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
表明，到2002年微型部件和系统的市场占有量将
& x" c, }4 s7 N- C# }5 f& n4 D4 s达到4。亿美元，尤其在汽车和电信领域将会有更
/ T6 X% c" k, H4 c大的发展，目前已商品化的微型注塑制品主要有
5 u' Y1 I2 y* T. }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
& t4 _1 E8 t% Z# O5 @  u, M以下三类:微型注射模塑制品、带有微结构的注
( h! y; |" U6 }! h* H塑制品和高精密注塑制品。其中微型注射模塑制
! v$ V6 U! V" U, `% z' m8 R% E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
: P; |! n+ T" _/ w( T( A6 R( i规注塑制品的尺寸，但局部结构的尺寸达到微米
5 z  c) D& P& y7 P2 ~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-
% P  }6 q& N" r- W7 j1 ~Injection Moulding)一般是指用来成型尺寸为
. {, C* ^8 f1 S- ?! `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
& e! p. F! T6 G5 e( d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。
! I5 ~, d6 {$ F2、微型注塑用注射机〔‘一“7
: z% X. D+ `3 i$ d0 {3 W  现代普通注射机可以用于微型注塑。当注塑
& {9 w9 b8 W: E* i, ^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
) U3 o8 A) {3 Y(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
厚之比为1的制品，并可获得较为理想的效果。
& ~9 x# ]9 B3 b5 q" f5 ?  f  c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
! u6 T4 t9 f3 b) y0 S4 ^8 u$ M低。而且微型注塑制品的质量一般为1-30mg,与
( Q  b+ \# r4 Q6 Q4 Q' j此相比，普通注射机的主流道和分流道尺寸显得
# Q' X2 T1 M3 U  j0 z' u过于庞大，只有不到10%的物料真正用于微型注
1 _' a3 O! C# Y' M) S0 C. T塑，同时使得循环时间和物料用量与注塑制品的
/ H) t. `" ?* {/ B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
4 q# }% ^5 L! t的类型来进行选择。当注塑尺一寸大小为几微米的
, C0 E8 y1 r/ |! I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
$ n, u8 ]6 A/ _% w  ~柱塞将熔体注人到型腔。该类注射机中性能良好
) L9 w3 _  t- C( d- m的是Battenfeld公司研制的Microsystem 50。该
0 O" S9 z  Y' x) W. W注射机由合模导向机构、注射系统、气动脱模机
4 ]9 @' q' O* V2 k1 m! J% F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
1 y# Y! W9 L/ X微型注塑一一工艺、模具及其应用
; {5 i. D. X( E! B( d+ ~6 F, O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。

  由于微型注塑成型的是质量为毫克级的制
5 E" a4 m0 a5 ?% v; J1 n8 U品，如果采用普通浇注系统来注塑制品，即使是
0 y9 F$ ]9 R# S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
微型制品，产生大量浇注系统凝料，所以应采用
9 v% v: K: n8 Y- z9 M4 B4 J热流道浇注系统。此时，从注射机的喷嘴到型腔
$ L. {1 m' n! V1 R! @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
% T  \/ ~6 _% @3 W& f- @尽可能靠近型腔，采用多型腔同时浇注成型，使
% }1 t- y4 K* y& f. N: c# m物料的利用率大为提高，则制品和浇注系统内的
  g: _4 U) i$ W4 o% q3 v8 c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
  Q- k$ W9 V2 y- w# I' c1 Y1 b" |1 e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
: b0 H/ m2 a. \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
阀关闭。此外，模具型腔和热流道应有单独的控
4 y1 `$ V! C. v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
. s) j; L2 Z& S; E* w/ b3 _. A4 A0 u& I变形、影响制品的外观，不宜采用顶杆脱模方
$ H% k  M' \1 f+ ^# W) {% U$ i7 i: a式，而应该采用自动抽真空将注塑制品从型腔中
2 o' [+ h4 t8 T8 }4 b0 I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
$ A( V- W3 @& O- g& x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
" w+ J; t, I0 ]) z2 ~/ k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)
) `2 q$ L6 Q- }$ l9 `―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
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
) j4 w% B! u9 p9 y& Z& U7 l6 d3 K绕注射机工作轴旋转180“，离开注射机工作
4 ?8 [" d4 G5 I  s) ]5 i: v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
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
秒。
  3.2工艺技术
; `- }: O- \8 ?+ X  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
9 G9 n; e* ^/ B4 Z. k  Y$ D料，模具的温度有不同的要求，同时为了尽可能
( F* c2 ]" w0 n. [( J) I缩短循环时间，必须对模具添加变温调节系统。
3 A4 P% a" @1 N6 t  \4 r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
7 X# r# t4 H; p# s6 R. q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)
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
统的油浴或水浴控温，循环时间一般为儿分钟，
( r# J1 M, v9 V9 T4 ~这很大程度上限制了微型注塑的经济性。采用模
; U# p# I1 s* g9 C7 @具变温调节系统则可明显缩短循环时间。如果采
3 l; M( ]$ N  C4 m3 Z用只对微型型腔部分进行电加热和快速冷却、而
  `- P& T, X1 Q# [& H9 r) T& m整个模具温度始终保持在脱模温度，不仅可以减
8 Q8 ~  _# c4 }, ^6 ~8 Z" n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
7 s; d' V& m) ?2 d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。
) M9 Y( T7 C8 F+ Y( L1 @$ Y3 N  3.2.2注射单元的工艺参数’“}
) w/ N) J' _  \% f$ P+ J  微型注塑成型的是薄壁、流程壁厚比较大的
" e% S' X; m0 Y4 R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
- l! _, a) z2 W* T4 a造成充模不全，成型的注塑制品的内应力较大。
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
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
# {" r0 T, Q6 ?. p8 ]- W! H8 b9 j$ R了防止熔体的热降解，有必要减少熔体在高温下
8 n& b( r8 J8 U的停留时间，为此常采用螺杆柱塞组合式注射单
& T3 s0 D, J$ e  N元，螺杆直径为12-18mm，而柱塞的直径一般为
3 i5 q+ [- I  ~4、微型注塑用塑料〔}, 41
/ ^4 }. }& p. B7 F5 J* l  近年来对微型注塑用材料进行了较为系统的
- A$ x) G' }8 C8 I0 u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
% r( ~/ t$ ]! q+ q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
4 C5 m9 u4 O' j  J4 i7 a计出能用来研究微型制品可模塑性的模具，其型
8 W% y7 W; O9 o' N; @& P/ a腔为采用X射线成像和电火花蚀刻技术加工的高
# K- _' w* e+ f精密注塑型腔，型腔的壁厚为2. 5-20 u m，顶角
" V. @3 @9 s. y# \$ f/ ~& k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
: a" C$ `2 n0 q) s+ e  e" v6 l+ B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、
, u4 K0 g+ X5 U( O8 X部分结晶材料的相态结构、内应力等等。
( y1 Z1 l0 U5 j; P4 Y  研究发现能用于微型注塑的材料是粘度低、
' K" z) u) W! E) s. q+ r* c6 q% k      
9 y, k( k6 [& \热稳定性好的通用工程塑料。选择低粘度的工程
  k1 I& ^; Y7 B8 u4 @. y塑料是因为在充模过程中，熔体的粘度低，浇注
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
则在制品上容易形成冷接缝，而且在充模过程中
% }) |6 ?; T8 v5 I4 ~4 n3 S分子取向少，所得制品的性能比较均匀。如果选
. }3 K7 G; S3 N5 h: `  ]  |择高粘度塑料，不仅充模较慢，而且补料时间较
$ G- M" B% E5 Q长，由于补料引起的剪切流动容易使链状分子沿
* \% A5 H. [+ r  d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
( [5 q5 H" P4 e1 |4 u以下时取向状态被冻结，而这种在一定程度上的
) B! F' p& g8 ^1 A冻结取向容易造成制品的内应力，甚至引起制品
7 S: Z2 o: |) R2 G1 Z( P; ^的应力开裂或翘曲变形。要求塑料的热稳定性好
7 J9 d0 \7 U2 X5 A的理由则是由于物料长时间停留在热流道内或受
$ ~0 m; E& V6 U* y螺杆剪切作用容易造成热降解，尤其是对热敏性
0 Y4 H, {. a4 V7 Y7 }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，
! j3 v9 R1 q: k3 F! v# ^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. B" d; p( n5 t; i+ B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
+ B$ w# a- }" Q& q% P量也不会超过1吨，而且选用新型的工程塑料和
& t$ W- z9 i, c高级塑料，不仅使原料成本大为增加，微型注塑
" l1 _( ~. C" [/ j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
8 t9 F* E0 c5 O$ X& R为微型注塑用原料。
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。
% b. w6 R3 X2 N- ?! j% i  (3)传感器和传动部件。在这个领域，微型
8 N# F* V1 V1 e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
上可以增加扭矩，例如用聚甲醛(POM)借助LlGA
- ^0 U6 a8 b4 s; T# k: h+ f技术生产的微型齿轮，该注塑制品的尺寸小于50
1 r* e* T, M: yit 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
; D; V3 A, H1 ~3 p$ s0 Z动机上可产生150uNm的扭矩。
. J, z: ]" U4 Y6 M; F$ ~6、结语
  B7 ?1 i2 U4 f2 j# E5、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
! L- u$ L) }1 ~: Y2 @1 [( `" i  y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
6 f; ]+ A/ K1 D$ r精度是决定制品能否大批量生产的决定因素，而
& m9 |( D0 a* p! X- f1 \5 \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
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
( I& V$ X" w. D$ \" _2 T! I可以连接光导纤维，也可用作发送和接收部件。
  `0 s$ l2 ], O, B. D& m- ~  T  (2)医学工程领域。目前在医学工程方面的
' X# ?, O/ m9 d8 _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
" H$ Z, R1 B6 {) H4 T! L) J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
8 J* B( V) a2 B  C型注塑进行成型，模具内嵌人一些刚性材料可以
% @" V$ G3 u. _+ {# X增强制品的刚度。微型万除了可用于医学工程
- x" [7 v7 S8 R/ y( C: b7 `8 f/ l  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
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
$ L( L  s7 e, Y( e; Z4 R究所和厂家应尽早开展该方面的研究工作。