微型注塑

icanyes

微型注塑一一工艺、模具及其应用
      
7 ?" b, l7 ^- M* j( T  近年来随着电子和微电子技术的发展，制品
% f; R& a9 W' [1 [) Y: r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
$ K2 D. k. r0 Z: u4 F9 ~达到4。亿美元，尤其在汽车和电信领域将会有更
  L! T7 x, y4 o) F% r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
3 X( _( @; R# i5 U& D/ V感器、CD盘等[Il。广义的微型注塑制品可以分为
6 M6 S2 B9 |. q9 l- s4 _! X$ e" s以下三类:微型注射模塑制品、带有微结构的注
  M/ o1 C' H) K1 K2 H- V塑制品和高精密注塑制品。其中微型注射模塑制
( c; |0 Y, F1 v' L8 y- m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
! i9 F+ Y; e* A! O% N4 S% N规注塑制品的尺寸，但局部结构的尺寸达到微米
" O5 T4 _8 f# {: L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-
% ]1 x& E, U9 c5 O" oInjection Moulding)一般是指用来成型尺寸为
6 O. L  {& L) v9 _微米级、质量为毫克级的制品的注塑方法}2}。正
- J. K! R- u( C/ A3 I$ E1 A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
( y4 o0 b, h( r0 i5 [展。本文将对微型注塑技术的工艺、模具和应用
# G7 R% D- e! m& K  B1 j情况作扼要介绍。
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
4 d3 e% s9 f0 R  x尺寸为微米级的微结构部件时，可选用小型的普
- W' x: b- Y& u) S6 B& B4 J通注射机。研究表明用来注塑CD片的普通注射机
6 p+ k8 k, p; o  f(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。
, {" H/ G5 k1 R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
2 D- c1 U+ r, L0 I, \$ X  M低。而且微型注塑制品的质量一般为1-30mg,与
( X0 s0 _5 s2 I. b8 w6 [此相比，普通注射机的主流道和分流道尺寸显得
# w- O) G! a4 L+ J( W4 o过于庞大，只有不到10%的物料真正用于微型注
- w1 [& g5 Y. {& C- J塑，同时使得循环时间和物料用量与注塑制品的
' s( i  [! s$ B" `- H* K* C尺寸无关。因此普通注射机主要用来注射精度要
! G: g# G$ Y5 x- s% q求不高、尺寸较大的制品。
1 |; e% y9 l  s4 f) i: a7 ?" I  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
  _0 t: I. b! P0 y/ Y3 ~主要的参数，用户可根据制品注射量和浇注系统
/ t' _6 }1 z, R+ y+ \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
0 ]4 @. S! }( v: _6 C5 H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
. T+ x2 C* r+ u* a- J% V) n+ t' h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
9 O  e' _+ N3 Y, @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。
" X4 i3 t  ]! J+ a8 {
  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
0 N/ x" F- O; L% O( A# V8 Q; i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
% s; |$ J5 w, l( ?9 ?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
5 @+ [6 G  i4 P5 O& `# a8 ^熔体的质量比减小至1:1，从而可避免物料热降
+ U6 n3 K( F0 |: k2 A4 }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
  \7 y* ?8 J7 l. ?& C3 [( L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
. w1 O$ Z5 A: q; x- W具宜采用针阀式喷嘴，在注射和保压阶段使喷嘴
3 v, U, g) t6 M4 E/ Q& c处的针阀处于开启状态，而在保压结束后则将针
" z9 c- ?0 i$ B2 t9 u& K7 [阀关闭。此外，模具型腔和热流道应有单独的控
$ {- U3 Y1 ~$ o9 B0 \2 F. ~温系统(见下文)。
5 c0 M3 r2 g& i" R2 H  因为微型注塑制品是薄壁、质量为毫克级的
( T) N) _$ R# \* W0 `3 F制品，在脱模方面，为确保制品在脱模时不发生
2 C# {8 h4 \9 w0 \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
$ ]: i* v" A$ Y: z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
9 Z, |- E3 C; k4 \  A- K. d度的加工方法来进行加工。通常情况下选用电火
2 o4 s+ g' N6 A" K  X$ D5 Z花加工，但用电火花加工的型腔表面有较深的凹
, U2 H! \3 y  [" A坑，光洁度不高，使得注塑后的制品精度较低，
, ?) _4 Z: i) X) f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)
7 j& r! N4 {& N/ w# l1 W$ F―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
6 a$ X  ?! l* a( @9 y/ I$ q9 m轴，而另一个动模则刚好处于闭模位置，闭模后
6 b" n- c% y7 f5 @又可进行下一轮注射，在注射的同时，可对注射
5 B1 R) U! V. H! Q0 i+ T机工作轴的那个动模进行脱模和质量检验。作了
8 m' y0 A0 a, m/ ^这样改进后，微型注塑的循环时间可缩短至几
秒。
  3.2工艺技术
  a$ ]( k9 s. j. V  3?2.1模具温度I -al
/ p  X$ T, b, c4 _  c3 m, X4 c, m  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
+ |2 ^; N; J: r- z1 e9 w# c6 G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
7 \8 u1 l, r7 n* s/ t充满型腔，防止熔体在充模过程中温度降低过快
6 e7 W% D' K% F  ^+ I而造成充模不全;而当脱模时，模具温度又能保
0 P' y. a) x' c, l: m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)
( Q9 X$ M. u5 D; x+ `$ [部温度变化迅速以缩短循环时间。对于成型尺、J-
" V% C( A/ _- B) E+ H为50、流程一与壁厚之比为160的制品，若用传
5 O8 c8 b+ r% o) l2 |& `统的油浴或水浴控温，循环时间一般为儿分钟，
8 y/ g7 ^* Z* H. b  g这很大程度上限制了微型注塑的经济性。采用模
1 D1 ~( `. C3 ^1 x+ ~. n3 r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
( M; G+ }( c+ m. W+ x  b- S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
& J9 b1 v9 Z' j/ ^* M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’“}
  微型注塑成型的是薄壁、流程壁厚比较大的
2 x; \9 P6 x# E( w+ U1 c制品，因而型腔和浇口需添加单独的变温调节一系
* D9 O% {* T& N% g9 Y* S% |; F统，否则在充模过程中熔体温度逐渐降低，容易
6 e3 M! L% G; t; _造成充模不全，成型的注塑制品的内应力较大。
" q' Z6 ?' D. Z3 _) F' f; l' d: x添加变温调节系统后，注射时能保证熔体充模时
' g7 @3 c/ e5 `% U/ q2 X- S) f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
4、微型注塑用塑料〔}, 41
5 q, _% o  y' i- h0 W! k  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
" \, A3 k% l/ L+ F# L: C, r2 C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
  c4 p; \+ m9 W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
0 @+ H. V7 H/ p7 h; K精密注塑型腔，型腔的壁厚为2. 5-20 u m，顶角
6 k5 e, u; @' T! f2 ?1 S半径为。. 3-5 u m，可用来模拟材料在型腔的一些
7 A! Z: l( q8 Q3 b% P) r0 x* o! x9 D阶梯和顶角处的充模情况。表2为所研究的各种
1 J" B/ s; a; [; |: }3 ?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。
! e4 l: r% p" H, \5 V  研究发现能用于微型注塑的材料是粘度低、
      
! T/ ]7 ~4 p0 _' p& a) n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
, T7 d# h% l% W2 [, t3 H则在制品上容易形成冷接缝，而且在充模过程中
  |" |$ I; a( D; t: h& F分子取向少，所得制品的性能比较均匀。如果选
0 s3 C( ^( X6 n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
& Z$ ~# n/ O; r% `9 ~7 V+ C8 j+ v微型注塑一一工艺、模具及其应用
7 o0 V! D3 g& i% D剪切流动方向取向，在这样情况下冷却到软化点
- R4 C2 F, B7 J( Y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
+ C8 w& J' I" W5 ?2 c& t. {的应力开裂或翘曲变形。要求塑料的热稳定性好
3 [$ i, H! f$ [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
1 \' Q2 s) R: C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
) ~2 v. a! [$ Q9 D. B( d+ K  a中停留的物料，则年生产100万个制品其原料用
$ _  C! ~! f0 |3 t* I: ~- S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。
" K( u8 @! c% K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。
  (3)传感器和传动部件。在这个领域，微型
' {9 w+ x0 X' k4 M2 t( u注塑制品同样有了较大的发展。小型的注塑制品
* S; u8 e0 m  z' V4 s& e6 F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
5 i; `* I4 f# ]- v  j6 }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
, @1 k7 {: J: Xit 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
4 a. t' w' o6 c+ v( v) A动机上可产生150uNm的扭矩。
0 h! G. g/ z, r) u. J$ p4 a6、结语
& h/ h# `- w2 i# H5 u5、应用[41
  微型注塑技术的出现使得微型制品的生产发
6 o7 f0 {' b$ Y: x5 h生了深远的变化。目前已商品化或极具发展潜力
" d0 Z" t+ n* p) @" K% `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。
, h5 w0 @. e% R1 F, Z$ S  (1)在光学通信领域。单个部件的价格及其
3 t$ n0 j, r3 P# a4 J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
! {3 ~  {4 P" M4 \% U! B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
进行的研究是用自吸收的聚合物来注塑微型制品
  s' n2 c1 S1 G1 P" ^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
4 c; {. ^' _, R+ {0 P4 P5 j可以被选择性的吸收。此外，微型的泵也可用微
# k$ D0 G! {6 i: d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
. v, H. `+ |7 E4 w0 r工业自动化生产，生产效率高，今后将成为微型
4 x3 ^! }# s2 P' O制品成型的重要方法。微型部件和系统的逐步推
& o3 r4 g& W5 T6 o- T2 z9 W& x! u广，必将使那些掌握微型注塑技术的厂家在未来
; c' {" }# X7 s- a* R1 [; }的激烈竞争中处于明显的优势。因此，国内的研
) b) {$ a$ @  u6 z; C5 h究所和厂家应尽早开展该方面的研究工作。