微型注塑

icanyes

微型注塑一一工艺、模具及其应用
: g% g" a4 I, l      
  近年来随着电子和微电子技术的发展，制品
% R' Q0 ]5 W" d5 a% y: B0 w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
# A" _. i& b( T, V' G. Q, h. j) f. ~3 \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
2 z8 E, w( h' F4 N微型齿轮、微泵、硬盘的读写磁头、温度压力传
1 E( K* L  u* p, `. _感器、CD盘等[Il。广义的微型注塑制品可以分为
' S9 f5 V5 E1 C以下三类:微型注射模塑制品、带有微结构的注
/ O' D4 v; c+ S) b+ s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
级;而高精密注塑制品没有尺寸限制，但其尺寸
, I6 r9 ?* e% r" Y! ~; ]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
& u, r4 Z( P+ B' u) u- ^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
" i5 Y7 N. `! m5 P% _微型注塑技术在过去短短几年内便有了很大的发
+ n# ]) u9 w0 J8 e展。本文将对微型注塑技术的工艺、模具和应用
! n1 f3 Z, `$ Z* a- K/ A" x情况作扼要介绍。
- ?* F1 R& l# w% p) Z# @2 E7 p2、微型注塑用注射机〔‘一“7
# e( ?; z1 F0 _  现代普通注射机可以用于微型注塑。当注塑
# Z; j5 ?+ x- E( M  j& b" N尺寸为微米级的微结构部件时，可选用小型的普
* ~. C9 J& h% M' }通注射机。研究表明用来注塑CD片的普通注射机
(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
: {" s9 Q5 o. f+ y/ [! Y/ T厚之比为1的制品，并可获得较为理想的效果。
+ O7 }; T2 L! W& H0 m4 r但对大多数普通注射机而言，其计量装置的精度
1 A$ |& h+ h3 A# Y) Y+ R4 X) a; S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
" [9 ~  I( z0 X# ~$ w; e* D/ m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
6 |: q; `3 m; q4 z! j求不高、尺寸较大的制品。
0 G# ]/ z  a( V0 ^0 F4 z6 _6 Z  为此，国外厂家研制出许多微型注塑专用的
3 }& i9 z+ `( `; q- ?0 P6 S/ H注射机，表1列出了常用的微型注塑注射机及其
& n" G7 a9 ~# q. f. S9 y1 v/ P, P主要的参数，用户可根据制品注射量和浇注系统
- }8 S! ~- U) @7 Q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
" a% ^) r! k+ A* a. |  h( z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
. t1 Z8 Q9 W: C8 d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
5 M% T& j: G; ]& C& Q注射机由合模导向机构、注射系统、气动脱模机
; \/ V  S1 ?* y4 a2 o' `5 S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
$ C7 |5 L) M8 {) ~& [8 e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
1 j! O: _. W) G* s- |4 T8 O系统可保证微型精密注塑制品的成品率。
# A/ n% S# X% O! m
  由于微型注塑成型的是质量为毫克级的制
品，如果采用普通浇注系统来注塑制品，即使是
# ]% A8 P7 b& n- K" z+ A# ?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
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
1 I5 _; h) h- f. O: _  i2 \# r态，开模时只需取出注塑制品，不必取出浇注系
3 A0 w" |* g/ `2 x9 T4 J% j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
' W, K* |3 z1 [) G5 W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
3 f" m$ D* `2 D( T( B4 {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
9 @$ Y0 a) Z; @: t; R, {5 k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
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
温系统(见下文)。
2 f7 i" _% q' L  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
变形、影响制品的外观，不宜采用顶杆脱模方
( r2 s# b5 O+ N' m: n0 `5 i6 J式，而应该采用自动抽真空将注塑制品从型腔中
/ G3 N: {9 i/ u2 w吸出的气动脱模装置。在模具制造方面，由于微
3 g5 m8 p+ c: E: ?型注塑制品主要用于精密仪器，其尺寸和精度要
9 W0 |1 X2 |/ t) Q" F" U) f求很高，因此微型注塑的型腔制造时应选择高精
# ?2 l& x$ N7 `7 e# m) Q6 k1 g度的加工方法来进行加工。通常情况下选用电火
2 l; s  J) e+ O7 c/ k/ l2 U花加工，但用电火花加工的型腔表面有较深的凹
6 q- U6 v2 a" j, 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
; J8 e7 u" G2 Q; O0 M+ d$ {1 P和LIGA(Lithography/Electroforming moulding)
―石印电子成型技术相结合的加工方法。
! l" k6 G* K6 @. B( w7 v5 w  为了进一步缩短循环时间，Battenfeld公司
0 g  o2 d" V3 ]% }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
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
5 {- G- ~, g6 u1 p9 S秒。
2 c5 L4 g4 Y+ x: F$ I  3.2工艺技术
  3?2.1模具温度I -al
: u% |5 C  `7 `5 U4 e  在微型注塑成型过程中，模具温度直接影响
+ {0 C% a" d7 q; d0 ^2 l3 g7 V1 |3 }( w到注塑制品的质量和生产效率。对于不同的塑
; K/ t: \+ R+ r2 u# ?1 u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
, `( q/ M/ m. z9 p) ^, N1 L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
3 u; s" J3 u. g1 |/ x3 e而造成充模不全;而当脱模时，模具温度又能保
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
- c; x$ g- l- U! A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
9 m, n# l* S- O: g* `, Y$ E具变温调节系统则可明显缩短循环时间。如果采
3 m! ]% _% U1 s+ c% R用只对微型型腔部分进行电加热和快速冷却、而
1 y! s( Y, [" C' J  H- L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
以外，还可采用电感式控温的变温调节系统可
, F. J; o- _) F2 N& R. ~( f% S; K用来注塑尺寸为2. }-20 a m、流程与壁厚之比为
6 b0 ?/ f# I2 D( l) O6 x& d2。的带有微结构的注塑制品。
" w+ b' ?; N' x, i9 Y  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
: k" Q& e- c. K! W9 [) U3 }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
7 _. E- M+ j- k8 X, @造成充模不全，成型的注塑制品的内应力较大。
- P, _7 H4 g" I& U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
5 O: x5 T' W* b3 k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
& l1 Y) r+ }  l了防止熔体的热降解，有必要减少熔体在高温下
" r+ P. g% z0 ^, n: ?7 ?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
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
计出能用来研究微型制品可模塑性的模具，其型
+ Q* `! {+ ]' y6 l腔为采用X射线成像和电火花蚀刻技术加工的高
3 Z% v. x+ C4 b4 |' N" B精密注塑型腔，型腔的壁厚为2. 5-20 u m，顶角
& m. E! M9 W& |2 k  f; D4 ?6 ]4 W半径为。. 3-5 u m，可用来模拟材料在型腔的一些
- Y6 q6 N7 T! W& V- F8 z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
: h% J+ d: E: S4 w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
2 U2 k# }; M" D* s- a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、
& j7 n3 x- L1 b/ a+ U      
& v6 n6 z7 }; u9 J$ ~7 k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
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
2 j+ s7 ^1 G6 c% U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
9 P- G" _; f% H5 _0 L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
以下时取向状态被冻结，而这种在一定程度上的
# j4 \, l( T' l9 m. ~" g2 g$ o  t' H冻结取向容易造成制品的内应力，甚至引起制品
的应力开裂或翘曲变形。要求塑料的热稳定性好
! T8 v# ?. B/ `0 J的理由则是由于物料长时间停留在热流道内或受
5 B; D1 W5 V. d  n3 R: G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
' C; k& L# j4 x4 u) E6 F; I注射量小，在浇注系统内的停留时间相对较长，
. ?% ^0 @0 z: h0 {/ Y" Z造成塑料相当程度的降解，因此热敏性塑料不适
$ Z/ z4 Q0 t5 {' `5 I7 h7 p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
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
3 g! n6 U5 ?8 F* e3 A高级塑料，不仅使原料成本大为增加，微型注塑
. n9 L: z+ r3 R0 N6 t模具也会有很大的变化，因而，如果微型注塑制
. ^" R+ A9 y0 q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。
* Y* H, l9 {9 }外，也可用于需要精确计量液体用量的场合，如
. `% K- f8 |. X2 O$ a$ p. c用于对精密仪器进行上油润滑场合。
! V; u3 K, w% U; |) Z  (3)传感器和传动部件。在这个领域，微型
- ~3 J) D# d; \) B注塑制品同样有了较大的发展。小型的注塑制品
! O2 }& H+ w! f: k可用于测量吸光指数和折光指数的传感器、测定
; D' b& D4 ]+ c* Z  e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
0 ~4 E- }5 J' o- U) r! D上可以增加扭矩，例如用聚甲醛(POM)借助LlGA
1 D( Z9 @1 }: B- N6 o1 i/ q技术生产的微型齿轮，该注塑制品的尺寸小于50
8 x& r$ \! d4 l0 lit 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
9 b) s- B: h7 j; ^$ X9 q动机上可产生150uNm的扭矩。
  P* w# c/ z1 G5 Z* s6、结语
5、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
- ^! S3 r4 K% G) A* R: f# v$ @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
' M9 |( [& P6 |6 z  T! s% P  t6 g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
: u7 X3 i8 v5 k4 u, b& f1 b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
6 a& W6 B/ ^1 y4 E0 p4 H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
) K( W* n; G( o0 C4 M7 I8 p4 h; _进行的研究是用自吸收的聚合物来注塑微型制品
3 i% x# ^6 g8 z; Y来替代以金属制成的制品，若不考虑其生产的经
$ U+ T" t& K, L济性，选用这类聚合物的一个显著优点是在体内
1 h+ F/ S$ p% R3 i5 K4 }可以被选择性的吸收。此外，微型的泵也可用微
# H: U8 Y6 P' C! ~) v  f5 y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
  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
4 a! ?3 `& J) G, Q制品成型的重要方法。微型部件和系统的逐步推
1 i% m2 }. }! g9 N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
究所和厂家应尽早开展该方面的研究工作。