微型注塑

icanyes

微型注塑一一工艺、模具及其应用
) ^% f& U2 m, v- N* j$ l2 M* D      
* U+ S/ F* r" N& h  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
6 g2 r4 |' R, ~4 \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
2 s& w! i3 j- y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
1 a' M7 K( l0 j( U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
1 [2 F& F' o9 q微型注塑技术在过去短短几年内便有了很大的发
  m9 J, x( r* _7 e7 g: e, w展。本文将对微型注塑技术的工艺、模具和应用
$ _/ f" H/ ^: E5 `0 h, i" {3 O0 N情况作扼要介绍。
: T) a( q  V3 S9 A/ Q5 M2、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
(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
8 @$ S; J! T( ?/ c2 w厚之比为1的制品，并可获得较为理想的效果。
# Z: ~" [) K3 y# T但对大多数普通注射机而言，其计量装置的精度
8 l. _: f+ H% B( n" ^2 y9 {5 ]8 W1 J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
/ K9 b5 v! ^) y7 Y: Y( y此相比，普通注射机的主流道和分流道尺寸显得
5 l) z7 t& }, w- F& o9 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
; m* w! w) Q) q/ L! \! b, T* q尺寸无关。因此普通注射机主要用来注射精度要
; \) K- ?  c- ^* _( E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
8 f; W2 \' o5 }" b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
4 B# Z$ Q5 p- n- {6 w2 m! [微型注塑制品时，宜选用注射量为毫克级的注射
, |5 r' B1 ^+ i) y% W, o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
" W; g+ m% {1 V! _' v构、质量检测机构和自动包装系统组成。采用自
( }& v, G0 b, x6 S1 _  T动抽真空将注塑制品从型腔中脱出的气动脱模可
7 I# o4 y& ^: X0 U: T- m微型注塑一一工艺、模具及其应用
. H, Z$ C5 N& a. E表1微型注塑用射机及其主要参数
6 {7 g2 f$ M5 m: x防止脱模时对注塑制品的破坏，而利用质量检测
- n( \( e- ^. e9 X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
! I: o& r1 S; p& f3 z- \4 r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
8 G: m3 N3 v$ T& c. k: {& L4 S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
# \& Y  s7 e1 ]# `5 E* x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
; J5 v  J% K! R4 Z: D/ \% w5 ^% a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
6 `9 Y! b  j3 f  n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
! U( _8 F# H0 V% e$ w) K# k具宜采用针阀式喷嘴，在注射和保压阶段使喷嘴
& v/ p3 [, a4 f5 e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)。
. h  Q7 X4 ?: r2 ]) [  因为微型注塑制品是薄壁、质量为毫克级的
) s" Z7 u  ]* I( P9 f. F, V' i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
5 V2 ~7 Q" v, a; n0 w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
, @8 J7 Z: U7 t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
' l" K4 ]( @5 [: p" e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，
, f$ F6 q3 X; M所以注塑高精密制品的型腔加工时应选用电火花
0 c3 O4 V6 u- i; E( |4 `& p和LIGA(Lithography/Electroforming moulding)
; _/ x& M" F; y" C& B―石印电子成型技术相结合的加工方法。
& @# A( w) G- z" ]) c  为了进一步缩短循环时间，Battenfeld公司
* i$ y5 w1 ^) }4 n/ v& J研制出一种新型的微型注塑模具。该模具有两个
) p8 `( @- l; O& n( U, ~4 g: T+ W动模，安装在可以旋转动模板上。开模后，动模
3 _3 p! ^! c/ ^! b$ l绕注射机工作轴旋转180“，离开注射机工作
% Y: L- t$ O& |/ d! E2 M7 U轴，而另一个动模则刚好处于闭模位置，闭模后
% A- ~2 ]4 U+ k4 T# P又可进行下一轮注射，在注射的同时，可对注射
8 W: H- D2 a' M: ~; B3 ]8 G机工作轴的那个动模进行脱模和质量检验。作了
1 B$ v% B) _( K# ^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
1 I: O# G( q/ r/ _  3?2.1模具温度I -al
) E& J) A9 J0 g% S1 _6 I: A  ^" J  在微型注塑成型过程中，模具温度直接影响
4 P- A* L4 t) q% v* e8 i9 p* l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。
4 W' Z1 l$ x, v. M3 x; j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
& p# x1 `7 `( ^' @$ @, }" q充满型腔，防止熔体在充模过程中温度降低过快
; p* O1 f; E, z" }/ T/ U; A* x9 R. D而造成充模不全;而当脱模时，模具温度又能保
+ \$ ^  Q9 W' T  J+ L( c持在比塑料热变形温度稍低的温度，并且模具内
* \1 s8 D+ L5 Q( C. z《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，
8 U6 @  K8 B! A! `  c4 G) t2 ^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
! A! I# \( P+ V* M( B/ H: S$ {少模具重量，使得模具成本相对降低，而且_可将
$ m/ K) g% w7 P# x. i- j8 `9 X循环时间缩短至15:左右。除了采用电加热方法
- c5 f4 P$ y2 l以外，还可采用电感式控温的变温调节系统可
0 m) B6 f+ r$ x: Z5 P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
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
- i3 T9 w0 j2 f9 w5 [% o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
* f& q$ K/ v7 L( S3 Q" V$ P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
% A1 {9 v& N0 Q3 J7 b' k" D$ N  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
, q; K8 `" q1 a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
8 n2 e5 ]( p4 z+ _7 L# y7 [* o/ W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
8 X' Q2 D/ v. F, Q& g. J: o9 _+ g+ 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
阶梯和顶角处的充模情况。表2为所研究的各种
8 O% }  Y" T% o+ S9 W1 E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
* S3 G+ F  W& B( g9 G- m* h性，也指制品收缩和翘曲的趋势、表面均吉度、
4 Z- O8 }" R- _# I4 h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、
  h( N0 n3 e$ F. D! v! f7 f      
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
. {+ D. F, Y* e4 s7 T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
( q5 G4 p8 [& a3 k: t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
  \: l! v8 ~3 ^3 M9 c* s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
- X5 w5 d  ?1 {( U8 m% j螺杆剪切作用容易造成热降解，尤其是对热敏性
" I- _0 g& X2 {, U- E9 g; ^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
, `+ e. F% ^& K+ L' M+ V& g" [注射件的质量通常为0.001一1g，若不考虑热流道
! s/ P& z- {  Q8 a- y; ^& v0 r! d中停留的物料，则年生产100万个制品其原料用
- I1 F7 o2 ]% G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
( _* p2 s# U# t4 Z: R. ~3 e8 c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。
外，也可用于需要精确计量液体用量的场合，如
  x/ x  n) ]0 c% F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
  ^4 Q9 |) h5 ?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
; Y2 f5 ~; {  y4 I! _5 R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
4 d( a, S+ k! h+ t- q6 z( \9 h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
& o% G( p: N; T6 I/ Q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。
0 K7 [) g) Q5 `8 [# T% G  Z+ ^) d* X3 o6、结语
5、应用[41
4 c- }- q) U1 Y; f  微型注塑技术的出现使得微型制品的生产发
: m; p' z  h1 \5 Q7 W* `4 N生了深远的变化。目前已商品化或极具发展潜力
0 W# A- j. l3 W! a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
# K: W) S5 h% P9 b; 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
7 `7 \+ G' ^- @: {. {: H( C, X8 R1 ?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。
) L) G& V: H1 |  (2)医学工程领域。目前在医学工程方面的
, {" z% l8 O. D0 z) g进行的研究是用自吸收的聚合物来注塑微型制品
  I6 R2 s9 J; c# ^( o# E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
- v  E, D: ?6 p3 b/ I* d7 W- x& W可以被选择性的吸收。此外，微型的泵也可用微
* f# b3 G; V( I: i" {+ |* r: o; ?型注塑进行成型，模具内嵌人一些刚性材料可以
1 }3 \; P: O# y0 b+ r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
  i5 W- s4 Z! a) }5 q% v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
: I& |- Z1 Q: ?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。