微型注塑

icanyes

微型注塑一一工艺、模具及其应用
) X- q  \, K1 r* w4 {# M      
- B" d( p6 u5 T1 K2 `/ e# E  近年来随着电子和微电子技术的发展，制品
+ l# U1 {0 d8 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
达到4。亿美元，尤其在汽车和电信领域将会有更
( q, Q3 L$ ^* J* P大的发展，目前已商品化的微型注塑制品主要有
+ A# ^+ a1 t5 R1 S3 z微型齿轮、微泵、硬盘的读写磁头、温度压力传
- O$ a) Y  ~' k( [$ M9 o; k: j2 K/ X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
9 @- X2 I9 t. X; m; }) M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
8 N1 P/ ]8 U( U8 V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
! g  K- c- ]8 \* Q级;而高精密注塑制品没有尺寸限制，但其尺寸
/ w5 x- e) h# A6 j& p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
& W8 `8 T1 Y0 o' S4 @  B" z- @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
$ W; H2 `/ V: w# @; Z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。
( x( ?1 t* k# o7 w3 u: ~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
尺寸为微米级的微结构部件时，可选用小型的普
; [# [' n$ t6 T4 {8 f, F, }8 L通注射机。研究表明用来注塑CD片的普通注射机
- Y; u  i% t& L( M: p(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。
( Q, X1 R& M* r但对大多数普通注射机而言，其计量装置的精度
" p0 r- g- m/ c& Q6 p+ V2 i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
4 W% |& j& r4 w7 G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
尺寸无关。因此普通注射机主要用来注射精度要
$ }# ?2 k1 s7 x! E! W求不高、尺寸较大的制品。
4 @- q3 |5 I4 u% w  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
' i( ?* M# e* D, f& g主要的参数，用户可根据制品注射量和浇注系统
8 ]9 l* i. f. m- Y! x的类型来进行选择。当注塑尺一寸大小为几微米的
+ b$ w" T7 ]% N微型注塑制品时，宜选用注射量为毫克级的注射
% i: \/ @! L- I. l$ U8 Q+ [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
0 X( h  w( y' u柱塞将熔体注人到型腔。该类注射机中性能良好
& h' r& x! |' K0 o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
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
& i7 f- Z, P$ }9 A) r" t2 F% D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
- V' w5 G( p0 a( ]6 `4 t# l& C系统可保证微型精密注塑制品的成品率。
( a+ T* l$ E4 |$ t# M
/ i8 h, `( w0 R8 P; H) J4 I  |$ n  由于微型注塑成型的是质量为毫克级的制
) `. \, _* `9 ^3 ~4 Y7 c品，如果采用普通浇注系统来注塑制品，即使是
% d1 U5 D. J3 I在作了最优化改进后，制品和浇注系统内的物料
+ L# |% |4 ]+ g6 U4 s5 C质量比仍为I:10。只有不到10%的物料被注塑成
, d* O# A8 o/ _) p0 W0 i1 m( V2 r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
* N( T- q+ X1 @, i7 K  b  V人口为止的这一段流道中的塑料始终处于熔融状
; _4 e$ A8 P' F0 H4 `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
" |3 a4 L& Q$ i尽可能靠近型腔，采用多型腔同时浇注成型，使
6 d: k: B5 O, A' c8 j. t0 Q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
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
) w6 ^. B4 w3 z2 a( E凹陷、缩孔等缺陷。由于微型注塑所用的塑料的
. g  o# t% J. _1 K5 k* C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
温系统(见下文)。
/ M+ s- h* a) M  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
变形、影响制品的外观，不宜采用顶杆脱模方
) B' t1 y! G+ G5 p; W% h1 s式，而应该采用自动抽真空将注塑制品从型腔中
) E* }  m/ B. X" H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
2 ]. f6 }2 f+ L9 I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)
* O7 D% q! S) ~  v; H- [―石印电子成型技术相结合的加工方法。
& W, ?$ a9 y( K  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
. s( t2 U+ ^2 Z) C. Q' k6 B动模，安装在可以旋转动模板上。开模后，动模
- ^9 \, o: L  l# K1 x绕注射机工作轴旋转180“，离开注射机工作
  i: W& `# |) f9 z. g+ W9 o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
机工作轴的那个动模进行脱模和质量检验。作了
4 ?/ E( E8 g! G, x* L$ m这样改进后，微型注塑的循环时间可缩短至几
秒。
  P$ W1 Y2 h" t% O  3.2工艺技术
) y- x# P* Y2 H0 A  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
0 n" @- N' @9 v9 E) ?% h& Q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
! X- `$ `$ z7 ~: b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
, O0 N" o4 ^5 ?; i充满型腔，防止熔体在充模过程中温度降低过快
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
7 O) W9 k  F3 [6 I- Q《上海塑料》2002年3月第1期(总117期)
# r: y/ `7 b! T# ?" p) L1 ~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，
" ^7 S* B! w! N# t这很大程度上限制了微型注塑的经济性。采用模
& z1 ^+ d7 L% S- Q" G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
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
4 I+ S5 b% Y& p: A8 Z& e& }. |+ U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
' N3 j1 P) D( b) _) c# x2。的带有微结构的注塑制品。
  3.2.2注射单元的工艺参数’“}
% B1 T4 X. [5 C& b" @  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
' O1 a- [7 }# V# |: H* v/ H  i* j. n统，否则在充模过程中熔体温度逐渐降低，容易
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
1 U0 p3 g, H1 r3 X% ~& u5 y3 @时，又能保证注塑制品的各部位同时凝固，不仅
+ x4 N. j" E$ I; C! m/ m: W提高了制品的质量，也缩短了循环时间。同时为
9 E' e6 h1 ~8 f, g! D! v( S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
  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
& j- e+ L. n! x5 v. X研究尺寸小于100 um的制品的可模塑性。尽管可
, `8 ^$ V: b6 G$ G4 b以充模，但制品的稳定性差，不容易脱模。并且
- ^9 z; O2 E% K6 ?% q* x) K# b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
计出能用来研究微型制品可模塑性的模具，其型
8 r, N7 w1 X% V: q% i8 d1 V6 o腔为采用X射线成像和电火花蚀刻技术加工的高
精密注塑型腔，型腔的壁厚为2. 5-20 u m，顶角
6 n; Q, F- L! K3 i' @. ?半径为。. 3-5 u m，可用来模拟材料在型腔的一些
# S) j& h7 T( M6 F$ |. o( J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
! v  |2 z* x8 E  U4 p- T适用性。除了考虑到工艺条件对制品的影响之
2 f! t) x& \$ d) f* \+ [8 n6 H1 I0 i外，成型后的制品的精度也是材料选择的重要考
2 h+ N5 M% {3 W. j虑因素，制品的精度不仅指单个制品生产的重复
2 V3 i" z5 @4 w" H  i7 ?性，也指制品收缩和翘曲的趋势、表面均吉度、
/ m, E- Y& |% K  o部分结晶材料的相态结构、内应力等等。
6 Y; o! A, S: X. H5 A  研究发现能用于微型注塑的材料是粘度低、
( q! \8 W# M; P0 E5 L# I8 W      
) U/ _, O+ 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
/ h/ i+ N9 k+ K. G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
. F3 u; y" H8 c2 W0 p* k分子取向少，所得制品的性能比较均匀。如果选
( A; _* ]8 B- ^* ?% O7 f, Y: o择高粘度塑料，不仅充模较慢，而且补料时间较
7 C/ o: x% |0 S7 S2 q( ]; X% t长，由于补料引起的剪切流动容易使链状分子沿
1 P- {- w- E3 d* U7 y) E微型注塑一一工艺、模具及其应用
. `: }! {! v& |) B8 g" Z" b剪切流动方向取向，在这样情况下冷却到软化点
9 _8 S% q, p2 a* P$ i3 o  E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
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，
- P2 G# b' d" E+ d& m) t4 f: K4 t造成塑料相当程度的降解，因此热敏性塑料不适
. u( E# Y. a- S" B- }" R6 S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
1 D3 i) c* J' Y, W1 f) H, Y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
# s. A+ k6 C7 ?; S% Z1 X$ v2 q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
+ j# J8 M4 \$ P8 Y3 V  g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。
& k1 |% J/ n4 [外，也可用于需要精确计量液体用量的场合，如
. M- [7 n3 @4 u9 N, O" y. d用于对精密仪器进行上油润滑场合。
% R7 r  C2 e1 K9 s9 a* U  (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
9 I( c  Y7 K$ K0 ~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
技术生产的微型齿轮，该注塑制品的尺寸小于50
, {- Y$ c+ i7 }! M7 k: qit m，质量仅为。.008g，但其精度高、表面光滑
9 J7 T9 }2 H: g( f$ U0 ^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。
4 J3 v* G' f# G3 C# P0 z$ [6、结语
6 x$ F$ t& K! c' m4 b( ~, j5、应用[41
5 u0 e1 T& {9 ~: ?8 ]7 L  Y  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
( ]2 G: b: J! s! F; r  _8 z( D. X的微型注塑制品主要在光学通信、医学工程、汽
% ~" D9 V7 G. b3 w, ~+ r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
5 Y' O" I3 u- V! G- l0 c( V精度是决定制品能否大批量生产的决定因素，而
# i- ?1 T; _. }& ~; X: A5 r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
2 J5 g9 c$ ^& _$ T0 ~注塑制品在光学通信领域必有较广泛的应用。如
. B2 w0 h& f- u3 m6 B- ~7 V用微型注塑成型的连接光纤拔插式连接器，不仅
& y) d) C! O# T' }可以连接光导纤维，也可用作发送和接收部件。
* w0 \+ m3 g& e7 a  (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
: D1 w! }/ j5 y1 Z8 T4 Z, |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
: o' f8 a9 q9 _6 k, U6 R增强制品的刚度。微型万除了可用于医学工程
/ Y2 s( l4 z6 _  [, V4 z! y  微型注塑成型后的制品尺寸精度高，易实现
+ i* \6 u5 A) ]. w; [. e工业自动化生产，生产效率高，今后将成为微型
* b4 Y; H: g. ~! |  R9 b( L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
+ d+ E' r3 Q% A# H" E的激烈竞争中处于明显的优势。因此，国内的研
) P1 m+ C* o) l# e究所和厂家应尽早开展该方面的研究工作。