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
7 d0 j& p; f+ K表明，到2002年微型部件和系统的市场占有量将
$ {- L! `0 u* a( b" |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
, s* @6 f# x, {) L" s% _6 @3 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
# O% [2 ^2 F) r' Z* c7 Y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
8 T: l. Z# _: f% ~5 B) {% n品;带有微结构的注塑制品则指制品的尺寸为常
* k: d# M% M) Y* @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
6 k: C6 H" M9 X2 X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
4 ^+ ?+ G- M; H4 ^3 V3 D! @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
, l& q5 \9 L& Z6 F8 Q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。
) m' u0 r. Y- Z+ u  z/ y& K2、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
7 r8 r& `* b4 b6 a& N  Y  W尺寸为微米级的微结构部件时，可选用小型的普
, {4 o& l; y0 s2 A# j0 ~8 [通注射机。研究表明用来注塑CD片的普通注射机
/ J6 ^$ O/ ]0 s& O' ?- z" m" {: H" T(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
+ T, ]+ m) d5 z; {) R8 L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
! I; i3 g  ^+ K  ~: k  \较低，成型后的注塑制品尺寸相差较大、精度较
/ W8 U" \3 E$ `. E/ Y1 X5 m; ]低。而且微型注塑制品的质量一般为1-30mg,与
* F0 H: ^# K; \1 E( X此相比，普通注射机的主流道和分流道尺寸显得
, H* T( `5 q: f; V! x0 ]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
4 q* R9 ?- z  }& n# v; t. p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。
8 G2 c% ?6 ~, j( J7 e4 k8 I# F  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
' U2 x, i. C5 c% X$ N: \% ~( O, J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
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
6 x9 J8 m# Q0 _: k5 M: q; V柱塞将熔体注人到型腔。该类注射机中性能良好
2 F5 b8 A7 n+ Y4 k/ y7 J& e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
系统可保证微型精密注塑制品的成品率。
. b1 J; Q- U1 V5 I" N- s
8 {% W; t( y/ H7 ?  由于微型注塑成型的是质量为毫克级的制
2 c: Y: u. C) g; h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
1 Z& I- ~8 x- Z3 v质量比仍为I:10。只有不到10%的物料被注塑成
* c* L0 I& N6 r8 S5 P微型制品，产生大量浇注系统凝料，所以应采用
! N- Q, w, b7 o" \2 d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
! T9 S1 ?. i  D( Z) s& |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
$ X8 M2 b6 \. @3 r8 Q- P, N# C- `( G# r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
! E; r3 C* B, ?. a9 K解。而且采用热流道浇注系统有利于压力的传
# K* p  ~- e$ s; S$ v递，在一定程度上避免了制品因供料不足而产生
% z% h8 W  D- A; O, ~! L" a. L凹陷、缩孔等缺陷。由于微型注塑所用的塑料的
0 d: u- s8 y7 k* J. G  k  g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
- f: B2 ?- z5 X3 C" ]$ u9 Z  ~, {处的针阀处于开启状态，而在保压结束后则将针
- g+ x5 J* {/ p# T$ k阀关闭。此外，模具型腔和热流道应有单独的控
4 |+ z) a0 q* x; D温系统(见下文)。
  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
5 p; \& T: o, D变形、影响制品的外观，不宜采用顶杆脱模方
8 A( L0 n# O2 T2 b7 ]9 V+ v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
型注塑制品主要用于精密仪器，其尺寸和精度要
; J; W, ]- T) c% f4 k' e$ L8 t: j求很高，因此微型注塑的型腔制造时应选择高精
" x; Y- f8 {2 Q9 S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
1 Y( l; c8 y$ l9 l# L1 u( s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
( \: o) k- k. L2 X: Y' J和LIGA(Lithography/Electroforming moulding)
9 X! I9 G6 o  C& j+ t―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
1 n; y3 f3 ?& S+ M研制出一种新型的微型注塑模具。该模具有两个
9 b- W. l9 ?3 y( H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
轴，而另一个动模则刚好处于闭模位置，闭模后
2 N" _/ P1 b2 f/ Q9 W/ O% _又可进行下一轮注射，在注射的同时，可对注射
0 A7 d/ L8 ]4 A2 F" H1 m0 ]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
2 L" @% F4 r6 @秒。
  3.2工艺技术
  3?2.1模具温度I -al
8 f' C, s3 C" U3 N9 s, q  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
% X" b. a" x3 J* W* _1 b0 s1 Y料，模具的温度有不同的要求，同时为了尽可能
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
6 d  x% N- v6 ^$ T* |- u足够高(超过所用塑料的熔点)，使得熔体能快速
& x2 g& m6 c+ D. O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
4 v2 A1 |2 w# r& R3 S6 D持在比塑料热变形温度稍低的温度，并且模具内
) l/ K) N! h$ N( f+ Z《上海塑料》2002年3月第1期(总117期)
* e( |$ a+ R6 ~" k. ]) \% m% C. u部温度变化迅速以缩短循环时间。对于成型尺、J-
. o/ x8 R; M* F! R为50、流程一与壁厚之比为160的制品，若用传
" t+ |% ~& W! {% P8 |/ U: z) G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
5 K' h2 V$ _+ V4 o4 m( b  n9 j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
6 X* R0 M# h4 q7 X. F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
+ F6 }$ ~1 P$ ?2。的带有微结构的注塑制品。
  3.2.2注射单元的工艺参数’“}
, S; u: m! g+ Q) N& v5 ?  微型注塑成型的是薄壁、流程壁厚比较大的
9 U- _# ?% [7 h8 o; Z) o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。
, m; V( s- T0 n/ v& m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
& Z2 V1 l- q+ h9 ~7 b) ~9 \% h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
  E% K/ t% J; ~9 f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
7 R+ z- i$ ^0 x+ t' L  w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
% G2 q* x! s3 y4 ^. M& X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
% V9 p4 m' b+ V: A3 ^腔为采用X射线成像和电火花蚀刻技术加工的高
: T3 |; ]  Q! ]  ]6 q) Q精密注塑型腔，型腔的壁厚为2. 5-20 u m，顶角
半径为。. 3-5 u m，可用来模拟材料在型腔的一些
; D$ i9 ], [% J, V1 {阶梯和顶角处的充模情况。表2为所研究的各种
" B* A) U; s3 j. ~8 u不l司性能的热塑性工程塑料作为微型注塑材料的
" P5 I! s' G1 c" s3 N% z9 h适用性。除了考虑到工艺条件对制品的影响之
6 n0 ]/ ^1 O( o- W  z外，成型后的制品的精度也是材料选择的重要考
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、
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、
! r- _) H7 V- [      
8 U0 ^1 T/ Q; {5 D+ e9 ]! t1 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
/ g8 {* c% Q' O, M3 P; Q5 j. p; W. @系统的阻力小，这样充模速度快，能保证熔体顺
; G7 n2 M4 L7 }  X! v4 s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
分子取向少，所得制品的性能比较均匀。如果选
* ^# i- v0 _) h, a5 _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
. O& k1 L, ^7 }$ V; s微型注塑一一工艺、模具及其应用
& b. P7 T0 f; ^+ @剪切流动方向取向，在这样情况下冷却到软化点
5 H; n9 Q3 z+ J" e- j1 [3 p7 ?9 _以下时取向状态被冻结，而这种在一定程度上的
, Y5 B" B& Y2 G* S' E5 D冻结取向容易造成制品的内应力，甚至引起制品
% Z/ ?/ j( g8 o  ^的应力开裂或翘曲变形。要求塑料的热稳定性好
  L7 ]( G0 E; h0 R" [的理由则是由于物料长时间停留在热流道内或受
) a: D9 s, P& s* g7 ?' ?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
" I4 w0 z! |+ j& G1 |注射量小，在浇注系统内的停留时间相对较长，
$ m- {% Q3 y( @. ^6 ^" ^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
注射件的质量通常为0.001一1g，若不考虑热流道
  \0 _1 e0 V5 o, \5 c$ R( i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
% }. {" N6 F' M  t高级塑料，不仅使原料成本大为增加，微型注塑
* r9 i+ f2 L7 U9 r% q6 z模具也会有很大的变化，因而，如果微型注塑制
! ?8 V* B- s. I$ z7 q1 o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。
+ X# }% {' k) v" Z6 v: Q5 Q  m外，也可用于需要精确计量液体用量的场合，如
: P: O- [5 k# y: O9 q; r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
! {8 l% B3 m7 v  @" e# D7 A可用于测量吸光指数和折光指数的传感器、测定
( S* Q- z, y* U3 K# [# X& `. Y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
. e& z/ E# V/ A& P上可以增加扭矩，例如用聚甲醛(POM)借助LlGA
3 e( u. }  C3 w技术生产的微型齿轮，该注塑制品的尺寸小于50
- x" C1 D. p4 n6 t3 I6 t+ n- L  mit 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
动机上可产生150uNm的扭矩。
6、结语
" ~2 A/ M* g( r4 v( M0 S& X& c5、应用[41
! D8 o7 I8 ~; {8 j  Z  微型注塑技术的出现使得微型制品的生产发
1 J4 Q. U. O8 Y) w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
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
" c( s4 R% I7 I2 C+ ]) {! s精度是决定制品能否大批量生产的决定因素，而
0 a6 A: K; d% U% R. J: J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
, G# B* e) }9 G3 Z3 I注塑制品在光学通信领域必有较广泛的应用。如
2 w7 x& Z& s/ f% D- F用微型注塑成型的连接光纤拔插式连接器，不仅
! t2 I: S" H) A9 D7 R# V0 w8 u可以连接光导纤维，也可用作发送和接收部件。
8 D) I; x, e' y8 H  (2)医学工程领域。目前在医学工程方面的
% B2 v" U( i- [3 l- g8 k1 O进行的研究是用自吸收的聚合物来注塑微型制品
4 T! c( R9 L0 s  o9 ^" X+ K1 |来替代以金属制成的制品，若不考虑其生产的经
! G0 m4 w2 ]6 `: T; ~* R# w7 V' W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
增强制品的刚度。微型万除了可用于医学工程
% q  ^, C& o; I1 ^, a# `/ I  微型注塑成型后的制品尺寸精度高，易实现
工业自动化生产，生产效率高，今后将成为微型
: ^7 \8 c! V* {1 X9 Z9 |2 _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
的激烈竞争中处于明显的优势。因此，国内的研
4 b* I6 n2 z  F/ r1 S究所和厂家应尽早开展该方面的研究工作。