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微型注塑一一工艺、模具及其应用
5 P5 Z+ t( W2 X; I: N
V& z# s W% N. N; p/ G$ V 近年来随着电子和微电子技术的发展，制品1 `, C, k8 N+ k- O) B
和系统的微型化已成为新的研究方向。市场研究+ o. O# T: O* M. R
表明，到2002年微型部件和系统的市场占有量将
0 x) c0 ~$ H- B达到4。亿美元，尤其在汽车和电信领域将会有更
. b- I$ [1 \! L0 K- s! l" `大的发展，目前已商品化的微型注塑制品主要有
, \8 Y4 b" N- r% A# I0 B, D微型齿轮、微泵、硬盘的读写磁头、温度压力传
9 d0 V& C2 L) ^0 p- S# n感器、CD盘等[Il。广义的微型注塑制品可以分为
( a0 ^. t8 w# Q% C& T以下三类:微型注射模塑制品、带有微结构的注0 q5 h' t+ z; q. A
塑制品和高精密注塑制品。其中微型注射模塑制6 C: O# C, j, F- m7 L: M, L
品是指尺寸为微米级、质量为几毫克的注塑制4 @ v. y% @6 `" Z
品;带有微结构的注塑制品则指制品的尺寸为常
' Z- J/ \7 c% x: B" `规注塑制品的尺寸，但局部结构的尺寸达到微米$ T$ ?- l/ G1 [ y/ h4 N. C
级;而高精密注塑制品没有尺寸限制，但其尺寸4 g3 m% G# ?! e
公差为微米级。但通常所指的微型注塑(Nlicro-, Q2 x* W- o ?0 f/ B; E
Injection Moulding)一般是指用来成型尺寸为& [% F7 {+ y2 J% R( o, o
微米级、质量为毫克级的制品的注塑方法}2}。正
n/ g) h f7 ]是当今社会对微型部件和系统的日益重视，使得, l- r) C3 d! J
微型注塑技术在过去短短几年内便有了很大的发
; ~0 r& b3 X! X+ Q) }; T展。本文将对微型注塑技术的工艺、模具和应用& m$ ]6 `& {' m: U( ?! A1 A1 {
情况作扼要介绍。6 Q! m2 Y% @% K- x0 m' W
2、微型注塑用注射机〔‘一“7
% _ Z+ ?* o# r 现代普通注射机可以用于微型注塑。当注塑' @+ w) n* b! S* x- u5 q/ {( [2 @7 \
尺寸为微米级的微结构部件时，可选用小型的普
p' _8 H7 Q; D. k: ^通注射机。研究表明用来注塑CD片的普通注射机
% b, F! E( ^8 w% o(如Bayer公司的Macrolon CD 2005)适用于微型( l0 }* {* w% h3 a, D4 V% C
注塑，可用来注塑高度尺寸为50 um、流程与壁+ C5 o! B, J2 d1 C
厚之比为1的制品，并可获得较为理想的效果。/ J; B; G9 O/ V
但对大多数普通注射机而言，其计量装置的精度4 z: E0 j! u/ [ k
较低，成型后的注塑制品尺寸相差较大、精度较
! k! w- E" ^: K$ Z5 G k低。而且微型注塑制品的质量一般为1-30mg,与
9 j/ b) e( V6 K7 Q' U/ o) j此相比，普通注射机的主流道和分流道尺寸显得; f- x7 x2 ?/ R* w r) G, O0 A
过于庞大，只有不到10%的物料真正用于微型注
2 [- i( ?! @% L" k2 Y: v( Q7 E% U0 H塑，同时使得循环时间和物料用量与注塑制品的 M1 ~/ z9 p' ]( ]
尺寸无关。因此普通注射机主要用来注射精度要
4 ]8 `. W) e8 R' |( u& ~2 A, b求不高、尺寸较大的制品。" @& t( g% j" @
为此，国外厂家研制出许多微型注塑专用的- P/ ^7 O5 J) E K
注射机，表1列出了常用的微型注塑注射机及其! X4 L6 a7 L3 \
主要的参数，用户可根据制品注射量和浇注系统9 W4 O; B! v: ^7 ]& U) c
的类型来进行选择。当注塑尺一寸大小为几微米的
; _4 X& U1 C! _% Z# e微型注塑制品时，宜选用注射量为毫克级的注射2 R' u8 a, e0 ~5 j% u) u' b
机。这类注射机的注射单元一般采用螺杆―柱9 r/ F2 `+ x* x$ K, }7 q# }
塞组合式，由螺杆部分完成对物料的塑化，并由 \. K" i% R& K$ O8 D
柱塞将熔体注人到型腔。该类注射机中性能良好
8 I6 e* [6 ^- p: p( e# c的是Battenfeld公司研制的Microsystem 50。该2 \& V$ {: u) ?4 l
注射机由合模导向机构、注射系统、气动脱模机
( E X! \- [* |2 f构、质量检测机构和自动包装系统组成。采用自: c. p8 a5 i% s- F1 p/ H' }; N9 d
动抽真空将注塑制品从型腔中脱出的气动脱模可5 B& [" j6 U! s' ]% t) `* J8 T
微型注塑一一工艺、模具及其应用
7 }3 f% T4 p) a3 B( E8 L, I表1微型注塑用射机及其主要参数1 G$ p9 k; H( B
防止脱模时对注塑制品的破坏，而利用质量检测% s/ Z' b* v7 Q* P' c4 [" j
系统可保证微型精密注塑制品的成品率。1 K, Z+ Q6 {1 a/ y# m' J
# b! f! Y, Z5 ?0 A- }0 T. D 由于微型注塑成型的是质量为毫克级的制
7 g- U8 i* P* K0 A, E品，如果采用普通浇注系统来注塑制品，即使是
9 g( w, o, |% _! ^3 a在作了最优化改进后，制品和浇注系统内的物料
/ m) ?2 B1 f9 I6 N) R+ y4 I质量比仍为I:10。只有不到10%的物料被注塑成8 N" h& M) n: I5 e2 `
微型制品，产生大量浇注系统凝料，所以应采用3 l. ^( ?. i5 \& q. P1 R0 q0 y8 h
热流道浇注系统。此时，从注射机的喷嘴到型腔0 {4 z* {: Z* L9 Q' d/ C" ]1 _2 N) z
人口为止的这一段流道中的塑料始终处于熔融状6 j, P0 L& }0 H$ \8 g
态，开模时只需取出注塑制品，不必取出浇注系
# j' W3 ]- T! Z, [6 h1 o- t2 m统凝料，可缩短循环时间。通过使热流道的喷嘴* T) |% I# X3 {* o: K: [/ U/ m
尽可能靠近型腔，采用多型腔同时浇注成型，使4 ^( C# c+ D+ I O* H
物料的利用率大为提高，则制品和浇注系统内的
8 \: ~( j4 U4 j- w5 |3 X熔体的质量比减小至1:1，从而可避免物料热降
0 I& Y& q) V/ N, k+ a解。而且采用热流道浇注系统有利于压力的传
: g6 J9 z! V$ N- ?5 G递，在一定程度上避免了制品因供料不足而产生
( f# T6 a2 t- _9 E0 P凹陷、缩孔等缺陷。由于微型注塑所用的塑料的, B h/ m8 V! _# M4 B! P4 u* i- ?
熔融粘度很低，为避免出现流延现象，热流道模, p9 d- |0 B3 J6 O
具宜采用针阀式喷嘴，在注射和保压阶段使喷嘴, e/ v) H; r! B: K5 ?, O
处的针阀处于开启状态，而在保压结束后则将针
! a+ r2 n& b& K5 w阀关闭。此外，模具型腔和热流道应有单独的控
% `% d* Y! S7 x( o- z0 H温系统(见下文)。* [ K8 q) e7 L# f; f6 j) J$ h( \
因为微型注塑制品是薄壁、质量为毫克级的
- h/ W( g! d$ ?1 |& Z制品，在脱模方面，为确保制品在脱模时不发生
$ z/ g [# |7 o0 A# _/ P- T变形、影响制品的外观，不宜采用顶杆脱模方
0 r ?) {& s& }( O6 o) J% y( v2 x式，而应该采用自动抽真空将注塑制品从型腔中
% Z" ]$ T" y4 z' v) k& B. a吸出的气动脱模装置。在模具制造方面，由于微4 t8 _& a0 o, R3 S9 G# ]
型注塑制品主要用于精密仪器，其尺寸和精度要+ ~5 ?+ |. C$ k8 m, l' ?
求很高，因此微型注塑的型腔制造时应选择高精
7 \$ S5 }& B; {度的加工方法来进行加工。通常情况下选用电火
# W0 i9 Y" M( ?- Q花加工，但用电火花加工的型腔表面有较深的凹
# m# \0 |; X& n9 x坑，光洁度不高，使得注塑后的制品精度较低，
2 D8 H: V m' q- D' ~所以注塑高精密制品的型腔加工时应选用电火花
' v7 y( C& Y7 E7 c和LIGA(Lithography/Electroforming moulding)4 C3 u$ G7 z+ P- X I
―石印电子成型技术相结合的加工方法。
% F1 F/ v; ?1 I B* d 为了进一步缩短循环时间，Battenfeld公司
5 N6 M$ `- a/ m/ i" r1 T研制出一种新型的微型注塑模具。该模具有两个! }8 }0 M2 u _3 ?$ `6 H' N+ E
动模，安装在可以旋转动模板上。开模后，动模
6 } g! c3 J' |% S* N. i' c$ ?绕注射机工作轴旋转180“，离开注射机工作
1 v* `0 W: ~/ P4 A轴，而另一个动模则刚好处于闭模位置，闭模后( s. U' c8 F; V# L" y y* A H4 x
又可进行下一轮注射，在注射的同时，可对注射* U7 D$ z4 z2 \
机工作轴的那个动模进行脱模和质量检验。作了& Z' [5 ~( J m1 t/ @) F8 l
这样改进后，微型注塑的循环时间可缩短至几
* i `6 T. ~& X7 U9 ~* K秒。1 d6 [; l& Y8 y( o0 o/ W9 _0 e; i/ `
3.2工艺技术
$ d3 M- R, D! ^% [( o) n" J1 y9 ` 3?2.1模具温度I -al
# g+ B" B5 k9 J8 L9 {: r5 X 在微型注塑成型过程中，模具温度直接影响4 d) n! Y; g% e; ~7 W1 g1 l
到注塑制品的质量和生产效率。对于不同的塑$ U$ {# K9 D B
料，模具的温度有不同的要求，同时为了尽可能
2 \1 C& V1 k: w1 L! r' f: e缩短循环时间，必须对模具添加变温调节系统。9 o$ j, r3 a* M. u& _1 U
理想的模具变温调节系统是当充模时.模具温度
4 {1 M/ o+ [. r3 V足够高(超过所用塑料的熔点)，使得熔体能快速
+ }( h/ f7 ?* {1 p* K) f( J充满型腔，防止熔体在充模过程中温度降低过快
" V$ d1 @+ I! o& R; s: M而造成充模不全;而当脱模时，模具温度又能保. F. {8 U: w ~* u* Y5 Q: ^
持在比塑料热变形温度稍低的温度，并且模具内
- P/ r/ V3 I; [$ Y1 }# B. S《上海塑料》2002年3月第1期(总117期)5 o: @6 m& ~+ E: h% S' O" j, x
部温度变化迅速以缩短循环时间。对于成型尺、J-% T5 g W1 L5 W
为50、流程一与壁厚之比为160的制品，若用传
6 V i9 v8 G8 K& z6 h2 ?7 L( B统的油浴或水浴控温，循环时间一般为儿分钟，, W2 A% X- Y) p3 d
这很大程度上限制了微型注塑的经济性。采用模' \; \- v7 G7 h I; Y3 [ E
具变温调节系统则可明显缩短循环时间。如果采
1 N9 Z" n6 |6 a& `+ n% c$ U- `用只对微型型腔部分进行电加热和快速冷却、而 F/ B- N& @* q ~# G
整个模具温度始终保持在脱模温度，不仅可以减' E. ]0 e/ _7 }: k9 q$ G5 u' g' _
少模具重量，使得模具成本相对降低，而且_可将* K3 g6 R, {' [0 R/ G4 Y0 Q
循环时间缩短至15:左右。除了采用电加热方法& _ E4 S3 q$ A: i) g8 t
以外，还可采用电感式控温的变温调节系统可
4 J( t3 a) Z% a3 W6 H/ p用来注塑尺寸为2. }-20 a m、流程与壁厚之比为
" B; n c+ R6 J% F2。的带有微结构的注塑制品。
3 @* [4 r. }" B; g+ ~, L: F6 j% [ 3.2.2注射单元的工艺参数’“}' b) A$ V8 f4 u5 F
微型注塑成型的是薄壁、流程壁厚比较大的
9 q% {" Z0 k* a3 B' h+ @制品，因而型腔和浇口需添加单独的变温调节一系! s$ e: ~. d, [3 C6 h
统，否则在充模过程中熔体温度逐渐降低，容易
. P) v. L/ a$ _5 h' t) B$ t# T. I造成充模不全，成型的注塑制品的内应力较大。
5 i/ }& r4 `2 ] J添加变温调节系统后，注射时能保证熔体充模时
" m( a$ _6 o( n0 c: J/ A温度保持不变，熔体能快速充满型腔;而当冷却
! ^! l" }- C$ s5 v* ~0 e; x6 a0 J时，又能保证注塑制品的各部位同时凝固，不仅1 T6 {6 F% x( R# V7 U" y
提高了制品的质量，也缩短了循环时间。同时为. b* _* ~( ^) W6 G! `
了防止熔体的热降解，有必要减少熔体在高温下5 O: q8 L7 H0 L- _6 B% ]; m6 I. v
的停留时间，为此常采用螺杆柱塞组合式注射单
2 e4 c" ?' Q5 s' V元，螺杆直径为12-18mm，而柱塞的直径一般为( D- l* z% W& b+ c
4、微型注塑用塑料〔}, 41# Y5 k6 g4 z3 w! t) t
近年来对微型注塑用材料进行了较为系统的5 g, X2 y4 r3 m+ v! D2 ?( j
研究，研究发现，螺旋流动的试验模具不能用来. T$ u5 `: w& J4 q8 F4 P- B6 ~
研究尺寸小于100 um的制品的可模塑性。尽管可- g+ ~% f9 d/ K+ O# ^
以充模，但制品的稳定性差，不容易脱模。并且
; d' ^' y X* b材料不能用来重复生产局部尺寸小于lpm的制品
% D$ U/ g4 u/ m( X u% ]也不能用该模具来进行试验。为此，Webel等I41设
' R/ A0 O$ w0 U/ B计出能用来研究微型制品可模塑性的模具，其型6 L% x5 a8 k: W6 c
腔为采用X射线成像和电火花蚀刻技术加工的高3 l$ [ F: \3 {' X& U
精密注塑型腔，型腔的壁厚为2. 5-20 u m，顶角, i4 ], A! a) G; [( I9 ~$ o2 o
半径为。. 3-5 u m，可用来模拟材料在型腔的一些( S+ s) e- x( ~7 w" {: p
阶梯和顶角处的充模情况。表2为所研究的各种
. N. O P% o/ |4 N7 h& N" t( K不l司性能的热塑性工程塑料作为微型注塑材料的 u4 a- U( t5 P, m
适用性。除了考虑到工艺条件对制品的影响之$ {4 i" E# [. M6 e# s
外，成型后的制品的精度也是材料选择的重要考; M7 W2 O( L2 o8 A: z7 r. ]
虑因素，制品的精度不仅指单个制品生产的重复+ X7 ~. v" {5 L" t6 U
性，也指制品收缩和翘曲的趋势、表面均吉度、
( i" K# g$ ` f' c$ D5 u部分结晶材料的相态结构、内应力等等。- f2 ?8 Z4 e" U" j9 | ^8 f
研究发现能用于微型注塑的材料是粘度低、
7 B# F( H: A, o; D . o" }' d7 D( z7 R
热稳定性好的通用工程塑料。选择低粘度的工程
" ]3 q. N- s8 T1 g4 a塑料是因为在充模过程中，熔体的粘度低，浇注% [6 }. t' g' @4 k. g% H
系统的阻力小，这样充模速度快，能保证熔体顺
$ b& o3 g' }$ Z. b利充满型腔，熔体温度也不会有明显的降低，否
$ g: j9 t- i' C/ c( s# I5 h则在制品上容易形成冷接缝，而且在充模过程中( p( w4 {0 r9 y+ X/ K/ |8 t8 P8 H! ~9 `
分子取向少，所得制品的性能比较均匀。如果选
" `1 i% P% `" o择高粘度塑料，不仅充模较慢，而且补料时间较1 m) b1 X4 _5 E: q2 v
长，由于补料引起的剪切流动容易使链状分子沿
% S$ s1 x: D, {: f. X微型注塑一一工艺、模具及其应用3 i( v& d; X4 s' e- Y* H7 W B
剪切流动方向取向，在这样情况下冷却到软化点! o$ f; V9 R- |- r) J2 P( t: X2 n- Q
以下时取向状态被冻结，而这种在一定程度上的' K9 q; J4 k! o
冻结取向容易造成制品的内应力，甚至引起制品
- P( ?2 X6 Y. L3 D3 p5 G' {' j的应力开裂或翘曲变形。要求塑料的热稳定性好* z, X4 k8 N& o( ~* G" x5 K
的理由则是由于物料长时间停留在热流道内或受: n# C' X! v6 b) T9 ^( Z& s5 T
螺杆剪切作用容易造成热降解，尤其是对热敏性9 b0 ^! R( ?( c- p% C
塑料，即使在很短的循环时间内，也会因为物料* x0 F% F, {4 |( Q' x, \
注射量小，在浇注系统内的停留时间相对较长，
( G$ }2 e3 ?7 t造成塑料相当程度的降解，因此热敏性塑料不适$ ]8 Q# D* z% R2 C( i1 X, O6 e) @
合微型注塑。当然，从经济角度考虑，每个微型
5 q b8 p! n2 Y5 d0 o) @注射件的质量通常为0.001一1g，若不考虑热流道4 a6 c8 p9 c7 H$ {0 m# C" [( {
中停留的物料，则年生产100万个制品其原料用
2 N. B1 |' u3 R. t量也不会超过1吨，而且选用新型的工程塑料和, k2 Y" q9 v: j! x3 b. C. |
高级塑料，不仅使原料成本大为增加，微型注塑" G2 S' u5 P9 ]% v
模具也会有很大的变化，因而，如果微型注塑制$ `( [1 y G+ U
品没有特殊的性能要求，一般选用通用工程塑料8 Z3 Q" o7 F4 w W$ N# L- [8 ^. P" D
为微型注塑用原料。
# G+ h {$ E$ ]6 m外，也可用于需要精确计量液体用量的场合，如/ V# u# H( R: f8 h4 U3 q3 b1 r
用于对精密仪器进行上油润滑场合。' _7 D2 }: j: {5 G9 T2 H
(3)传感器和传动部件。在这个领域，微型
v2 a5 d3 l5 o% {注塑制品同样有了较大的发展。小型的注塑制品; R8 r1 B, |2 V! \) E# l: a/ h
可用于测量吸光指数和折光指数的传感器、测定
5 V" c i9 n! M+ d- N2 q液体流动速率的传感器、压力和温度传感器等5 x$ h# ?1 |* a& D" y) n
等。用微型注塑成型的微型齿轮用在微型电动机7 {' q e$ }6 F
上可以增加扭矩，例如用聚甲醛(POM)借助LlGA
. ?7 u0 d) n) b4 R技术生产的微型齿轮，该注塑制品的尺寸小于50
0 o! @6 t" n W8 r0 mit m，质量仅为。.008g，但其精度高、表面光滑
: L- h l7 H6 K# i) L. f. s5 [. M4 Q# F平整(表面粗糙度仅为几十个纳米)，用在微型电0 ^& B3 j6 [4 N; U6 y
动机上可产生150uNm的扭矩。& S" s6 X0 w3 m+ g1 k/ k- h* i% c
6、结语) A! n! W) m0 @2 E
5、应用[41
' k& g. I, j5 j5 O3 f/ U 微型注塑技术的出现使得微型制品的生产发
% o7 y; k& V& X4 `; x生了深远的变化。目前已商品化或极具发展潜力 U7 ?9 u/ N3 |% A, Q, P6 c r0 Q
的微型注塑制品主要在光学通信、医学工程、汽
: \" J: L( K8 a0 v车和钟表的传感器和传动部件等领域。
d7 B: n# F E8 {& k: Z (1)在光学通信领域。单个部件的价格及其
1 a0 R$ B0 B6 q- \8 n精度是决定制品能否大批量生产的决定因素，而) |4 L/ Y( k2 b% A8 d5 c. }
微型注塑制品的尺寸达到微米级、精度高，其价
8 g* q8 D) f7 a& Z格与传统部件的价格相比要低，这使得将来微型
8 Y$ q. Y& \7 D7 G注塑制品在光学通信领域必有较广泛的应用。如
. Z: m+ G# O3 O6 A% [1 [; ^7 t用微型注塑成型的连接光纤拔插式连接器，不仅
1 Z- l! G+ {* I8 B# i0 |可以连接光导纤维，也可用作发送和接收部件。
4 q0 C/ J4 t' i& h5 _' q (2)医学工程领域。目前在医学工程方面的( `! \- q: @$ M' u( X1 F( i( a
进行的研究是用自吸收的聚合物来注塑微型制品 D- L7 @, a9 s/ z0 y# ]" U$ {
来替代以金属制成的制品，若不考虑其生产的经& G; ^8 M& S* s7 g5 \1 V
济性，选用这类聚合物的一个显著优点是在体内* u' d: e. A2 B# c: V2 Q9 L4 J
可以被选择性的吸收。此外，微型的泵也可用微
) I! V8 p4 @/ y. F型注塑进行成型，模具内嵌人一些刚性材料可以
! @1 E- b' b! v增强制品的刚度。微型万除了可用于医学工程% Q1 L6 n8 W5 M$ |/ d
微型注塑成型后的制品尺寸精度高，易实现: P1 d& P/ p; Q- p- j
工业自动化生产，生产效率高，今后将成为微型! Y& x0 B: a s, i l
制品成型的重要方法。微型部件和系统的逐步推
& Z. G+ {% x5 `# j; p6 D8 L7 X广，必将使那些掌握微型注塑技术的厂家在未来% G0 {& k# |% F; _
的激烈竞争中处于明显的优势。因此，国内的研
- l- ?1 Z9 x& s) j1 w3 O/ \8 k究所和厂家应尽早开展该方面的研究工作。 |
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发表于 2006-12-20 17:42:30