微型注塑

icanyes

微型注塑一一工艺、模具及其应用
& d& j9 B7 V7 c5 o: ^6 s8 `+ D9 N      
; |! h1 ]) s  o- r  h( r) h! z4 R$ _  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
! V8 z9 i; r& u8 H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
  {+ T8 ^7 W' f/ W大的发展，目前已商品化的微型注塑制品主要有
: R2 ~9 T  d) b3 T6 T+ D  o% a微型齿轮、微泵、硬盘的读写磁头、温度压力传
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
4 Y) [. x8 n: L4 z7 N2 n品是指尺寸为微米级、质量为几毫克的注塑制
0 h& l3 r' ], \* w" F3 ~+ P' i品;带有微结构的注塑制品则指制品的尺寸为常
8 x4 \- u4 o4 H$ _规注塑制品的尺寸，但局部结构的尺寸达到微米
9 j4 T- b; F% C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-
, P" e' h# ^! |9 z( f4 @* YInjection Moulding)一般是指用来成型尺寸为
* T- j3 w+ K/ ^/ y, H( G微米级、质量为毫克级的制品的注塑方法}2}。正
, T, O  }1 E4 |$ }- u5 Q是当今社会对微型部件和系统的日益重视，使得
. j0 |' x3 A; r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
情况作扼要介绍。
2、微型注塑用注射机〔‘一“7
" S1 n( T* u; d) k( B. {  现代普通注射机可以用于微型注塑。当注塑
% Z. O6 q( X3 f( G- M) i6 O尺寸为微米级的微结构部件时，可选用小型的普
7 k9 `8 x- a. G' t: c& X: w通注射机。研究表明用来注塑CD片的普通注射机
2 o& J: [0 Q* D6 S' w(如Bayer公司的Macrolon CD 2005)适用于微型
; D, u1 w5 j; r) v注塑，可用来注塑高度尺寸为50 um、流程与壁
" N/ a2 {$ _+ o/ O  l厚之比为1的制品，并可获得较为理想的效果。
6 o3 n1 e3 W5 a# y! G+ ^6 G但对大多数普通注射机而言，其计量装置的精度
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
$ t7 s6 |' u8 c. ~1 M+ o+ Y此相比，普通注射机的主流道和分流道尺寸显得
0 Q1 ~  h/ K- {$ c% ^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。
' h( v, j3 ^- L. n1 r# E( l  为此，国外厂家研制出许多微型注塑专用的
7 m' A/ z7 U6 ]- d4 k注射机，表1列出了常用的微型注塑注射机及其
& E9 S$ Y1 J2 H3 ~主要的参数，用户可根据制品注射量和浇注系统
的类型来进行选择。当注塑尺一寸大小为几微米的
微型注塑制品时，宜选用注射量为毫克级的注射
7 D' g  {- g& ~4 s( M/ `+ O+ _/ t机。这类注射机的注射单元一般采用螺杆―柱
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
. R. F/ e. [; ?$ R; f3 ^4 p7 R6 G的是Battenfeld公司研制的Microsystem 50。该
) E% h! E2 G0 C: a注射机由合模导向机构、注射系统、气动脱模机
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
# U3 O/ m+ M/ u6 }9 Z5 n2 |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
+ o* b5 B) _: x6 V8 z9 h8 r系统可保证微型精密注塑制品的成品率。

  由于微型注塑成型的是质量为毫克级的制
) T$ V6 {. ]3 I- `. F* Z1 v  O品，如果采用普通浇注系统来注塑制品，即使是
* v( `8 k2 p! I在作了最优化改进后，制品和浇注系统内的物料
  G0 w" G5 j  l3 a1 \质量比仍为I:10。只有不到10%的物料被注塑成
微型制品，产生大量浇注系统凝料，所以应采用
8 r- l' K( }) u热流道浇注系统。此时，从注射机的喷嘴到型腔
! T: I( H' p4 z2 M人口为止的这一段流道中的塑料始终处于熔融状
* M6 _) \3 x/ U, ^. r/ Y5 D态，开模时只需取出注塑制品，不必取出浇注系
3 h2 G2 Z1 G2 `2 p; B统凝料，可缩短循环时间。通过使热流道的喷嘴
尽可能靠近型腔，采用多型腔同时浇注成型，使
4 U9 m8 L9 u  d8 @4 _& r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
6 }  c! r3 q* r+ Z. g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
5 C# k* d5 q# ?6 v4 g1 G  q熔融粘度很低，为避免出现流延现象，热流道模
* x1 y) f: j$ S8 K* w6 `具宜采用针阀式喷嘴，在注射和保压阶段使喷嘴
) ^/ g0 F# n  j6 |- T1 O+ a处的针阀处于开启状态，而在保压结束后则将针
阀关闭。此外，模具型腔和热流道应有单独的控
# ^* Z, `  w1 h" y温系统(见下文)。
  因为微型注塑制品是薄壁、质量为毫克级的
+ p/ F" J( Y' e制品，在脱模方面，为确保制品在脱模时不发生
7 P1 L2 c9 u" U4 u( ]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
. A* n! b' I6 Q. y吸出的气动脱模装置。在模具制造方面，由于微
0 E' \! }/ F, q$ W2 K  P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
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，
* e7 F1 `9 x7 b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)
―石印电子成型技术相结合的加工方法。
8 O& k% L; F/ @3 R  为了进一步缩短循环时间，Battenfeld公司
+ Z) V; H% I1 w9 z% L8 V5 \研制出一种新型的微型注塑模具。该模具有两个
& ~/ b) N. B; i" @$ r3 v动模，安装在可以旋转动模板上。开模后，动模
# v- y9 d: K% E- c, Y9 J( L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
$ k: q! f( Z9 U9 i, n  d又可进行下一轮注射，在注射的同时，可对注射
2 X( L" ~* X! g, {* E机工作轴的那个动模进行脱模和质量检验。作了
" E9 ~9 k4 B5 Y1 T- z. g这样改进后，微型注塑的循环时间可缩短至几
2 X: M( r" t5 m  I秒。
  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
到注塑制品的质量和生产效率。对于不同的塑
0 X  M; j. c$ ~7 z料，模具的温度有不同的要求，同时为了尽可能
1 H3 m8 S  T& d4 v: T" M缩短循环时间，必须对模具添加变温调节系统。
# O; D. s) W7 e2 T3 H$ p) {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
  z% i1 [% e' ]# r" U5 w充满型腔，防止熔体在充模过程中温度降低过快
# w1 m8 Q. J1 M+ r% ~而造成充模不全;而当脱模时，模具温度又能保
持在比塑料热变形温度稍低的温度，并且模具内
《上海塑料》2002年3月第1期(总117期)
4 h' s2 n+ p2 f# e( [- x部温度变化迅速以缩短循环时间。对于成型尺、J-
6 l( O8 X" |$ b% f为50、流程一与壁厚之比为160的制品，若用传
0 @% z5 A) i) s5 F& x3 S$ a+ l统的油浴或水浴控温，循环时间一般为儿分钟，
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
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
% m' A: |' Y7 ]9 x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
- x: F# A; V2 F; U* L, |: K  E( Q4 Y2 t2 }以外，还可采用电感式控温的变温调节系统可
! p1 ~+ ~2 ]0 d. m+ @用来注塑尺寸为2. }-20 a m、流程与壁厚之比为
8 N2 b! f3 z8 j2 B% o2。的带有微结构的注塑制品。
  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
5 R1 a; `( Y. J# t+ Q; D/ \  A3 z& _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
, d( x. D. t# t; E- D& `2 t! V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
# R# F, J$ Y- P: Z# ?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
提高了制品的质量，也缩短了循环时间。同时为
* O  Y, S" ?, Z, l- W" Q* k了防止熔体的热降解，有必要减少熔体在高温下
' w7 {  C; J/ \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
! ?  V( e8 Z" S) |6 y. ^' G+ J0 f4、微型注塑用塑料〔}, 41
7 W" @7 A1 y' y  近年来对微型注塑用材料进行了较为系统的
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
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
; ^+ V9 k- Q" ?& L3 T; ^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
  V8 ^' K5 y" q; P" C7 t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
- t, m* {- ~6 O  t6 X0 p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
3 n) O& c/ u. I& G# V) p* W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
8 H# Z. s/ p5 e( s2 U6 {' P虑因素，制品的精度不仅指单个制品生产的重复
性，也指制品收缩和翘曲的趋势、表面均吉度、
0 a5 L5 k% T5 s# L, |部分结晶材料的相态结构、内应力等等。
5 s. s/ V: \; [% _$ T5 u  研究发现能用于微型注塑的材料是粘度低、
      
# K2 ]1 h5 ^6 O. q热稳定性好的通用工程塑料。选择低粘度的工程
: J0 @* G: K# \' W4 S- R塑料是因为在充模过程中，熔体的粘度低，浇注
/ r+ U# v; w, i& T5 a- g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
' a, ~! ~9 A, v% a5 u* g5 l: z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
- V* G- s% r% ?6 U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
" Z9 @: ]0 P7 c6 m$ Z5 \* I! c冻结取向容易造成制品的内应力，甚至引起制品
/ S3 x3 [. [1 ~2 r  ^1 n5 _9 S的应力开裂或翘曲变形。要求塑料的热稳定性好
的理由则是由于物料长时间停留在热流道内或受
螺杆剪切作用容易造成热降解，尤其是对热敏性
7 E* j; F. g# [2 C塑料，即使在很短的循环时间内，也会因为物料
! V0 v. _' r% J! T" z. G# K: A注射量小，在浇注系统内的停留时间相对较长，
! D/ Q1 v4 y; o8 r5 P* S6 `造成塑料相当程度的降解，因此热敏性塑料不适
2 Q6 p- a2 |5 m& A9 L合微型注塑。当然，从经济角度考虑，每个微型
! J5 U8 V6 {) G" Y% x注射件的质量通常为0.001一1g，若不考虑热流道
4 O2 \9 j* H  V. [0 V3 H' K' e中停留的物料，则年生产100万个制品其原料用
$ ]0 V, m5 d; `' D7 y) ^量也不会超过1吨，而且选用新型的工程塑料和
" A+ G& X' J+ s# F* w6 h; }; ]3 T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
& V7 s. V; C- M; W) a% G品没有特殊的性能要求，一般选用通用工程塑料
( t; Z& t9 E: f( Z为微型注塑用原料。
$ S! b/ _. q. q6 D# w. d4 M外，也可用于需要精确计量液体用量的场合，如
( k. s( J- }' i5 B$ ^用于对精密仪器进行上油润滑场合。
5 u/ F/ H$ v9 e6 d6 ]7 g* \  (3)传感器和传动部件。在这个领域，微型
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
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
0 Z1 r/ ^: W. c2 c8 R平整(表面粗糙度仅为几十个纳米)，用在微型电
/ F8 Q9 o: o: f6 S: C4 m/ Q动机上可产生150uNm的扭矩。
2 ?  }, T5 l' c0 k: }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
0 W/ p2 z/ m+ D" U) `, Z生了深远的变化。目前已商品化或极具发展潜力
5 }/ J$ L$ I  k的微型注塑制品主要在光学通信、医学工程、汽
8 }# W3 W( R* d! B' I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
' k! A2 y7 s0 o/ y0 G# d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
( B- `  j6 ^. Z# e& j( l' O可以连接光导纤维，也可用作发送和接收部件。
# Y9 A+ m6 H' U1 |+ Q  (2)医学工程领域。目前在医学工程方面的
进行的研究是用自吸收的聚合物来注塑微型制品
来替代以金属制成的制品，若不考虑其生产的经
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
4 f: \4 f' ^) Q+ ?" |型注塑进行成型，模具内嵌人一些刚性材料可以
: z# b: ~3 K2 i, l' E增强制品的刚度。微型万除了可用于医学工程
  微型注塑成型后的制品尺寸精度高，易实现
2 Y( z1 w2 X' T/ X& x; u' Y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
+ U' R* M. L- p% O. F' t5 Y) \  j广，必将使那些掌握微型注塑技术的厂家在未来
的激烈竞争中处于明显的优势。因此，国内的研
究所和厂家应尽早开展该方面的研究工作。