微型注塑

icanyes

微型注塑一一工艺、模具及其应用
8 f% ?' m9 s: ?3 v1 r( A: b      
7 i0 J3 c/ j5 h+ n/ I" E% X  近年来随着电子和微电子技术的发展，制品
/ R2 i) M( {  ~* |和系统的微型化已成为新的研究方向。市场研究
3 M: o4 z( U# Y7 I, d8 g7 D表明，到2002年微型部件和系统的市场占有量将
2 s" [7 n" a* Q达到4。亿美元，尤其在汽车和电信领域将会有更
1 q  q3 d' l4 h* c3 ^& V* ?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
4 K- G: h5 ^( M/ y2 n1 d感器、CD盘等[Il。广义的微型注塑制品可以分为
3 I+ v  B7 e1 f( u- f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
规注塑制品的尺寸，但局部结构的尺寸达到微米
5 m$ Y. y; r2 W( v- ]8 @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-
+ m$ m0 _/ W  \4 uInjection 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
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
) O* m  E, q8 i0 I3 ]$ w; I* {6 N情况作扼要介绍。
  b0 m% |5 X& b0 @+ |1 k2、微型注塑用注射机〔‘一“7
1 N5 Y2 j8 U( J6 a  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
$ N, [5 @; ~) _; b5 `(如Bayer公司的Macrolon CD 2005)适用于微型
, X) Z5 o7 K+ `3 p; Q# S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。
, X8 V  ]% ?1 A) t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
5 J, A) L5 R% P5 V: d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
5 c8 L9 d) t$ @) t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
' [$ a8 m( h3 }1 H* E的类型来进行选择。当注塑尺一寸大小为几微米的
2 K9 A$ a$ c; G% p7 M* _微型注塑制品时，宜选用注射量为毫克级的注射
6 `3 p% M! F) M: T) L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
1 W# U- t: F1 p, O  N构、质量检测机构和自动包装系统组成。采用自
. l7 M9 J2 x0 b$ `动抽真空将注塑制品从型腔中脱出的气动脱模可
4 A. p; ^+ l6 O& Z微型注塑一一工艺、模具及其应用
/ @* |4 s/ ?* Z0 D+ [# v) U+ n表1微型注塑用射机及其主要参数
1 l% u" ~/ ?' k防止脱模时对注塑制品的破坏，而利用质量检测
( k1 L5 r2 S# c3 L系统可保证微型精密注塑制品的成品率。
# T8 a/ A. S3 W8 W
  由于微型注塑成型的是质量为毫克级的制
, h; z$ n  d" O2 Y  j品，如果采用普通浇注系统来注塑制品，即使是
+ n5 B4 R- ^9 d  P在作了最优化改进后，制品和浇注系统内的物料
( X& [- L5 H$ B4 o  c; `质量比仍为I:10。只有不到10%的物料被注塑成
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
6 ^6 p# E" {6 F$ s  n5 Q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
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
1 ?. c' Z8 w2 i0 {- F凹陷、缩孔等缺陷。由于微型注塑所用的塑料的
7 i( P" E8 f) t5 E熔融粘度很低，为避免出现流延现象，热流道模
& x* j8 l2 g0 Y0 ?2 j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
& @! s/ ]. F( ^  g: a阀关闭。此外，模具型腔和热流道应有单独的控
( P6 }  p) ?5 b3 i温系统(见下文)。
) Q- \+ O% K$ `; A) I( i( i# I" A  因为微型注塑制品是薄壁、质量为毫克级的
: j, x  n' c6 j) B制品，在脱模方面，为确保制品在脱模时不发生
3 S! f$ H  P6 x& Y8 M$ L8 {7 f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
吸出的气动脱模装置。在模具制造方面，由于微
' U# n5 i0 ^( @( s, K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
度的加工方法来进行加工。通常情况下选用电火
& t1 [; k+ o4 t6 e( R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)
+ R4 j* U2 k( B( U6 `. u5 j―石印电子成型技术相结合的加工方法。
' a- M- N/ m9 J( p. M$ A  为了进一步缩短循环时间，Battenfeld公司
7 {: S! ~) o: Y& ?. e6 _研制出一种新型的微型注塑模具。该模具有两个
动模，安装在可以旋转动模板上。开模后，动模
绕注射机工作轴旋转180“，离开注射机工作
8 U; d5 Z) |# x  r轴，而另一个动模则刚好处于闭模位置，闭模后
; `) O  S% r$ D$ L4 T又可进行下一轮注射，在注射的同时，可对注射
6 X( J" f7 G8 n- h/ @2 \' e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
# Q5 ?2 \$ X: [6 v, v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
料，模具的温度有不同的要求，同时为了尽可能
1 \& _# Y1 z) w* i  u缩短循环时间，必须对模具添加变温调节系统。
0 x( D& V9 O& v! G+ X理想的模具变温调节系统是当充模时.模具温度
! a* j1 y) x8 L0 F! b6 N6 @' i足够高(超过所用塑料的熔点)，使得熔体能快速
9 B$ f# T  z( \. a4 j! @充满型腔，防止熔体在充模过程中温度降低过快
7 O" \& L* v" d& ?而造成充模不全;而当脱模时，模具温度又能保
/ k; }9 L: [. C( @* [9 {: d7 J持在比塑料热变形温度稍低的温度，并且模具内
( a" w) ~& R6 t1 M. G5 e《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
1 P( a( ^$ P$ j$ Q; y: g% k" ?+ ^统的油浴或水浴控温，循环时间一般为儿分钟，
7 q- Q$ j0 Z7 \! H2 X) l' r6 V- k5 [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
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
$ H" p; S; D. f2 U: c7 @& @: J以外，还可采用电感式控温的变温调节系统可
5 l$ X" ]: N; T用来注塑尺寸为2. }-20 a m、流程与壁厚之比为
5 C$ {. O" L2 @3 e0 v2。的带有微结构的注塑制品。
  3.2.2注射单元的工艺参数’“}
5 U3 q, H) a' G5 h  微型注塑成型的是薄壁、流程壁厚比较大的
5 R- B* h8 t  z% S- d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
造成充模不全，成型的注塑制品的内应力较大。
) s8 r: H' Z8 ~添加变温调节系统后，注射时能保证熔体充模时
8 i0 d2 N5 {1 D6 P$ U6 S( J% V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
9 L2 k$ @( R- y2 e- @' A提高了制品的质量，也缩短了循环时间。同时为
7 L2 V. B$ J, w" _! N了防止熔体的热降解，有必要减少熔体在高温下
; ^5 x: O: U. a$ l* {的停留时间，为此常采用螺杆柱塞组合式注射单
' |( y" a. R. o& k2 r7 I/ m元，螺杆直径为12-18mm，而柱塞的直径一般为
' U3 e. U. v' M5 \4 M. i4、微型注塑用塑料〔}, 41
  L5 m) t$ W- A; |  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
也不能用该模具来进行试验。为此，Webel等I41设
' l3 h2 K  Q$ G5 `9 h1 H0 D+ y计出能用来研究微型制品可模塑性的模具，其型
6 |) v% f3 ?& t% d# L腔为采用X射线成像和电火花蚀刻技术加工的高
/ p% P$ c; k; D% g精密注塑型腔，型腔的壁厚为2. 5-20 u m，顶角
' u5 o8 ?7 \5 [4 @( X: E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
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
1 C9 c7 Q) w0 l, q虑因素，制品的精度不仅指单个制品生产的重复
3 k' R# o; Y" H  o性，也指制品收缩和翘曲的趋势、表面均吉度、
2 l& D* ^# S' r% M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、
      
5 s5 T6 h( _* e- V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- k2 f8 I- |" l9 `- I& b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
. {! U5 Y  h& J( r7 O: v0 S/ k则在制品上容易形成冷接缝，而且在充模过程中
/ F' g$ ?1 ]! I3 u# X9 e& I分子取向少，所得制品的性能比较均匀。如果选
. f( G5 A9 b7 D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
4 S0 w. X0 A) W$ ~0 i. D4 `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
! O6 V8 m" ~& w, O6 c+ r/ [' t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
& i9 E) ]- F8 g8 ~, I& [8 M! s2 b: o的应力开裂或翘曲变形。要求塑料的热稳定性好
" _* s# r* @6 R9 K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
! e& _& ~# W9 D+ ^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
! |2 M1 m+ d" T# ^2 y' Z, H合微型注塑。当然，从经济角度考虑，每个微型
" Y$ G6 a3 p- |7 y; L6 V2 O8 s注射件的质量通常为0.001一1g，若不考虑热流道
$ h- E4 j/ B' s3 w5 `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% W  x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
% I4 o5 S; E) e* a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。
& o4 }5 {8 o7 {5 V5 m7 W, K! ]外，也可用于需要精确计量液体用量的场合，如
. D2 n7 m$ y7 c" V2 w* B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
2 R4 q0 f+ e7 z5 m/ E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
等。用微型注塑成型的微型齿轮用在微型电动机
+ I2 l. m: o$ }% f4 m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
6 ?* P9 A+ e- j; x# ?0 r$ D4 C5 ]it m，质量仅为。.008g，但其精度高、表面光滑
平整(表面粗糙度仅为几十个纳米)，用在微型电
# t* _, B# [7 j) B! D8 |2 O动机上可产生150uNm的扭矩。
% I& |+ j# }9 V0 X, z( z! V6、结语
* i4 S. U  W5 i1 }" L! Y; r5、应用[41
) q3 s/ W: q7 H. _  微型注塑技术的出现使得微型制品的生产发
. k% C7 s/ m+ @- `/ q生了深远的变化。目前已商品化或极具发展潜力
, [; v9 z2 i4 \$ g* o7 a$ B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
4 Y1 q3 }6 ?/ C+ J) s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
; U& m+ y+ o7 j( X格与传统部件的价格相比要低，这使得将来微型
; `, r7 j' X' O, ?7 Z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
4 O' s% H$ B. h) r可以连接光导纤维，也可用作发送和接收部件。
" {- ?0 m( ?( `' U9 B  (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
$ W' l1 b0 F3 w; K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
) i5 g$ H1 o4 f增强制品的刚度。微型万除了可用于医学工程
2 M$ n! z& O' N% K8 k  微型注塑成型后的制品尺寸精度高，易实现
4 ?+ t  @, f0 K$ }' H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
广，必将使那些掌握微型注塑技术的厂家在未来
4 ?4 S+ u/ f1 L# T8 z! x( C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。