微型注塑

icanyes

微型注塑一一工艺、模具及其应用
, j; U$ q' b7 Z* |* L; U2 m7 b      
  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
* x& t) g! M2 p- S+ K/ n表明，到2002年微型部件和系统的市场占有量将
) ~. g  P" C7 d. p  Q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
+ U  L) a$ W3 [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
, e; p/ h8 I, P# f0 ?, K3 X; U% j3 Y公差为微米级。但通常所指的微型注塑(Nlicro-
& n7 M# A) P, H2 ~) aInjection 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。
% j8 x5 c- `9 ^& T1 j2、微型注塑用注射机〔‘一“7
% V( P; L9 Y' u' }1 U  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
. \) C1 g- x/ D(如Bayer公司的Macrolon CD 2005)适用于微型
7 ~  ^& G" O& d3 y$ B( J* H8 u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。
0 `9 [, h' g8 R7 W) X! k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
% ]7 d9 E3 I5 h2 t3 M低。而且微型注塑制品的质量一般为1-30mg,与
; s2 f  G! G$ b- i, Y8 W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
& p1 ^) r+ t/ G: A/ E$ i塑，同时使得循环时间和物料用量与注塑制品的
) |  N) R7 d1 B7 z  F4 t- ^尺寸无关。因此普通注射机主要用来注射精度要
, g* _) f3 o6 D4 \9 {& p求不高、尺寸较大的制品。
  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
6 |) [5 t! h* A" Y7 f主要的参数，用户可根据制品注射量和浇注系统
) K1 e' I& r9 k2 b% S- G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
3 g5 V1 g+ X' I! M9 ?+ A( V5 a注射机由合模导向机构、注射系统、气动脱模机
0 E8 E* l# g7 {7 E% Q% M6 [/ _7 u: K3 D构、质量检测机构和自动包装系统组成。采用自
$ g0 w6 z& L% l0 L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
! k" W8 e; k" M0 x; T3 ~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。
) p7 U, _9 B# G+ z2 r3 h, C- m
$ M4 m! {2 T/ f' }+ b& K  `( a  由于微型注塑成型的是质量为毫克级的制
- Y: o% Y, ^$ K! l, D  Y! b( m/ A品，如果采用普通浇注系统来注塑制品，即使是
/ W' a7 l7 z6 ?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
  a2 N; x" O: F" K- M! a7 T微型制品，产生大量浇注系统凝料，所以应采用
) u: @% u$ U9 P3 b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
$ r% }  }2 s1 A4 u' [7 F! g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
' g  a' [$ t+ X熔体的质量比减小至1:1，从而可避免物料热降
) ?8 k: \0 F4 s* K! X0 x) V! I1 `解。而且采用热流道浇注系统有利于压力的传
4 J  [/ ]+ V7 }2 ]+ Y! c递，在一定程度上避免了制品因供料不足而产生
/ [6 e3 X1 h; J! B3 J# i( Q- u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
' ?# ~. y* o0 G6 ]温系统(见下文)。
$ g& D: r- [9 d( h  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
; j4 E0 L; }7 [变形、影响制品的外观，不宜采用顶杆脱模方
' k  N) P0 p5 p4 n6 ^8 z  T% }% c式，而应该采用自动抽真空将注塑制品从型腔中
2 U7 O0 s0 ~  y3 O% S; u! B2 i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
2 i3 K0 y! j; f, ~  i, X- X求很高，因此微型注塑的型腔制造时应选择高精
/ n. Q2 J, D3 ?% l* |% Z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)
/ ^5 m; s$ d" a" V7 \# a) }―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
9 q+ S& B" ^& e) v0 }6 ?1 @6 k轴，而另一个动模则刚好处于闭模位置，闭模后
9 I: ]% H, F: ?; w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。
4 M, d4 ]3 J3 Q) ]& A& Q; p/ {/ n  3.2工艺技术
& U# Y2 y3 g/ H( @7 X* x  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
' O5 Z$ O* V2 R2 U( i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
& g) l# v7 c( ~% G缩短循环时间，必须对模具添加变温调节系统。
& z- W( x) ~7 e1 ?理想的模具变温调节系统是当充模时.模具温度
8 E, i, a0 R* @# v: v) t( e1 e# h+ H2 U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
. p9 p/ V: W3 c! r& `8 o$ U; v! Q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-
+ E; P3 S! z" l. e+ N, j2 ~7 \8 h为50、流程一与壁厚之比为160的制品，若用传
: _4 z' I+ s6 I5 i9 `7 h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
6 n) `: R( X. U4 \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
$ Z, B4 G, @0 r$ V$ ~少模具重量，使得模具成本相对降低，而且_可将
% y3 ^: }  L7 c$ X0 m- V4 u/ L* V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
' s* k5 k: P& N# j- T( ^用来注塑尺寸为2. }-20 a m、流程与壁厚之比为
  a- a/ m0 c/ w* N( a* K; m2。的带有微结构的注塑制品。
  3.2.2注射单元的工艺参数’“}
7 d5 L; B) p" ?/ h  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
. E* ], M+ I6 K, ?  ~+ b( P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
% b6 a! h/ u4 {' x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
# l2 I- T7 U0 r6 C+ E5 P  m了防止熔体的热降解，有必要减少熔体在高温下
5 U* d) ?5 g/ q; w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
2 l8 @" s& E* T4、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
- I% O5 U* A, r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
7 _6 R  S; {# [9 c/ R6 `4 Q* Q也不能用该模具来进行试验。为此，Webel等I41设
/ p+ R" l% ?, e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
* @3 R: |! A( f6 u精密注塑型腔，型腔的壁厚为2. 5-20 u m，顶角
6 v( e* p- ?. T" q- z/ U半径为。. 3-5 u m，可用来模拟材料在型腔的一些
+ j/ }% M; h- Y" ?" J0 C6 Q阶梯和顶角处的充模情况。表2为所研究的各种
, T6 W' q5 K4 T( Q0 o: W# w不l司性能的热塑性工程塑料作为微型注塑材料的
0 B% _5 o3 m5 q$ B& S7 ]适用性。除了考虑到工艺条件对制品的影响之
# Q1 s# n+ a, J/ l5 ]外，成型后的制品的精度也是材料选择的重要考
+ m- q, R5 v' ]! U$ l2 ^' _% {虑因素，制品的精度不仅指单个制品生产的重复
$ J; T; e) I' K7 H# E+ V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。
  研究发现能用于微型注塑的材料是粘度低、
      
6 [0 O4 C8 b4 J* x热稳定性好的通用工程塑料。选择低粘度的工程
. z6 M# K5 C4 m8 `- H" Z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
3 f8 ]5 o8 H1 |1 v4 R6 Y1 v利充满型腔，熔体温度也不会有明显的降低，否
( w% s% T' I) H! s8 V- `! [" M  b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
4 X; C9 e. y+ R4 H$ K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
9 A4 |; K7 T2 [/ b/ \% k以下时取向状态被冻结，而这种在一定程度上的
) V6 z, H* k! k0 C/ U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，
1 s9 j2 i: h. n0 `' D% p& F9 Z造成塑料相当程度的降解，因此热敏性塑料不适
$ M2 S$ K5 `+ y# t, h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 i! A, I" X1 R# y3 S中停留的物料，则年生产100万个制品其原料用
! r" D6 I/ ?+ e' u: H* a0 B5 z量也不会超过1吨，而且选用新型的工程塑料和
1 s5 J, D, g. m5 C: Y. I- V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
; N4 G& Z' r5 }为微型注塑用原料。
外，也可用于需要精确计量液体用量的场合，如
/ o! |: c( A4 H/ o: e0 i& I4 D用于对精密仪器进行上油润滑场合。
5 O; U2 w" U5 e6 k, Z9 M. m0 V  (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
* m4 y3 J: D' q0 Y. y9 U# v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
) S* @" k1 K  w* p0 V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
" f/ G; s8 }  R* ~3 L技术生产的微型齿轮，该注塑制品的尺寸小于50
+ T# w7 U$ P4 n6 f9 M& G5 |) T7 j7 Git m，质量仅为。.008g，但其精度高、表面光滑
9 q* ]! k* V2 t5 T! n. t平整(表面粗糙度仅为几十个纳米)，用在微型电
2 U4 U5 F# {/ N& u8 W( k; H8 I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
生了深远的变化。目前已商品化或极具发展潜力
- c5 b# \+ i, C- \/ k2 W# t的微型注塑制品主要在光学通信、医学工程、汽
+ n7 c" c$ ~- V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
$ B, v" y9 s1 m. m7 L: V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
9 N- b3 H) u+ K2 x+ W- e. s注塑制品在光学通信领域必有较广泛的应用。如
/ ^+ {: p5 f) O- G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。
6 j6 e: b# j$ W6 v1 [- j# B8 e  (2)医学工程领域。目前在医学工程方面的
8 ?6 Y+ O$ k, h9 B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
" L" m) W" u& ?1 o7 k: f  微型注塑成型后的制品尺寸精度高，易实现
: u, G7 }& ^6 Y" _0 }. v2 l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
广，必将使那些掌握微型注塑技术的厂家在未来
( @% y  N/ M) L" l! L1 k的激烈竞争中处于明显的优势。因此，国内的研
3 n: }4 F- e4 E5 R! P, _8 i究所和厂家应尽早开展该方面的研究工作。