微型注塑

icanyes

微型注塑一一工艺、模具及其应用
      
  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
. m& u* h* i. s达到4。亿美元，尤其在汽车和电信领域将会有更
3 e1 b, Q- O0 \: k: B大的发展，目前已商品化的微型注塑制品主要有
1 x2 j7 c- m5 }* b7 j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
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
  H) s/ C/ x" e; y* E2 J5 P' B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
/ G) B  X0 d; }" L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
; \2 k: [; F4 z3 W9 l微型注塑技术在过去短短几年内便有了很大的发
! q  X: j8 u) Y+ x! H. I展。本文将对微型注塑技术的工艺、模具和应用
# [( }# t( a  ^; o* o) N情况作扼要介绍。
* V/ {& ^7 }" i2 q5 p2、微型注塑用注射机〔‘一“7
$ ~. w: n$ E4 P  现代普通注射机可以用于微型注塑。当注塑
, Q' n% u* V$ t尺寸为微米级的微结构部件时，可选用小型的普
  o/ k& e. h  v6 D7 K9 x通注射机。研究表明用来注塑CD片的普通注射机
8 c; s* O  \; P  s0 y4 }6 {3 `& g(如Bayer公司的Macrolon CD 2005)适用于微型
% A0 B0 s0 i0 f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。
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
此相比，普通注射机的主流道和分流道尺寸显得
; [( i% A& X& R过于庞大，只有不到10%的物料真正用于微型注
# V, j" `/ L% J塑，同时使得循环时间和物料用量与注塑制品的
7 u. S# a6 _' M  g' r, v尺寸无关。因此普通注射机主要用来注射精度要
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
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
- t- S1 O# F. L  |1 u; T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
; {7 P- }/ b! A, g& {9 y- }8 a+ C  c( W注射机由合模导向机构、注射系统、气动脱模机
" O4 d" Z5 i- g* B* k) U构、质量检测机构和自动包装系统组成。采用自
6 B* _% N% }% r9 {1 z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
) H- q0 e/ i- z! v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
  n  z* k2 z; y# e- |  q系统可保证微型精密注塑制品的成品率。

7 @  R3 W! t5 S  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
7 d/ t6 \/ Y% l' u/ j, o质量比仍为I:10。只有不到10%的物料被注塑成
: i: r2 I" X2 q$ k8 B  P+ H2 j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
! H6 M+ P" u. l$ _人口为止的这一段流道中的塑料始终处于熔融状
5 B( Y" F% n# s, I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
% H& R. a/ o+ X$ g& y, d9 N6 }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
8 H! p' E. S* f7 U) w8 v熔体的质量比减小至1:1，从而可避免物料热降
5 B) y8 `  w9 c9 D8 |" i* V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
6 n8 \8 k5 [  z  j$ i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
- c$ Q# j% z  n+ S阀关闭。此外，模具型腔和热流道应有单独的控
7 u4 X! b3 k1 X- o" ?温系统(见下文)。
  因为微型注塑制品是薄壁、质量为毫克级的
7 U) O" X" ]9 z6 l8 C, l; D+ x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
2 T( b# |' o0 d, I: o  I式，而应该采用自动抽真空将注塑制品从型腔中
  ?% Q! i9 x8 V$ O吸出的气动脱模装置。在模具制造方面，由于微
' {3 L4 ?- ?1 {4 p9 d2 K) O7 ]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
" l& F, Q5 ~" b+ R9 x度的加工方法来进行加工。通常情况下选用电火
2 S$ ?% z5 P* D3 N' E& U' u3 J7 p! A$ d花加工，但用电火花加工的型腔表面有较深的凹
' k9 ^: x' i0 a0 F% {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)
―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
( X3 A% ~( ^4 ?% o; g8 ?9 v动模，安装在可以旋转动模板上。开模后，动模
% {! Z* i* D# X" `4 ?1 L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
又可进行下一轮注射，在注射的同时，可对注射
  x" g" [/ ?1 k2 J# A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。
  3.2工艺技术
2 g9 l! x9 _5 ^1 P1 \, K  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
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
- V$ P: V/ p+ Q& _- K" T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
$ f; Y5 c9 b- _) v, y. d5 s足够高(超过所用塑料的熔点)，使得熔体能快速
5 y% k4 W8 m/ F充满型腔，防止熔体在充模过程中温度降低过快
* M3 d. N4 I2 ?& @7 ]( _9 C而造成充模不全;而当脱模时，模具温度又能保
# U) K- {. J) P/ ^3 }' j持在比塑料热变形温度稍低的温度，并且模具内
" v# a2 g% B' p( v9 s( ^《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
: s0 j$ q+ s" s  f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
0 u+ b1 G( f& O" \' X4 i3 f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
7 C3 t9 Q5 u* ~4 _: e5 g整个模具温度始终保持在脱模温度，不仅可以减
. b9 v" a! i6 z- y! }/ Y少模具重量，使得模具成本相对降低，而且_可将
! ^# R1 g4 s2 ^" {9 ^, _循环时间缩短至15:左右。除了采用电加热方法
. B- i; R! C2 z9 p6 t/ x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
( q/ p0 P7 ]& b. G4 Q2。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
/ g0 J0 {! y2 s1 E: g- [4 V统，否则在充模过程中熔体温度逐渐降低，容易
' q8 X' q, ?3 U, W造成充模不全，成型的注塑制品的内应力较大。
' I! o2 S' f/ U$ D: J添加变温调节系统后，注射时能保证熔体充模时
6 j( r$ K& b( ~0 r( C1 g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
+ @+ p& h8 e: K: i9 u* _" m了防止熔体的热降解，有必要减少熔体在高温下
4 N! f- I/ @8 }. C& a的停留时间，为此常采用螺杆柱塞组合式注射单
6 y' N4 @* v% o* s) P5 z2 n- N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
) L7 _2 {" a7 e/ @  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
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
# R& A/ Y6 k- @; E  K/ x: {也不能用该模具来进行试验。为此，Webel等I41设
, h; }, z+ ^9 t% D- s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
% T# ?8 b/ I! ^, E1 v% V7 r精密注塑型腔，型腔的壁厚为2. 5-20 u m，顶角
; V4 E; p1 W1 \. u, Z半径为。. 3-5 u m，可用来模拟材料在型腔的一些
+ c6 Q6 j4 k2 K0 A; \! I1 B1 V5 h阶梯和顶角处的充模情况。表2为所研究的各种
不l司性能的热塑性工程塑料作为微型注塑材料的
8 ?: y5 z4 Q8 T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
2 r7 \/ A; G5 ?1 u$ \+ A; m/ q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、
; h6 h/ m* e/ a) D7 S部分结晶材料的相态结构、内应力等等。
+ f, U1 n- q- o3 ?& R2 i, b  研究发现能用于微型注塑的材料是粘度低、
# ^! O# m$ P3 }% a      
1 x* s6 ?* M- ]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
# t" m! v! x, H0 X利充满型腔，熔体温度也不会有明显的降低，否
- F6 y" C8 ]( R0 D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
择高粘度塑料，不仅充模较慢，而且补料时间较
! ~. r" C1 G  `7 G9 P  X0 V+ D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
  h' l& Z- [. {9 j9 W  n3 O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
, {! m# w: `: v/ T* m8 T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
  y0 ]% O7 m; Z螺杆剪切作用容易造成热降解，尤其是对热敏性
/ a( l! a# w. o# X5 N6 B+ y5 J  `5 ^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
. ^6 n/ s6 V5 N1 b/ K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
! f! N( X# y3 |! b( K, v  A中停留的物料，则年生产100万个制品其原料用
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
$ \, E/ T+ K  x4 c模具也会有很大的变化，因而，如果微型注塑制
, I* u' v7 R- d品没有特殊的性能要求，一般选用通用工程塑料
- G* \/ `( z+ j4 B8 j为微型注塑用原料。
3 r3 O8 x; Y' ?# O9 v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
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
) O' d% Z4 x/ F" k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
. y7 C7 G5 {8 V% o3 J% n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
$ ]. c) t' Z, l平整(表面粗糙度仅为几十个纳米)，用在微型电
9 C* {; W! e: @动机上可产生150uNm的扭矩。
. H( i, [7 E) O; U6、结语
8 o7 l( C6 L' d" {7 ~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
的微型注塑制品主要在光学通信、医学工程、汽
( A" w( s0 T+ f! Z& W9 W6 Q" h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
精度是决定制品能否大批量生产的决定因素，而
. E: t1 i) L2 r% f" l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
# L% C9 x, l% k7 d1 U注塑制品在光学通信领域必有较广泛的应用。如
* H% X2 C, z( ?  \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。
$ X$ N' X/ R0 S$ k' a5 N$ a7 G  (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
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
' ], g& f4 G" S* `可以被选择性的吸收。此外，微型的泵也可用微
# _" c# h) Y# m8 N3 B' Z型注塑进行成型，模具内嵌人一些刚性材料可以
$ t7 K6 H' S1 \5 F; R增强制品的刚度。微型万除了可用于医学工程
+ `" l5 ~1 b& O* [! b$ \/ B  微型注塑成型后的制品尺寸精度高，易实现
0 N7 V# n/ {6 H" T  ?% u6 o工业自动化生产，生产效率高，今后将成为微型
" H1 P3 `. M5 Q+ r9 v3 K, {  C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
  m! s- a( U; G/ t5 h9 k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。