微型注塑一一工艺、模具及其应用

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微型注塑
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' M& l6 E6 U( e6 T0 o$ q微型注塑一一工艺、模具及其应用
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  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-Injection 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、模具和应用情况作扼要介绍。

5 s3 U) a* d4 s# m" _2、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，可选用小型的普通注射机。研究表明用来注塑CD片的普通注射机
) k  Z. }" ^) I0 D' I- o% ?(如Bayer公司的Macrolon CD 2005)适用于微型注塑，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。
* W  z3 N1 L2 v4 Q3 u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。
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! T& ~6 ~$ L8 C  h  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主要的参数，用户可根据制品注射量和浇注系统
* f8 p% K( w* A) J9 `/ d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
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态，开模时只需取出注塑制品，不必取出浇注系统凝料，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，热流道模具宜采用针阀式喷嘴，在注射和保压阶段使喷嘴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温系统(见下文)。

  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式，而应该采用自动抽真空将注塑制品从型腔中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和LIGA(Lithography/Electroforming moulding)―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。作了这样改进后，微型注塑的循环时间可缩短至几秒。
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" K" q: }. z1 d/ Q; b  3.2工艺技术
  3?2.1模具温度I -al
1 x( T& {8 G2 `& ~  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
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) 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。
& ^1 H4 [8 v; R5 r" V" V6 M4 d% W  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，不仅提高了制品的质量，也缩短了循环时间。同时为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元，螺杆直径为12-18mm，而柱塞的直径一般为
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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、部分结晶材料的相态结构、内应力等等。
% [; |; J" }3 q2 `& O" |3 H3 [  研究发现能用于微型注塑的材料是粘度低、
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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，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。
9 A1 ^: g0 L6 X: O7 H! c" [外，也可用于需要精确计量液体用量的场合，如用于对精密仪器进行上油润滑场合。

2 }, E9 O) L; |' P4 _8 x" t& C8 x  (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50it m，质量仅为。.008g，但其精度高、表面光滑平整(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。
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) B# q, O8 N$ y  M6、结语
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: G/ x# f7 p, u' N8 C- ?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。
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  (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。

& ]1 ~5 X1 h9 X3 z( a% ]  (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

  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，今后将成为微型制品成型的重要方法。微型部件和系统的逐步推
& z; r8 }6 X1 Z! q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。