微型注塑

icanyes

微型注塑一一工艺、模具及其应用
      
  近年来随着电子和微电子技术的发展，制品
7 z* v9 g2 `- y/ H+ m! z和系统的微型化已成为新的研究方向。市场研究
& k" V* w$ d* X- {9 w+ p' K8 g2 C表明，到2002年微型部件和系统的市场占有量将
7 _9 r# ]3 D1 t5 @- J2 g9 n达到4。亿美元，尤其在汽车和电信领域将会有更
! Z% a0 |# L% c( ]0 w7 o2 e6 m大的发展，目前已商品化的微型注塑制品主要有
9 r# \' [" L6 \微型齿轮、微泵、硬盘的读写磁头、温度压力传
; _, l# `4 U/ M7 i# M( v( K/ n感器、CD盘等[Il。广义的微型注塑制品可以分为
  L8 a0 c/ }5 E- E4 c: S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
! x+ k. \& U) H( E5 Y; s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
规注塑制品的尺寸，但局部结构的尺寸达到微米
! ~, S5 |, P6 |级;而高精密注塑制品没有尺寸限制，但其尺寸
3 [5 P0 F3 R" b" r* a0 A8 K9 X公差为微米级。但通常所指的微型注塑(Nlicro-
6 H5 s, F; W% BInjection Moulding)一般是指用来成型尺寸为
微米级、质量为毫克级的制品的注塑方法}2}。正
9 X5 g2 w5 R% F* q, z- a* J. S是当今社会对微型部件和系统的日益重视，使得
微型注塑技术在过去短短几年内便有了很大的发
展。本文将对微型注塑技术的工艺、模具和应用
$ k/ D! F" v/ {: x情况作扼要介绍。
  S/ \; D- f1 I6 J/ [6 S2、微型注塑用注射机〔‘一“7
  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
% I7 O- j. V7 l  M" |通注射机。研究表明用来注塑CD片的普通注射机
% ~. s* ~3 D3 [. v7 e: e(如Bayer公司的Macrolon CD 2005)适用于微型
# t0 a, @- s9 y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。
但对大多数普通注射机而言，其计量装置的精度
3 K" s9 R9 ^6 K0 w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
8 N4 p, F0 R, g0 ^6 T此相比，普通注射机的主流道和分流道尺寸显得
( V1 j0 F5 v* P! \1 k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
尺寸无关。因此普通注射机主要用来注射精度要
求不高、尺寸较大的制品。
  为此，国外厂家研制出许多微型注塑专用的
注射机，表1列出了常用的微型注塑注射机及其
* ]# W, x2 l; d" y8 Y1 g0 F主要的参数，用户可根据制品注射量和浇注系统
. X1 |* }. |- w# j8 v% `的类型来进行选择。当注塑尺一寸大小为几微米的
) E0 ^4 ~2 Y/ v微型注塑制品时，宜选用注射量为毫克级的注射
机。这类注射机的注射单元一般采用螺杆―柱
7 ]! w4 Z2 Z$ I塞组合式，由螺杆部分完成对物料的塑化，并由
3 G4 l7 u1 T, f$ z柱塞将熔体注人到型腔。该类注射机中性能良好
  f, l) x5 f  k4 i2 H# ^9 [: L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
7 |. `+ e; w  E3 @+ T构、质量检测机构和自动包装系统组成。采用自
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
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
1 b" v- O4 `' T$ r5 j+ H系统可保证微型精密注塑制品的成品率。
  u. l- @& ?. X
  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
在作了最优化改进后，制品和浇注系统内的物料
; X, {6 \1 W+ `& j4 V质量比仍为I:10。只有不到10%的物料被注塑成
; U: _. b' X  j, F5 \+ ~+ J微型制品，产生大量浇注系统凝料，所以应采用
$ ^4 a" {: r! c! g+ Z热流道浇注系统。此时，从注射机的喷嘴到型腔
% h5 O! Z# `  L% e; w人口为止的这一段流道中的塑料始终处于熔融状
7 m; {3 G2 s0 L/ I1 c+ N2 K态，开模时只需取出注塑制品，不必取出浇注系
9 b$ g4 v& P0 j统凝料，可缩短循环时间。通过使热流道的喷嘴
. D! g  c6 O: e5 o尽可能靠近型腔，采用多型腔同时浇注成型，使
& s6 w) Q9 @3 k% x4 R7 {+ s物料的利用率大为提高，则制品和浇注系统内的
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
$ Y& J  k$ a/ r0 {6 N* i. o凹陷、缩孔等缺陷。由于微型注塑所用的塑料的
熔融粘度很低，为避免出现流延现象，热流道模
: e% {9 i% [; V. Y  q( x具宜采用针阀式喷嘴，在注射和保压阶段使喷嘴
/ y; ?8 E5 P% b处的针阀处于开启状态，而在保压结束后则将针
) s4 U% ^! J) P- j" I* G, g; k) m7 Y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)。
  因为微型注塑制品是薄壁、质量为毫克级的
; R  S! C6 F/ q- }, n9 L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
式，而应该采用自动抽真空将注塑制品从型腔中
5 Z' d9 L. m; ~# D9 p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
求很高，因此微型注塑的型腔制造时应选择高精
; Y- y% ^3 V5 s. S' F度的加工方法来进行加工。通常情况下选用电火
花加工，但用电火花加工的型腔表面有较深的凹
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
: [2 P2 h- K9 m! f% ?6 O% i和LIGA(Lithography/Electroforming moulding)
―石印电子成型技术相结合的加工方法。
2 j# C) M1 p- [  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
4 X9 z6 y( j$ I7 e$ N+ d$ O) d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
轴，而另一个动模则刚好处于闭模位置，闭模后
又可进行下一轮注射，在注射的同时，可对注射
机工作轴的那个动模进行脱模和质量检验。作了
' a% f3 p. s' {! t% d+ }: V这样改进后，微型注塑的循环时间可缩短至几
秒。
6 v2 ?) |0 a  H3 l  3.2工艺技术
  3?2.1模具温度I -al
  在微型注塑成型过程中，模具温度直接影响
7 g$ X: y9 C5 f# L到注塑制品的质量和生产效率。对于不同的塑
; K' W0 R* ~& L/ k# W5 O% Z料，模具的温度有不同的要求，同时为了尽可能
( Z0 i( ~5 }7 H: |0 j4 O缩短循环时间，必须对模具添加变温调节系统。
理想的模具变温调节系统是当充模时.模具温度
足够高(超过所用塑料的熔点)，使得熔体能快速
  m  f) S: Q8 A1 s' u充满型腔，防止熔体在充模过程中温度降低过快
而造成充模不全;而当脱模时，模具温度又能保
5 d2 ~% r1 c5 x持在比塑料热变形温度稍低的温度，并且模具内
5 W+ s0 m# z& e2 Z《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
' n4 v4 U5 T7 c# p4 P2 Z% q统的油浴或水浴控温，循环时间一般为儿分钟，
7 K0 M/ Y: ~3 Z- h这很大程度上限制了微型注塑的经济性。采用模
具变温调节系统则可明显缩短循环时间。如果采
/ |3 ]/ Q9 y6 R3 F* w用只对微型型腔部分进行电加热和快速冷却、而
整个模具温度始终保持在脱模温度，不仅可以减
# P& @! Q- a) U/ B8 J; y少模具重量，使得模具成本相对降低，而且_可将
循环时间缩短至15:左右。除了采用电加热方法
以外，还可采用电感式控温的变温调节系统可
! _( o& L7 R0 n+ x用来注塑尺寸为2. }-20 a m、流程与壁厚之比为
( \7 b+ P5 Z1 v: \; W! h" u# U2。的带有微结构的注塑制品。
  3.2.2注射单元的工艺参数’“}
% p6 ]: j& {. k1 a  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
5 L# S7 _2 a9 s5 X0 O1 `% L/ [统，否则在充模过程中熔体温度逐渐降低，容易
) [3 u% G' |0 |% n9 I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
' T" ?( v/ u: N- G) P9 L3 G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
; z7 T1 w! _& z( b9 G) v提高了制品的质量，也缩短了循环时间。同时为
# T: @2 G- H; B了防止熔体的热降解，有必要减少熔体在高温下
的停留时间，为此常采用螺杆柱塞组合式注射单
, ^! Z* H" W$ ?( _& u2 K/ ^" {- v7 r元，螺杆直径为12-18mm，而柱塞的直径一般为
4、微型注塑用塑料〔}, 41
  近年来对微型注塑用材料进行了较为系统的
1 J$ v7 z7 U+ u& `- r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
, s6 b8 N7 l9 Q$ W# M9 M3 K( a. d: h8 W以充模，但制品的稳定性差，不容易脱模。并且
1 D  R0 V3 K3 ]% Y材料不能用来重复生产局部尺寸小于lpm的制品
也不能用该模具来进行试验。为此，Webel等I41设
计出能用来研究微型制品可模塑性的模具，其型
7 O5 t: C7 K1 x$ M" [腔为采用X射线成像和电火花蚀刻技术加工的高
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
$ i/ D- ~' }' ?# r+ M+ X! y# g适用性。除了考虑到工艺条件对制品的影响之
" Z% g4 S# P' U. L1 R& s2 Z外，成型后的制品的精度也是材料选择的重要考
虑因素，制品的精度不仅指单个制品生产的重复
3 _: K# j' U' f( f性，也指制品收缩和翘曲的趋势、表面均吉度、
部分结晶材料的相态结构、内应力等等。
0 w, E: Y0 P  ]2 }, Y* ^' j: `  研究发现能用于微型注塑的材料是粘度低、
0 Z- w8 }6 ^" {      
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
7 r- s# _% X1 @0 d% o9 L7 |系统的阻力小，这样充模速度快，能保证熔体顺
( ~, P1 {, n" j' i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
( n2 W6 P, S5 a0 @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
: Y4 @- g+ X& j' f/ |长，由于补料引起的剪切流动容易使链状分子沿
微型注塑一一工艺、模具及其应用
8 R& g2 q- Q# W; n- ^) u6 M  b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
. T* r2 S* L9 y6 e- n8 c的理由则是由于物料长时间停留在热流道内或受
& ]  Y2 O' ]  K2 c  Y# Y. e. @. p; r螺杆剪切作用容易造成热降解，尤其是对热敏性
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，
# C* e0 k  e( r$ }2 I造成塑料相当程度的降解，因此热敏性塑料不适
合微型注塑。当然，从经济角度考虑，每个微型
/ E8 R: ?8 f5 B2 }注射件的质量通常为0.001一1g，若不考虑热流道
中停留的物料，则年生产100万个制品其原料用
8 I. j5 V  ?0 o5 P* X$ K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
* x3 ~. J' y% N7 R1 t1 J模具也会有很大的变化，因而，如果微型注塑制
) j6 ]) U3 L6 m2 Y6 H品没有特殊的性能要求，一般选用通用工程塑料
5 s5 ^4 \6 j1 K3 h. b6 {- ?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
) M+ l8 E" B; e& N0 A用于对精密仪器进行上油润滑场合。
  (3)传感器和传动部件。在这个领域，微型
( a" L: V% \) _* U/ n- R+ P+ ?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
9 X" B! R# A" w) w- Y( T: F液体流动速率的传感器、压力和温度传感器等
0 W7 P4 n+ W, ~% t5 o等。用微型注塑成型的微型齿轮用在微型电动机
, d' M" p9 d- O0 {' ?+ ]" r4 O, D上可以增加扭矩，例如用聚甲醛(POM)借助LlGA
. M2 d# S$ C% d. v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
% e- \# v3 M1 ^7 j1 {- g: K. R2 t平整(表面粗糙度仅为几十个纳米)，用在微型电
动机上可产生150uNm的扭矩。
" e* u) r& V6 v; Z1 \6、结语
5、应用[41
  微型注塑技术的出现使得微型制品的生产发
生了深远的变化。目前已商品化或极具发展潜力
的微型注塑制品主要在光学通信、医学工程、汽
车和钟表的传感器和传动部件等领域。
$ q& O# Y2 K( L) |+ I8 {* A  (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
4 t" P% N% N7 H' ~6 I/ M% |. u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
. [+ B! q: i! ~/ l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
4 H5 e& G8 m- A3 H0 J, [6 O, v! K进行的研究是用自吸收的聚合物来注塑微型制品
& r' @! s. e# ]( k来替代以金属制成的制品，若不考虑其生产的经
3 d+ z4 J' _9 g' X济性，选用这类聚合物的一个显著优点是在体内
可以被选择性的吸收。此外，微型的泵也可用微
- G7 w4 J. H0 l* |" I/ N3 O型注塑进行成型，模具内嵌人一些刚性材料可以
增强制品的刚度。微型万除了可用于医学工程
& i$ \+ ~: A+ ^6 T$ [+ q$ D  微型注塑成型后的制品尺寸精度高，易实现
工业自动化生产，生产效率高，今后将成为微型
$ C6 P6 F: Z/ b( Q制品成型的重要方法。微型部件和系统的逐步推
( f/ r7 l- O! c# h) V广，必将使那些掌握微型注塑技术的厂家在未来
( i0 x" W9 i* D+ p% T的激烈竞争中处于明显的优势。因此，国内的研
( l  z+ b, y' ?1 ^( u. K3 ?3 R究所和厂家应尽早开展该方面的研究工作。