微型注塑

icanyes

微型注塑一一工艺、模具及其应用
7 w* G& N: {% T" H" @# t      
/ r0 F* u( _1 p  g' z1 }  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
" @; e2 u! R. a' B8 \, }, z" r) Y" P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
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
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
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
3 g& ]( f; c+ J3 m! d+ b8 h3 Y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
7 b- U9 \- P5 P2 f6 ~9 F( e! T级;而高精密注塑制品没有尺寸限制，但其尺寸
9 ^8 h  W6 @) }5 n  A公差为微米级。但通常所指的微型注塑(Nlicro-
# j1 z8 {. r3 c- J# AInjection 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
: a0 s! S+ T, W# N微型注塑技术在过去短短几年内便有了很大的发
. ?- _( G0 Y+ g+ _* K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。
% D2 G! K  d4 d! y2 z% y% }0 w2、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
4 O( j9 S* `) T: A4 m通注射机。研究表明用来注塑CD片的普通注射机
% n2 Z# O2 y" O# l3 q) ^(如Bayer公司的Macrolon CD 2005)适用于微型
. x% ?5 t* @, M0 E. I' e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。
* o8 {, z+ I1 q% d- e6 B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
& e0 v: B2 {8 I6 U9 O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
塑，同时使得循环时间和物料用量与注塑制品的
/ t) u4 |) X4 U% u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。
  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
  J$ e* m+ F6 b5 z: S. ]; X7 u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
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
5 C- K, {) ~' e$ w3 u/ Q$ m构、质量检测机构和自动包装系统组成。采用自
4 |5 L- b% i$ {6 S$ T& {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
! U, a2 f: D; w" h, q* @表1微型注塑用射机及其主要参数
1 Z* N8 g% U' b" K  C防止脱模时对注塑制品的破坏，而利用质量检测
8 c! F  R  T  f( h! [% e系统可保证微型精密注塑制品的成品率。
' t. }' }/ `8 l1 V" e6 r- B2 [+ F
  由于微型注塑成型的是质量为毫克级的制
, L6 q/ [2 m0 C3 G6 N. W7 s7 i( 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
质量比仍为I:10。只有不到10%的物料被注塑成
1 q1 [- u/ f. [1 L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
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
* }8 G# d! f7 o( L: ~7 Z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
$ R" S( }4 ]* Q( ]; r凹陷、缩孔等缺陷。由于微型注塑所用的塑料的
9 i) @1 S; Y2 w6 q* @- [3 F熔融粘度很低，为避免出现流延现象，热流道模
: V: j% U# D+ h' R& p0 v& h具宜采用针阀式喷嘴，在注射和保压阶段使喷嘴
* Y1 F6 \' c1 C0 T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)。
5 N: C) _- z  {6 ^5 t  因为微型注塑制品是薄壁、质量为毫克级的
+ T4 Z: Y, T! o( Y, W- N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
0 ~6 Y  }9 Z  u3 e" [0 Q9 a式，而应该采用自动抽真空将注塑制品从型腔中
; y0 b4 O/ e1 ^8 [, R0 Z% ~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
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
, A: G$ d6 o  ^( d1 L; q和LIGA(Lithography/Electroforming moulding)
# W  R* G9 M) Z  S/ c! b) C―石印电子成型技术相结合的加工方法。
" L3 v0 e( K( h* @9 y7 ~2 @  为了进一步缩短循环时间，Battenfeld公司
% i' u7 Z1 K" S1 s) g$ z& k1 D  [研制出一种新型的微型注塑模具。该模具有两个
: E( x/ f4 {' G) |1 S- a动模，安装在可以旋转动模板上。开模后，动模
0 @) j7 j0 i8 J, m: ?# K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
又可进行下一轮注射，在注射的同时，可对注射
- g& u7 S3 C8 \. P5 U' g) U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
8 [. j1 T4 z4 e/ j& p5 R. o% x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
+ n. I1 @9 z$ f* h8 A* k料，模具的温度有不同的要求，同时为了尽可能
! D9 \1 h7 Y  T+ ~; m; f缩短循环时间，必须对模具添加变温调节系统。
: Y$ {: ~& j1 P; k( h& z理想的模具变温调节系统是当充模时.模具温度
; X' s& a5 g# L# M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
2 V. v# M1 p, _0 O3 h7 g/ G而造成充模不全;而当脱模时，模具温度又能保
# H4 G2 F+ h7 j) F& w持在比塑料热变形温度稍低的温度，并且模具内
" v7 N( l+ {; ^' 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
9 b! e( }8 @) r) v( f# V' w6 K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
具变温调节系统则可明显缩短循环时间。如果采
9 H$ p2 [! \* {3 A* D* Q& @5 k& A  O用只对微型型腔部分进行电加热和快速冷却、而
! t/ A) e; T- z0 ]# v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
6 m! s( @) g/ q! L循环时间缩短至15:左右。除了采用电加热方法
6 @- i5 ?4 Y; U8 u+ A- C' G以外，还可采用电感式控温的变温调节系统可
* z% X+ ?) @$ h8 f: J/ M! y  l, u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。
+ t: u7 t0 c1 l- h! W2 r# t: e: J; {  3.2.2注射单元的工艺参数’“}
  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
2 g* O, U9 J! u. m: c: S/ `2 L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。
) [0 w; v7 w9 J2 Z" m& ^添加变温调节系统后，注射时能保证熔体充模时
1 [2 M5 M  ?: d- n温度保持不变，熔体能快速充满型腔;而当冷却
# t8 K1 z$ o" e+ }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
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
1 T1 _8 l) U" i% }3 T0 x元，螺杆直径为12-18mm，而柱塞的直径一般为
* Q0 |7 }; W* n$ _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
% }/ J1 Y5 |) c# G研究，研究发现，螺旋流动的试验模具不能用来
; [9 s7 c+ C+ u+ W3 @! {* N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
计出能用来研究微型制品可模塑性的模具，其型
5 k/ H- v7 o+ l* m7 d+ K4 i5 K; D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
半径为。. 3-5 u m，可用来模拟材料在型腔的一些
" A* u- w5 m- G. h% [7 S8 f4 K阶梯和顶角处的充模情况。表2为所研究的各种
7 w8 t' q# o: E3 M/ Q. W不l司性能的热塑性工程塑料作为微型注塑材料的
  _8 {% N/ P' H+ l+ i适用性。除了考虑到工艺条件对制品的影响之
4 `: u0 \. x' }2 D0 [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
; y9 i6 q7 ~% O9 I$ ]2 J# r性，也指制品收缩和翘曲的趋势、表面均吉度、
8 s3 v; ?* F: l' d! H: b6 m部分结晶材料的相态结构、内应力等等。
* C& v7 [2 M: t4 G- {; j: w4 J  研究发现能用于微型注塑的材料是粘度低、
      
! S  c, j7 X" a1 W0 g热稳定性好的通用工程塑料。选择低粘度的工程
* Z, x: C/ ^2 t& i' T: \: K. Y塑料是因为在充模过程中，熔体的粘度低，浇注
1 b; D0 M3 ]& F3 H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
3 W; \: m( B" d/ ~; a4 l2 Q# D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
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 e5 l$ [2 w$ V+ Q9 W6 _0 j' a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
  Z) S) A* _! H& R以下时取向状态被冻结，而这种在一定程度上的
' E- X. z& d0 ]2 L0 p冻结取向容易造成制品的内应力，甚至引起制品
8 F$ m8 C/ d% V$ v. s1 R5 U: `$ C的应力开裂或翘曲变形。要求塑料的热稳定性好
7 H  T4 j$ }3 W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
+ A- [, y+ o% h塑料，即使在很短的循环时间内，也会因为物料
% Z9 @6 c, i( ^% p8 E# a7 e. {. y注射量小，在浇注系统内的停留时间相对较长，
( Z9 F: |. }* R6 P; y/ G' p, ^: D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
& v% x9 n6 L% c; X+ G8 p; v注射件的质量通常为0.001一1g，若不考虑热流道
中停留的物料，则年生产100万个制品其原料用
+ L  z; m7 t9 ]3 f' U1 Y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
: V, J, W9 v% R0 u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
( ^3 Q% T7 Z/ B. l% I# S; J4 L' _为微型注塑用原料。
' {! |9 N+ e/ T* [8 ~外，也可用于需要精确计量液体用量的场合，如
用于对精密仪器进行上油润滑场合。
2 Q8 `4 m2 ^' s. N  (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
等。用微型注塑成型的微型齿轮用在微型电动机
" `; k# u! W9 D* D$ }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
# d, N0 X( g0 uit m，质量仅为。.008g，但其精度高、表面光滑
4 Z. Z9 d" J3 |) [! F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
& S1 t7 T* b% J" U. U1 F1 M5、应用[41
  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
的微型注塑制品主要在光学通信、医学工程、汽
7 f7 ]+ n( G2 |% [6 e, J! n车和钟表的传感器和传动部件等领域。
7 D0 N7 [* l% N4 ?6 s5 V  (1)在光学通信领域。单个部件的价格及其
/ [+ I/ u- B0 K' ^精度是决定制品能否大批量生产的决定因素，而
( @. x0 m& {! Z% b' G/ L$ p- ~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
! L8 Z2 G  L1 d7 U+ }注塑制品在光学通信领域必有较广泛的应用。如
0 |2 s; ~# ~, f9 s- t; r: {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
/ p, j6 U7 ~. ?进行的研究是用自吸收的聚合物来注塑微型制品
" f: s4 I2 e6 d( t' P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
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
$ H( ^( x, K- I  I5 G* O  微型注塑成型后的制品尺寸精度高，易实现
2 k5 U( v6 X2 @6 b8 q" x" V# i工业自动化生产，生产效率高，今后将成为微型
/ ?/ E& X, G3 a. p. @5 O/ W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
2 {* P" I( r7 t0 r究所和厂家应尽早开展该方面的研究工作。