- 积分
- 918
UID5268
主题
在线时间 小时
注册时间2006-1-24
|
马上注册，结识高手，享用更多资源，轻松玩转三维网社区。
您需要 登录 才可以下载或查看，没有帐号？注册
x
微型注塑一一工艺、模具及其应用
. D# j8 j4 Q. n9 }: A9 _6 E% G 8 t: o7 }3 N2 c- L9 [# p' y8 x
近年来随着电子和微电子技术的发展，制品 I3 M% |0 L, ?7 B
和系统的微型化已成为新的研究方向。市场研究$ W$ l: I- U1 l9 b1 N A g
表明，到2002年微型部件和系统的市场占有量将" u7 J$ \) j: A! p% o
达到4。亿美元，尤其在汽车和电信领域将会有更. K! Q7 \+ L% ^& c+ Z9 C0 D
大的发展，目前已商品化的微型注塑制品主要有. U& [) u: Y7 {$ b* j3 V! Y! E
微型齿轮、微泵、硬盘的读写磁头、温度压力传
2 U3 d0 y$ X$ `$ W6 T感器、CD盘等[Il。广义的微型注塑制品可以分为
5 X. w6 k8 p! c: N: u# o1 U以下三类:微型注射模塑制品、带有微结构的注; ^' [5 b! u! V3 O( ?3 w
塑制品和高精密注塑制品。其中微型注射模塑制
& z3 r- |: K5 X) C6 `品是指尺寸为微米级、质量为几毫克的注塑制
$ c' t& |& f5 z* K. H$ D; u品;带有微结构的注塑制品则指制品的尺寸为常
7 {, D+ v0 p* Y5 r( d8 P规注塑制品的尺寸，但局部结构的尺寸达到微米; X# e- P3 K9 b
级;而高精密注塑制品没有尺寸限制，但其尺寸. }, t7 S# L' ~* {, }! [7 x7 U
公差为微米级。但通常所指的微型注塑(Nlicro-
, p8 z1 m3 P M% W' G8 rInjection Moulding)一般是指用来成型尺寸为
1 L6 i- t) V$ n# Y# m. N& _微米级、质量为毫克级的制品的注塑方法}2}。正
: C5 y: G7 q2 K5 s" H9 W( a/ ?是当今社会对微型部件和系统的日益重视，使得" \& k* X4 D- Q* j% n8 n: J
微型注塑技术在过去短短几年内便有了很大的发
4 ~+ G! h4 h2 j h9 `4 s2 |( z展。本文将对微型注塑技术的工艺、模具和应用6 y& c4 |" X5 A# F, d. R" | C `9 P
情况作扼要介绍。: s6 g/ U1 q8 z% O* q0 u
2、微型注塑用注射机〔‘一“78 N+ F8 ? e0 x) p
现代普通注射机可以用于微型注塑。当注塑# `" B$ \4 g ` @( L2 G
尺寸为微米级的微结构部件时，可选用小型的普
% u/ z6 H4 G0 a& m通注射机。研究表明用来注塑CD片的普通注射机- h6 s0 X9 l5 a* X2 I( }1 k
(如Bayer公司的Macrolon CD 2005)适用于微型
1 O$ i" T$ R$ ~) F% A注塑，可用来注塑高度尺寸为50 um、流程与壁
1 p3 D2 f% g" m2 n4 q7 F厚之比为1的制品，并可获得较为理想的效果。
q7 s3 h2 F. J* F3 h9 s# V& k但对大多数普通注射机而言，其计量装置的精度
' J8 {& z* k7 c+ ~' `0 ?4 ?较低，成型后的注塑制品尺寸相差较大、精度较
: H- Y: d2 L( e# }8 N低。而且微型注塑制品的质量一般为1-30mg,与
9 }( f! c7 w) y0 C: Q: [此相比，普通注射机的主流道和分流道尺寸显得
# g+ E" d/ C. Y8 p0 g5 R, H( H3 [过于庞大，只有不到10%的物料真正用于微型注7 }4 V$ U, l& k$ c6 O; w$ ~% a9 {
塑，同时使得循环时间和物料用量与注塑制品的3 o4 L; R- i x: v. g2 V9 {
尺寸无关。因此普通注射机主要用来注射精度要5 E, f/ @* ?; S" U1 I) ]7 ]' ]
求不高、尺寸较大的制品。2 \1 w$ U. C; k: {* t* f7 e( s
为此，国外厂家研制出许多微型注塑专用的
" M6 ~% N- H% U0 i+ o' }3 D% X" D注射机，表1列出了常用的微型注塑注射机及其) g) I$ x; I2 [6 S
主要的参数，用户可根据制品注射量和浇注系统
) w8 B0 \, l+ `0 ?( }3 T的类型来进行选择。当注塑尺一寸大小为几微米的
6 Z/ ]0 e/ G% {' |微型注塑制品时，宜选用注射量为毫克级的注射
I N; R& f6 [( I) h# X9 l5 \1 K, r机。这类注射机的注射单元一般采用螺杆―柱: K/ V. g. Z, [1 H' p* H6 Z
塞组合式，由螺杆部分完成对物料的塑化，并由
- s! v$ l2 E& s柱塞将熔体注人到型腔。该类注射机中性能良好
' S! h' N b: X/ l的是Battenfeld公司研制的Microsystem 50。该3 I7 D0 p9 o# }9 ^3 {( d% n
注射机由合模导向机构、注射系统、气动脱模机% N0 p& X$ M( i* ^" m( ~% q
构、质量检测机构和自动包装系统组成。采用自
3 k3 }! |& s! M# U* }; O动抽真空将注塑制品从型腔中脱出的气动脱模可& v: {' I5 m% n& V
微型注塑一一工艺、模具及其应用
, Q& G1 w# s2 `表1微型注塑用射机及其主要参数
: Z! d) T9 S% \( A防止脱模时对注塑制品的破坏，而利用质量检测
0 n5 {, Q( M6 h. ^; S8 e) t' S: s系统可保证微型精密注塑制品的成品率。
; i7 z0 j; O' \* u
9 r" x, O, \( l 由于微型注塑成型的是质量为毫克级的制9 t; f! I) H5 Y$ j) Y$ H# S
品，如果采用普通浇注系统来注塑制品，即使是9 v( ~+ _( k: b1 \' |
在作了最优化改进后，制品和浇注系统内的物料
' W' ^8 x* j8 k$ \7 t质量比仍为I:10。只有不到10%的物料被注塑成, t7 a6 ]) d3 A" x
微型制品，产生大量浇注系统凝料，所以应采用
5 v3 h2 S( h2 u* Y* y6 J+ U热流道浇注系统。此时，从注射机的喷嘴到型腔9 O, U4 r3 X+ W) ^" I( j, K {
人口为止的这一段流道中的塑料始终处于熔融状7 {$ z9 h. ?3 V3 I6 T# r
态，开模时只需取出注塑制品，不必取出浇注系
+ Y- Q; p F1 j* p) o: P统凝料，可缩短循环时间。通过使热流道的喷嘴
! r2 y/ ~6 r+ V( C4 L2 Y: U尽可能靠近型腔，采用多型腔同时浇注成型，使, s0 P5 W+ s6 F4 v' C1 h
物料的利用率大为提高，则制品和浇注系统内的
) M6 \2 f) w, Q+ L& }熔体的质量比减小至1:1，从而可避免物料热降
4 j) a7 I4 i, l/ n; T解。而且采用热流道浇注系统有利于压力的传/ J: \9 Y/ r4 @; N: |6 w
递，在一定程度上避免了制品因供料不足而产生
* o) F) K( i, g* |4 G# l! {凹陷、缩孔等缺陷。由于微型注塑所用的塑料的
h# [/ q! I( `3 E8 D熔融粘度很低，为避免出现流延现象，热流道模3 m4 ]# T0 h' `
具宜采用针阀式喷嘴，在注射和保压阶段使喷嘴
: e, o1 x" ?5 C% M* G6 H$ r9 o处的针阀处于开启状态，而在保压结束后则将针9 w, M) U( t5 z K* O
阀关闭。此外，模具型腔和热流道应有单独的控
* A% M, c$ S8 c# \7 P" Y温系统(见下文)。
& v3 g7 t6 @& P! c3 t8 o7 C; t 因为微型注塑制品是薄壁、质量为毫克级的
3 X. Q% b# ^$ s, G制品，在脱模方面，为确保制品在脱模时不发生3 S8 c9 u: f! a9 ]! U4 \
变形、影响制品的外观，不宜采用顶杆脱模方* Z0 p) ~. z. \, L. [
式，而应该采用自动抽真空将注塑制品从型腔中1 ~! X5 L7 k/ ~4 l I/ l4 h* [
吸出的气动脱模装置。在模具制造方面，由于微: s: h/ K- m, O
型注塑制品主要用于精密仪器，其尺寸和精度要
( u9 Z& M% ^9 k! F" U9 b求很高，因此微型注塑的型腔制造时应选择高精
: S9 S8 v4 D7 g9 J$ @度的加工方法来进行加工。通常情况下选用电火
3 a9 m6 p; i7 O+ |$ E% p: ~5 `. Y% K花加工，但用电火花加工的型腔表面有较深的凹3 \% a' ?! Q0 Y$ M! k
坑，光洁度不高，使得注塑后的制品精度较低，6 q4 G. K9 V0 w
所以注塑高精密制品的型腔加工时应选用电火花5 i. [4 i, ] B0 P* ?, C/ R! E
和LIGA(Lithography/Electroforming moulding)0 k, G$ @! M' L/ `. ^3 K
―石印电子成型技术相结合的加工方法。
" V5 c7 u- c1 Z' U, R3 m* @ 为了进一步缩短循环时间，Battenfeld公司2 f, v6 A+ c* H- }
研制出一种新型的微型注塑模具。该模具有两个
@& B$ _+ g k0 w+ @动模，安装在可以旋转动模板上。开模后，动模
7 X" g, R# h9 Z& @& Z- E6 @绕注射机工作轴旋转180“，离开注射机工作; e; E4 _! k: `2 j5 T- @" S* d* T
轴，而另一个动模则刚好处于闭模位置，闭模后
! k' M, Q9 d2 {2 s* w- ?又可进行下一轮注射，在注射的同时，可对注射$ w5 E" `' U# m9 N
机工作轴的那个动模进行脱模和质量检验。作了
# |0 C/ T9 }) h- o% P K这样改进后，微型注塑的循环时间可缩短至几
# e. c3 I3 H4 N秒。# J' g6 P# X! ?* q5 ^' _
3.2工艺技术
7 A' P" j1 q% s. e) ` t; P 3?2.1模具温度I -al6 C# c0 }7 F8 i& H* T$ C, |
在微型注塑成型过程中，模具温度直接影响2 N7 w! |5 I" L1 D; N, ^$ a Q
到注塑制品的质量和生产效率。对于不同的塑
* _) B# l, J$ @8 Q& P5 b4 s' r料，模具的温度有不同的要求，同时为了尽可能' H" X) Z! z7 p$ n
缩短循环时间，必须对模具添加变温调节系统。
3 \9 z8 A! W: h; ^, i理想的模具变温调节系统是当充模时.模具温度/ Y X. i' v; ^0 B) P1 G: x
足够高(超过所用塑料的熔点)，使得熔体能快速/ A8 c% @$ [ j0 Q
充满型腔，防止熔体在充模过程中温度降低过快$ E* ^/ e6 b/ C# _
而造成充模不全;而当脱模时，模具温度又能保
; Y. _, j; L7 t1 f* T持在比塑料热变形温度稍低的温度，并且模具内4 W/ a$ i* D6 c+ U6 S0 `
《上海塑料》2002年3月第1期(总117期)
* u! G6 q. |" U3 a) j, x9 ?部温度变化迅速以缩短循环时间。对于成型尺、J-" M- h$ L# M: _# J4 a
为50、流程一与壁厚之比为160的制品，若用传
( r J! k, h/ T/ J, T$ l统的油浴或水浴控温，循环时间一般为儿分钟，5 V& V# j& s/ T* S
这很大程度上限制了微型注塑的经济性。采用模$ |- o1 D8 X2 x5 v# d
具变温调节系统则可明显缩短循环时间。如果采- j, R$ F2 K/ f$ }; V _( j
用只对微型型腔部分进行电加热和快速冷却、而
0 P1 X; L$ j3 t# L4 L3 t整个模具温度始终保持在脱模温度，不仅可以减8 E9 U: v7 H& D" @
少模具重量，使得模具成本相对降低，而且_可将
4 u5 W7 N. E! z b* z循环时间缩短至15:左右。除了采用电加热方法
! Y. h1 q7 [- K2 ?9 U$ P! p以外，还可采用电感式控温的变温调节系统可
! G2 i4 N+ V; { F; r用来注塑尺寸为2. }-20 a m、流程与壁厚之比为
) V# m# x% v! U6 p$ w& e* `5 H4 m2。的带有微结构的注塑制品。' w2 E6 J. E3 j$ Z
3.2.2注射单元的工艺参数’“}$ o& l1 R* E1 t" S r
微型注塑成型的是薄壁、流程壁厚比较大的 m& z' ^" v2 a! ?
制品，因而型腔和浇口需添加单独的变温调节一系# J( d1 `# h) {. c5 W
统，否则在充模过程中熔体温度逐渐降低，容易3 U2 \6 w p; z- h3 ^" A8 @+ L @
造成充模不全，成型的注塑制品的内应力较大。% o4 B8 l: U; d' d
添加变温调节系统后，注射时能保证熔体充模时
9 P ~ i8 q3 r4 j4 S9 v% z温度保持不变，熔体能快速充满型腔;而当冷却2 |- Z5 O+ _! ]# F2 G
时，又能保证注塑制品的各部位同时凝固，不仅7 Y( g8 f( t0 n
提高了制品的质量，也缩短了循环时间。同时为, S# @ H7 ^- Q7 y T
了防止熔体的热降解，有必要减少熔体在高温下
$ q5 K9 w5 ] j8 H* v) c的停留时间，为此常采用螺杆柱塞组合式注射单9 x2 [& m! Y% u- L) i
元，螺杆直径为12-18mm，而柱塞的直径一般为( G" M# {; ^3 Q2 _/ H" r1 Q1 j+ C
4、微型注塑用塑料〔}, 41
! l: E2 k" |0 w4 p% y% t# Z 近年来对微型注塑用材料进行了较为系统的 c) `6 ?) P. n2 s3 e" d+ U
研究，研究发现，螺旋流动的试验模具不能用来
: u) F3 \: K0 M0 `研究尺寸小于100 um的制品的可模塑性。尽管可
& ~ _+ n7 }* B以充模，但制品的稳定性差，不容易脱模。并且7 G: `# L, g- l2 l m. p
材料不能用来重复生产局部尺寸小于lpm的制品7 B- f& @! q0 V. b7 O
也不能用该模具来进行试验。为此，Webel等I41设" [8 C. s7 R1 I4 t& I+ ^
计出能用来研究微型制品可模塑性的模具，其型
. e, h# D1 l! z/ R2 P腔为采用X射线成像和电火花蚀刻技术加工的高
* J' y6 v! u$ z# F" v& e精密注塑型腔，型腔的壁厚为2. 5-20 u m，顶角
7 D% Z6 s' x( X) G% o; y' Z8 }( J半径为。. 3-5 u m，可用来模拟材料在型腔的一些; A7 w3 k; G9 E; d9 ?! X) H
阶梯和顶角处的充模情况。表2为所研究的各种* s4 p) p+ X8 o$ @9 K
不l司性能的热塑性工程塑料作为微型注塑材料的
$ n4 T9 l% k9 Y适用性。除了考虑到工艺条件对制品的影响之
$ h4 X2 `7 d! e* q/ u& b3 e外，成型后的制品的精度也是材料选择的重要考+ w9 k# [$ i2 |, H2 v$ e0 n& Y* x
虑因素，制品的精度不仅指单个制品生产的重复7 H1 i% H8 h8 T9 ?& U
性，也指制品收缩和翘曲的趋势、表面均吉度、: `. N& Z) x2 }1 W- K3 Q9 T
部分结晶材料的相态结构、内应力等等。
: e; p" \; b+ G4 B 研究发现能用于微型注塑的材料是粘度低、" v9 I) s6 O1 j! k& q* `, m6 P
+ _- k, u2 ?1 G G5 X0 w" d' f热稳定性好的通用工程塑料。选择低粘度的工程* u3 m) f% D2 F% E8 `
塑料是因为在充模过程中，熔体的粘度低，浇注
L2 K7 n9 z7 Z9 I& \系统的阻力小，这样充模速度快，能保证熔体顺
1 R$ h% W/ w. t" ]8 L% q4 g" p/ g+ C; @利充满型腔，熔体温度也不会有明显的降低，否' ]* n: i& v* Z; [7 y
则在制品上容易形成冷接缝，而且在充模过程中9 J: i* N" W7 R/ @. S+ Z+ b
分子取向少，所得制品的性能比较均匀。如果选1 a/ A# B9 F" u& P3 q- f% F, T+ K
择高粘度塑料，不仅充模较慢，而且补料时间较, y3 t# ^$ l/ |2 S; X5 B1 Q
长，由于补料引起的剪切流动容易使链状分子沿
" p7 R# x( Y/ I微型注塑一一工艺、模具及其应用! \ \( W$ A9 g1 t+ G
剪切流动方向取向，在这样情况下冷却到软化点; u+ R7 d* J9 p0 F, p9 e0 N( H2 a
以下时取向状态被冻结，而这种在一定程度上的
) U f1 r5 y3 W8 a" y5 s冻结取向容易造成制品的内应力，甚至引起制品8 e% [5 t) D" _& k, b+ q
的应力开裂或翘曲变形。要求塑料的热稳定性好
) G$ e5 `0 x i' I的理由则是由于物料长时间停留在热流道内或受
, A7 y# n/ ^' N3 O螺杆剪切作用容易造成热降解，尤其是对热敏性
' Q) }$ D$ j9 E2 w2 g. j塑料，即使在很短的循环时间内，也会因为物料" u- m9 r" `6 A6 p/ k
注射量小，在浇注系统内的停留时间相对较长，
6 U% _3 q$ F0 x9 }& S& A造成塑料相当程度的降解，因此热敏性塑料不适
7 w- J- d. n( o0 P2 h7 P合微型注塑。当然，从经济角度考虑，每个微型, i7 c( w$ n8 ^" ]1 ^) t- Z& U
注射件的质量通常为0.001一1g，若不考虑热流道2 _( p! t, q0 ]0 n7 ?! s8 \
中停留的物料，则年生产100万个制品其原料用
$ j* G, x$ Z ]: C1 L! @4 Y量也不会超过1吨，而且选用新型的工程塑料和9 A& m2 F: z5 S" `
高级塑料，不仅使原料成本大为增加，微型注塑
1 X) D0 W1 I( g. {* b) Y* p/ h* t模具也会有很大的变化，因而，如果微型注塑制
7 e3 K9 N. C6 T2 o' W品没有特殊的性能要求，一般选用通用工程塑料
3 b( T$ b$ Z5 ~' `为微型注塑用原料。6 \: W, g" X, J' c1 q. F5 S$ C
外，也可用于需要精确计量液体用量的场合，如3 E: }4 G2 L% {- T; R! _( s
用于对精密仪器进行上油润滑场合。& Q; N# |9 d9 c# e$ k- K' d
(3)传感器和传动部件。在这个领域，微型7 N" X c% F) A
注塑制品同样有了较大的发展。小型的注塑制品* K$ O( D; g( h0 C, B5 W, I+ Z2 S/ q
可用于测量吸光指数和折光指数的传感器、测定6 a( U4 ]% S% f5 F0 H2 e
液体流动速率的传感器、压力和温度传感器等
, m" B3 C* C8 z: d; N' H* p等。用微型注塑成型的微型齿轮用在微型电动机# P* y6 Z, ?' l- ]# R+ w/ a
上可以增加扭矩，例如用聚甲醛(POM)借助LlGA
( k* f7 s l4 Y- w7 @3 S$ ^技术生产的微型齿轮，该注塑制品的尺寸小于50# g" t( b! x; u! Z" J7 T% p
it m，质量仅为。.008g，但其精度高、表面光滑
6 ^6 Y2 U$ Q& K* A: C平整(表面粗糙度仅为几十个纳米)，用在微型电
' w4 z0 v \ x- A0 t动机上可产生150uNm的扭矩。
! S" q H/ c3 S) u1 L: d4 Q! Y6、结语5 [" R1 K; x8 Y5 z
5、应用[41
. I) j, p, n& U3 B 微型注塑技术的出现使得微型制品的生产发, y9 ]; M" V1 }4 i( @9 v
生了深远的变化。目前已商品化或极具发展潜力5 k9 |6 r7 W1 n3 e) \
的微型注塑制品主要在光学通信、医学工程、汽! b2 s1 e4 ?2 f4 p, F; L
车和钟表的传感器和传动部件等领域。( U J4 v' ?* }
(1)在光学通信领域。单个部件的价格及其! V: w1 G' D9 j) I+ _) R' s3 p- Z# P7 |
精度是决定制品能否大批量生产的决定因素，而
* [' t5 Z+ k$ ]. A! \8 O" K) a微型注塑制品的尺寸达到微米级、精度高，其价- Z3 r$ g: h; W! S% D1 ]
格与传统部件的价格相比要低，这使得将来微型
$ d" m W9 j. u# Y1 x$ t: F注塑制品在光学通信领域必有较广泛的应用。如
3 J, I: Q/ g- l' L用微型注塑成型的连接光纤拔插式连接器，不仅
" G( k0 [, ^ I( I0 x可以连接光导纤维，也可用作发送和接收部件。
$ ]4 x7 B$ k2 _ (2)医学工程领域。目前在医学工程方面的$ @3 }" P4 D, Y# G/ X, Y- W7 e
进行的研究是用自吸收的聚合物来注塑微型制品# l0 x$ F3 G/ s% k
来替代以金属制成的制品，若不考虑其生产的经1 M3 r8 |2 V! l$ t( U# o
济性，选用这类聚合物的一个显著优点是在体内
' h: |8 z* _! t可以被选择性的吸收。此外，微型的泵也可用微- E9 K# c, a4 R4 ^+ G( ^1 I# \
型注塑进行成型，模具内嵌人一些刚性材料可以
/ i b- j' S1 z7 l( o, K# N* M增强制品的刚度。微型万除了可用于医学工程* l p5 A6 e. r! v: n
微型注塑成型后的制品尺寸精度高，易实现! g; y% y( \. F7 u) r
工业自动化生产，生产效率高，今后将成为微型
* Z9 Q/ R/ c. U* m- k% t3 i制品成型的重要方法。微型部件和系统的逐步推) U( P: K K0 w7 x8 ~( p: G( H
广，必将使那些掌握微型注塑技术的厂家在未来
) N S# R- U/ ?8 K) f5 _' g, @的激烈竞争中处于明显的优势。因此，国内的研
, Z! U9 ]' ]6 f9 ?1 L究所和厂家应尽早开展该方面的研究工作。 |
|
[复制链接]
发表于 2006-12-20 17:42:30