特殊注塑方法中的粉末注射成型工艺

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特殊注塑方法中的粉末注射成型工艺
% W! I) i9 H% q# u, l粉末注射成型(PIM)结合了注射成型的工艺优势和金属、陶瓷的出众物理性能，正在迅速成为一种陶瓷和粉末金属的新型生产技术，用于需要高产量、高性能、低成本和复杂形状的场合。
2 Y9 r9 u9 L1 n7 u: n　　粉末注射工艺中，按配方确定的金属或陶瓷粉末与聚合物粘结剂混合，注射到模具里，形成所需形状(生坯)。与传统注射成型和高压模铸相似。成型后，粘结剂被脱除，得到的成坯经过烧结，使粉末颗粒之间产生冶金结合，赋予最终制品所需的机械和物理性能。
) E. j- N4 e/ G; J　　各种粉末注射成型工艺得到的零件
' L7 [' k" j. M7 Y( [　　混料
' p$ i$ K( f* Q1 B, n　　常用粉末有不锈钢、氧化铝、铁、硅酸盐、氧化锆和氮化硅。粘结剂通常以热塑性树脂为基础，如蜡或聚乙烯，但纤维素、冻胶、硅烷、水和各种无机基质也经常使用。粘结剂通常包括两、三种组分：热塑性树脂，用于润滑、粘度控制、增加浸润和脱出的添加剂。
　　成型
　　与传统聚合物注射成型基本相似，但成型尺寸要超过设计尺寸，以补偿烧结收缩。成型时，粒料加热到150到200℃，注入模具中，根据制品尺寸和实际配方不同，注射压力在35到140MPa之间，注射周期为30到60秒。模具既可以加热以控制混合物粘度，也可以保持为室温以利于冷却。成型结束阶段，成型的生坯有石墨状较高的坚实度，适于通过顶出杆或脱模环从模具中自动顶出。
　　除粘结剂
　　要求在最短的时间内将粘结剂脱除，且对压块的影响最小。该步工艺是粉末注射工艺中最关键的一步。脱除方法有三种：热脱除、催化型粘结剂脱除剂、或溶剂抽提。脱除工艺中，有大约30到98%的粘结剂被除去，这一过程需时较长。脱除后，所得压块称为“成坯”。
: f+ W" W1 K+ S% ?+ Y　　烧结
　　工艺的最后一个步骤是烧结，经过该热处理过程使颗粒结合成为实体。烧结过程中，成型制品内的颗粒间隙消除，导致显著收缩(通常在10到20%数量级)。同时，成品密度可达到大约97%，这时其机械性能与用其他方法生产的制品相比，即使有差别，也非常小。
, Y4 Z' n% v. W0 l　　工艺优点
　　◆和传统金属和陶瓷加工方法相比，降低生产成本20到40%
9 k4 t; S# G8 D0 ^* p3 ]& }　　◆是一种尺寸公差控制良好，基本不需要二次加工的干净成型工艺
　　◆能生产复杂形状和几何特征的制品
, [; b7 a  e% ?0 \# C- _- N　　◆通过使用注射成型和自动化生产技术获得高生产效率
  k: E  {- ~9 Y) M1 ~% F　　◆制品机械性能与锻造材料几乎相当
- q9 ?) }+ r6 g; \　　工艺缺点
　　◆制品尺寸和厚度受到限制
　　制品越大，昂贵的原材料在总成本中所占比例越大。截面越厚，粘结剂脱除所需时间越长，使工艺成本变高。目前壁厚的限制大约是30mm。
& @' O/ W* t4 p5 Q- K4 E9 t1 i　　◆体积收缩和厚度均匀性难于控制
　　“生坯”中含有大量体积分数的粘结剂(多达50%)，导致烧结过程中收缩显著。控制收缩过程是对烧结工艺的主要要求。壁厚的变化会造成烧结中收缩不均匀，增加了尺寸控制的难度。均匀的壁厚对于避免变形、内应力、空洞、裂纹和凹痕是至关重要的。

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特殊注塑方法中的微注射成型工艺
微注射成型(也叫微成型)用于生产总体尺寸、功能特征或公差要求以毫米甚至微米计的制品。由于成型制品的微型特征，需要特殊的成型机械和辅助设备来完成各种生产操作。如：注射量控制、模具排空(真空)、注射、制品的顶出、检验、分离、操作、存放、定位和包装。模具嵌件和模腔的制造也需要特殊的技术。

' B1 j0 ~; t3 C6 ?　　在各种微成型工艺中，微注射成型工艺具有以下优势：传统塑料技术积累的丰富经验、标准化的工艺程序、高自动化程度以及短周期时间。
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6 j& e9 S* q) `( q: P* {' B$ n( F　　微注射成型制成的操纵杆

) u- m+ x% K) n; N$ u9 `8 V　　微注射成型分类

* A( k  d% B9 l　　◆重几微克到几分之一克，尺寸可能在微米(mm)级的微注塑成型制品(微模塑成型)，例如微齿轮、微操
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6 p6 a, K! s7 C4 i5 E+ ^) B　　纵杆。
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　　◆传统尺寸的注射成型制品，但具有微结构区域或功能特征(例如，带有数据点隙的光盘、具有微表面特征的透镜、使用塑料薄片技术制造微齿轮的薄片)。

# }" Y9 ?7 p+ q# G　　◆可具有任意尺度，但尺寸公差在微米级的高精度制品(例如光纤技术用接插件)。
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　　设备需求
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+ {- J% q% |) z7 R& n8 l　　◆小型塑化装置，螺杆直径在12-18mm范围内，螺杆长度较短，L/D比值大约为15，以避免长停留时间引起材料降解；
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　　◆精确的注射量控制和理想的注射速度；
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  J8 \: X: s  p7 [( E4 Z  b! d$ e! D; G% s　　◆可重复的控制，比如根据螺杆位置和模腔压力进行从充模到保压的转换(推荐)；
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. y* j, ~) M' D( l6 p3 v. C　　◆模具壁温度能升高到一定水平(有时略高于聚合物的熔融温度)，以避免超薄部分的早期凝固；
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. X+ p! v# L* Q* @9 X　　◆如果微注射成型制品的壁厚小于5mm，须具备模具抽空能力，因为这种情况下壁厚与空气逃逸的气孔尺寸处于同一数量级；

　　◆开关型喷嘴，避免由于加工温度高造成熔体流延；
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　　◆精确定位和轻柔的模具开关速度，以避免精巧的微注射成型件发生变形；

　　◆特殊操作技术将成型件取出，进行检验和包装；
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　　◆能就地准备干净封闭场所或层状周转箱，以避免污染微注射成型件。

% W/ n; j/ A8 E6 o$ M+ A　　成型工艺

' D  Q2 s+ w" Q( Q6 m　　为保证能够正确充模，需要高注射速度和高注射压力、熔体温度应为允许范围内的较高温度、模具壁温需精确的控制。
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' s4 W7 x0 ^! Q5 \　　需要使用大流道和浇道来获得足够大的注射量，以便在熔体流动过程中可靠地控制和切换，避免材料降解。

$ E* S  k" w3 S( v6 G　　此外，采用改进的模具传感器，高精度模具导向装置，模具抽空系统，集成流道采集器和用于制品取出的机械手，自动的浇口切除系统，和在每个周期都激活的模具清洗系统，对于控制生产工艺以及有效处理和包装微注射成型制品都是至关重要的。
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. s# q  a; b  c+ `! |. [1 h% L　　工艺优、缺点
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+ X! J" k3 d- [% t1 q0 k, f1 y　　微注射成型的目的是生产微型制品，因此与其它宏观注射成型工艺不存在竞争关系，这是它突出的优点。
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　　制品小而流道大，流道可能占到总注射重量的90%。对于微型注射应用，流道内的材料大多数情况下不能回收再用，因而材料浪费严重。

3 G. b" `5 [. n　　生产周期长。由于制品通常的表面/体积比很高，模具在注射过程中必须加热到熔融温度以上以防止早期凝固，因此使得周期时间延长。
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( u$ M2 l: i  y　　适用材料
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# J% @0 a3 O& {( i8 N$ l　　几乎所有适用于宏观成型的材料都可以用于微成型。主要有：POM、聚碳酸酯(PC)、聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)、PA、液晶聚合物(LCP)、聚醚酰亚胺、和硅橡胶。

# p; Z$ N& u( ~8 q. E　　典型应用
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% N  z! B) U9 o: ^0 d0 M　　在光通信、计算机数据存储、医疗技术、生物技术、传感器和传动装置、微光学器件、电子和消费类产品，以及设备制造和机械工程等领域中，微注射成型制品呈现快速增长的需求。
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4 J3 E5 i" |& v* y  R7 [1 o　　典型例子包括：手表和照相机部件、汽车撞击件、加速和距离传感器、硬盘和光盘驱动器读写头、医疗传感器、微型泵、小线轴、高精度齿轮、滑轮、螺旋管、光纤开关和接插件、微电机、外科仪器和通讯制品。