微型注塑

icanyes

微型注塑一一工艺、模具及其应用
5 [% A% p! W' y* e; S1 }      
  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 X  U1 [/ ?% n! q4 Y, Q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
( u3 B$ f/ B, v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
/ \- n7 k  q- k) l+ P5 x( b$ {品是指尺寸为微米级、质量为几毫克的注塑制
+ M' V5 F' t2 T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
9 g1 o* r) O, q7 L2 k( U6 D+ N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
0 d: Z. B* w7 [2 x1 T4 e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。
" T( p1 K  g4 f8 W3 z5 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
- z" U& ?$ i. o+ ~/ M/ O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
(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
1 t( k0 L) ]: d3 n. R厚之比为1的制品，并可获得较为理想的效果。
; T6 o9 T' D! U! P" |- h6 k2 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
$ U7 o7 g. F' x# M0 U0 J# A4 o. ]2 U此相比，普通注射机的主流道和分流道尺寸显得
* |4 r, [: k9 j' 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
9 j* X- m/ s( p4 W尺寸无关。因此普通注射机主要用来注射精度要
( o( y9 ~% X' J求不高、尺寸较大的制品。
) T$ ^" U' e% I5 ]0 ^$ Q  为此，国外厂家研制出许多微型注塑专用的
# G# u, ^5 I8 \# m9 f+ M注射机，表1列出了常用的微型注塑注射机及其
  _/ p! P, a: j( u5 w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
& p7 g" V5 U3 e/ x4 w9 d微型注塑制品时，宜选用注射量为毫克级的注射
, z5 F. I# M* Q- O2 B+ W6 H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
2 O! X! x( C2 M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
. g2 Q6 X# O  V# k微型注塑一一工艺、模具及其应用
2 W4 w- F9 L) {1 W  ^: l) P表1微型注塑用射机及其主要参数
) o" |9 K* O. F, O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
5 B/ c) \' m: n, C- R* F质量比仍为I:10。只有不到10%的物料被注塑成
5 ~6 |  {$ R/ m4 A  U8 X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
& c8 U6 ^- u) \. Y/ O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
' K4 j' ?0 H) f* n( h/ \6 L* W& N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
: C& x3 Y  }7 ^; [; c5 W! _8 P/ a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)。
$ @# k4 r/ L; d9 w% n# V  因为微型注塑制品是薄壁、质量为毫克级的
3 C3 }2 n: F  @/ V% }3 r) i! F3 @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
0 t% s3 d* p; y/ e, @& X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
7 n7 t5 H; R7 u2 {# N和LIGA(Lithography/Electroforming moulding)
7 c; ?9 k& s$ y5 \8 {# O) b3 X―石印电子成型技术相结合的加工方法。
: q. F5 Y1 O4 A& B+ N; c4 i  为了进一步缩短循环时间，Battenfeld公司
$ W- ~) `0 B6 x0 q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
7 Z% z0 G0 S. S7 e' @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
3 X, |& d$ |4 t. Y" E/ Y# v秒。
  3.2工艺技术
  3?2.1模具温度I -al
- e" P& E* ~+ u5 N6 y, g( s8 o/ `  在微型注塑成型过程中，模具温度直接影响
6 n1 m4 [- X% U8 U0 \$ Y3 f0 _到注塑制品的质量和生产效率。对于不同的塑
8 h  |* G6 {7 _5 P7 n$ Y/ ^9 [料，模具的温度有不同的要求，同时为了尽可能
1 v- z' R" o7 Q+ c) O" c, h/ y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
% g9 W3 |2 Q8 O! L' ?足够高(超过所用塑料的熔点)，使得熔体能快速
# E6 x; I6 y$ A" k- ~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
7 H& c# h, L1 R持在比塑料热变形温度稍低的温度，并且模具内
$ s' k7 P0 B) }. T2 S) Z& B. {# u《上海塑料》2002年3月第1期(总117期)
: b. S  V- N9 G* w" {部温度变化迅速以缩短循环时间。对于成型尺、J-
! w0 r: C; k- r) r4 S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
7 O; l1 ?/ `/ D. i' @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
0 h3 N& r5 p1 s( Z少模具重量，使得模具成本相对降低，而且_可将
+ ?' E9 t7 b( Z5 N0 h  l* ?循环时间缩短至15:左右。除了采用电加热方法
; r( o# {1 ~- }$ ]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。
  3.2.2注射单元的工艺参数’“}
3 ^. l2 b) G* W  L  微型注塑成型的是薄壁、流程壁厚比较大的
2 _- e) ^5 y' a3 I制品，因而型腔和浇口需添加单独的变温调节一系
: U3 \2 p. J/ v! b" P' |  L统，否则在充模过程中熔体温度逐渐降低，容易
. d/ A) f4 B  D$ U" n& 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
3 B0 j! I- ?# a/ d6 b' n3 @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
+ B" [% B: F3 K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
4、微型注塑用塑料〔}, 41
9 c" S& e) B+ ~* P- J8 x  近年来对微型注塑用材料进行了较为系统的
" O3 ]; N3 @  J% U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
$ i: l* o7 g/ U9 q以充模，但制品的稳定性差，不容易脱模。并且
, r; L8 [2 N. l" P5 G) q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
- P9 ]9 e) {; \9 _- f/ w腔为采用X射线成像和电火花蚀刻技术加工的高
7 H# `0 [: }+ r, ?# n2 d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
  q6 Q# v+ [! l' L  @- }阶梯和顶角处的充模情况。表2为所研究的各种
! z) Z- H* z( ^# L! u5 L. h; Z不l司性能的热塑性工程塑料作为微型注塑材料的
6 R9 {! m$ T9 T* }6 m8 o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
9 z( b9 g: a; A8 v% z  {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。
+ F" F0 V$ D0 H% ]/ V" j4 E  研究发现能用于微型注塑的材料是粘度低、
1 i, ~& i  u3 L1 }0 ~. ~1 P      
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
( @1 t' Y7 \9 x0 A+ F系统的阻力小，这样充模速度快，能保证熔体顺
$ u% v! R! c0 r3 N4 Y  s* q( b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
* S& J5 \! p, I8 T择高粘度塑料，不仅充模较慢，而且补料时间较
4 B1 F& q6 z  t; M- b. |' }长，由于补料引起的剪切流动容易使链状分子沿
0 P/ ~- ~# g) Q) l. M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
; o. O& K3 j7 v4 S以下时取向状态被冻结，而这种在一定程度上的
( a6 z/ Y% f5 q# V# m) Q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
1 N, f* K' D9 q2 l! H$ A螺杆剪切作用容易造成热降解，尤其是对热敏性
) S3 p8 `; n" g. t( N& E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
" |  h& V) P( A* m7 O合微型注塑。当然，从经济角度考虑，每个微型
5 C1 o( J% `3 R+ i6 a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
, `, Q6 }. D: I( s9 y量也不会超过1吨，而且选用新型的工程塑料和
; U+ I  Y: M$ S4 w. _+ }9 i; ^6 u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
' P  {: u# K# E# s为微型注塑用原料。
' t1 J$ A* x9 O" x外，也可用于需要精确计量液体用量的场合，如
: |( j' ~: _7 W0 P/ `$ I0 |) {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
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
/ _; A7 a  q) H. H! J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
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。
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
2 v- u1 y' v) D生了深远的变化。目前已商品化或极具发展潜力
- d, ^, B/ Z7 B- j3 y! e" z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。
  (1)在光学通信领域。单个部件的价格及其
' l4 a( A0 D- V, M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
% t' h& x7 E; a8 ]6 U格与传统部件的价格相比要低，这使得将来微型
) p) l( H2 p  R4 [注塑制品在光学通信领域必有较广泛的应用。如
" u% y2 I) B9 v5 d7 l7 i% x# l9 l用微型注塑成型的连接光纤拔插式连接器，不仅
3 a' C+ w' V/ S; ?$ p$ Q. R; ~% ^- I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
% i$ E4 d1 |5 t' o  ?5 M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
; e3 g" y; E7 J( K+ i- D8 `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
  F" V) ?% T- Y. L增强制品的刚度。微型万除了可用于医学工程
0 N9 a" V6 z" F! u& Z% Q  微型注塑成型后的制品尺寸精度高，易实现
! u% ]- c# e3 M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
/ ~/ ^, ]" v- n0 h: d+ s- G: x1 u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。