微型注塑

icanyes

微型注塑一一工艺、模具及其应用
" o, D% J4 V. [" m# G6 O" f, o      
  近年来随着电子和微电子技术的发展，制品
- o( ^4 H+ x: l. q2 a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
  `) n8 z1 C, U: ~( w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
+ h- C& {7 Q5 g1 T. F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
+ U: _9 M5 T! Q塑制品和高精密注塑制品。其中微型注射模塑制
; c7 f! P/ a9 d% H  S# P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
! a- O- c8 z6 j& e+ _, p0 n规注塑制品的尺寸，但局部结构的尺寸达到微米
% b- R0 l% _  {! u0 G: E9 V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
, R$ r9 \& u1 k* S8 x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。
2、微型注塑用注射机〔‘一“7
8 f: @4 M. M5 ?& i, `  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
9 p# F6 g8 y+ M3 r" G7 B% n( k(如Bayer公司的Macrolon CD 2005)适用于微型
  J5 ^. z* M2 I1 K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
过于庞大，只有不到10%的物料真正用于微型注
, d$ P8 B* }3 s$ y  b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
求不高、尺寸较大的制品。
6 X' F2 l7 Z- E2 M  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
) `+ s7 o7 t% q# [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
: C7 X6 B$ f1 D0 H. D8 F  W/ r2 K3 f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
8 T  Z+ l/ z$ F, n6 V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
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
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
6 l2 @4 J& K( ?8 v+ }6 ]系统可保证微型精密注塑制品的成品率。
' D1 ^% i5 ~1 G7 P
  由于微型注塑成型的是质量为毫克级的制
/ j( }8 y! V  _* O: s) ^4 m品，如果采用普通浇注系统来注塑制品，即使是
2 g  S7 W- v% @0 e# ]) q% g# q. R: M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
3 U, B: v' ]3 `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
人口为止的这一段流道中的塑料始终处于熔融状
# m' D8 A$ H2 L  X0 q1 C! c态，开模时只需取出注塑制品，不必取出浇注系
( M4 |9 o8 h& y% z' t# Y2 F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
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
0 {- D2 v* l, |1 g/ h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
# d; s5 r7 E: D5 _+ [/ Y具宜采用针阀式喷嘴，在注射和保压阶段使喷嘴
( i/ m- L4 z6 N' Z$ |) l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
1 g5 R2 }9 Z' S温系统(见下文)。
" j9 q; z  Y7 [  T  因为微型注塑制品是薄壁、质量为毫克级的
" n6 l1 N. u. M9 N( C2 q6 J' _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
7 X/ B6 p) y6 n! o4 ]$ A2 H式，而应该采用自动抽真空将注塑制品从型腔中
吸出的气动脱模装置。在模具制造方面，由于微
- X1 o$ H0 K% c2 e型注塑制品主要用于精密仪器，其尺寸和精度要
5 i! u7 x9 k. q7 u( b0 i* O$ x' T7 N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
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)
+ n* Q3 T2 g$ m' H―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
  m! i) d6 E( e% F  H研制出一种新型的微型注塑模具。该模具有两个
0 P' V2 ]: n3 B动模，安装在可以旋转动模板上。开模后，动模
( M% |, E* y* o  a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
+ t- v% Y3 O( A$ r/ V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
. [  A2 q; {7 M  w这样改进后，微型注塑的循环时间可缩短至几
8 C8 A% O# E3 z+ a/ y! n  u秒。
  3.2工艺技术
  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
- w  y) f6 `: Z) V7 ?, p- N; ~料，模具的温度有不同的要求，同时为了尽可能
5 }# Q- b0 p2 ?缩短循环时间，必须对模具添加变温调节系统。
/ M9 {- O# D9 [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
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
9 _, {8 {( Q6 O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)
* K# i( J; H- g  |' g) W3 i6 J+ q部温度变化迅速以缩短循环时间。对于成型尺、J-
/ t( j: N  d$ u5 n1 G  n) Y为50、流程一与壁厚之比为160的制品，若用传
% H/ `/ n5 U" L* A% N* T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
; Q1 j5 P( Z+ U7 c/ f: I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
. o- ~' b6 q" O( o5 q4 T2 J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
2。的带有微结构的注塑制品。
  3.2.2注射单元的工艺参数’“}
2 b) X# I2 N$ n/ H  微型注塑成型的是薄壁、流程壁厚比较大的
1 I' W# H& |: @2 B5 M/ v制品，因而型腔和浇口需添加单独的变温调节一系
2 h8 l8 \5 w4 e# L统，否则在充模过程中熔体温度逐渐降低，容易
) }; Y& w+ C0 X  ^3 ?( P9 R造成充模不全，成型的注塑制品的内应力较大。
9 o4 `: u: f! [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
+ q" W0 ?1 @" ^, g/ ~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
0 Z) T4 f) R% B* I0 @- p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
" Y& _! E: _+ s- i4、微型注塑用塑料〔}, 41
8 z# t/ x; Q8 l6 `/ c/ Z$ I, P3 x  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
. t/ f4 m* y& P研究尺寸小于100 um的制品的可模塑性。尽管可
1 {# n! W8 C! A* v( C以充模，但制品的稳定性差，不容易脱模。并且
" ?( O5 L! \" {5 D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
, j2 s3 X# l! P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
精密注塑型腔，型腔的壁厚为2. 5-20 u m，顶角
3 b" N# J5 z: {& V7 S半径为。. 3-5 u m，可用来模拟材料在型腔的一些
7 L7 }4 H- I# w0 S. A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
: u( a# o# [/ F. P9 O适用性。除了考虑到工艺条件对制品的影响之
! V; I' e' s0 ?" s外，成型后的制品的精度也是材料选择的重要考
# x) b' t% s& A+ Z2 ~" Y5 ^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、
; b% s/ }+ e% z( o9 M3 b部分结晶材料的相态结构、内应力等等。
9 t* c) x/ V1 w  研究发现能用于微型注塑的材料是粘度低、
2 c$ Z  l/ G, {9 e$ W* L      
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
% {% Y' Q. b5 [5 ~系统的阻力小，这样充模速度快，能保证熔体顺
* ^, w" u$ g1 \  S5 q/ B4 m* J利充满型腔，熔体温度也不会有明显的降低，否
0 |' C+ b2 L6 D4 B0 N5 @; q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
! J. M* Z! f: W1 Z择高粘度塑料，不仅充模较慢，而且补料时间较
9 K2 {; K7 y2 y4 m  x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
" t4 F& b$ b. z7 t7 p% L  r" r剪切流动方向取向，在这样情况下冷却到软化点
4 k& P6 H7 j. l% n以下时取向状态被冻结，而这种在一定程度上的
5 t' A) s' m) l9 x/ N; p; j8 i冻结取向容易造成制品的内应力，甚至引起制品
9 }. n% A& i1 s+ p/ @" c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
( C  A1 k4 c9 i4 b5 B& ~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，
$ a1 O9 ^' _2 y! v9 r  B; `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
* Z- ]- z8 V1 [* v* J注射件的质量通常为0.001一1g，若不考虑热流道
6 B  v& i) u6 c: n6 Y* H. K! x中停留的物料，则年生产100万个制品其原料用
' B4 O+ c5 I1 P. m5 ~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
0 R8 s0 i* B- S/ j: N- a6 @- r. D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。
: J# S5 e8 `& J( s6 L外，也可用于需要精确计量液体用量的场合，如
$ r3 O+ i$ R8 q  a/ S4 z用于对精密仪器进行上油润滑场合。
! H4 \" @& y6 Y; ?+ 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
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
1 l- }9 E3 j! z# R% ], q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
it m，质量仅为。.008g，但其精度高、表面光滑
/ R- u0 g+ @! l' L/ R" [' }* o平整(表面粗糙度仅为几十个纳米)，用在微型电
* |. ~" e7 w' r% ^1 Y, F6 B# \动机上可产生150uNm的扭矩。
+ @, E( J% h5 c5 S( @8 e  [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
3 ~, [' R; {8 q; _3 [) y% V0 h1 f生了深远的变化。目前已商品化或极具发展潜力
7 ~% r$ D  ^; t, f的微型注塑制品主要在光学通信、医学工程、汽
- z+ L0 e; N" z% P. [1 t5 j# T  Z车和钟表的传感器和传动部件等领域。
# l4 l7 M  C( U' c  (1)在光学通信领域。单个部件的价格及其
2 h0 I+ h, ^- ]# h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
  X0 N  T; d+ _. S. H3 l注塑制品在光学通信领域必有较广泛的应用。如
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。
  (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
- F$ a4 w. {& _2 P5 G7 [; @8 W来替代以金属制成的制品，若不考虑其生产的经
0 m) N6 k. E9 m; d% I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
+ w. i" ]; r6 g8 z& s) G增强制品的刚度。微型万除了可用于医学工程
8 G1 R4 m( K: x; e7 I  微型注塑成型后的制品尺寸精度高，易实现
+ H: z# I2 m0 e( l( y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
: h. |1 S9 f7 i8 R5 C广，必将使那些掌握微型注塑技术的厂家在未来
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。