' G1 `5、应用[41
, u6 `3 S& q$ r% p; A7 V. n( p  微型注塑技术的出现使得微型制品的生产发
* @5 @4 |$ A% X! V; u& n8 D生了深远的变化。目前已商品化或极具发展潜力
: I7 V: r, @. L5 k/ }6 L& Q的微型注塑制品主要在光学通信、医学工程、汽
; }1 P% f- W5 B; y: v车和钟表的传感器和传动部件等领域。
  (1)在光学通信领域。单个部件的价格及其
精度是决定制品能否大批量生产的决定因素，而
微型注塑制品的尺寸达到微米级、精度高，其价
格与传统部件的价格相比要低，这使得将来微型
注塑制品在光学通信领域必有较广泛的应用。如
用微型注塑成型的连接光纤拔插式连接器，不仅
可以连接光导纤维，也可用作发送和接收部件。
  (2)医学工程领域。目前在医学工程方面的
- ~# l3 v: y& n8 B& _进行的研究是用自吸收的聚合物来注塑微型制品
- Q: w/ m4 E/ n4 S) P- w. Q来替代以金属制成的制品，若不考虑其生产的经
% ?2 y- }9 g8 b2 j6 ^9 V0 C济性，选用这类聚合物的一个显著优点是在体内
* e3 j) b+ ?( V- s# Q可以被选择性的吸收。此外，微型的泵也可用微
  }  v* R% r: g& o$ v" s型注塑进行成型，模具内嵌人一些刚性材料可以
5 B: U) g* O0 p2 o3 |4 @增强制品的刚度。微型万除了可用于医学工程
7 d( y. {1 T) d  微型注塑成型后的制品尺寸精度高，易实现
4 }: B! B2 h6 ~6 Z) @工业自动化生产，生产效率高，今后将成为微型
制品成型的重要方法。微型部件和系统的逐步推
; h% t6 k4 L8 W9 t- f  o广，必将使那些掌握微型注塑技术的厂家在未来
  ^# x- u  [6 a9 R; ?. }的激烈竞争中处于明显的优势。因此，国内的研
$ |+ Z8 s- X0 s. e究所和厂家应尽早开展该方面的研究工作。