微注射成型的设备与工艺

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微注射成型的提出源于1985年，微注射成型（也称微成型）用于生产总体尺寸、或特征功能区、或公差要求以毫米甚至微米计的制品。随着高技术和精密技术的快速发展，在光通信、计算机数据存储、医疗技术、生物技术、传感器和传动装置、微光学器件、电子和消费类产品，以及设备制造和机械工程等领域中，微注射成型制品呈现快速增长的需求。典型例子包括：手表和照相机部件，汽车撞击、加速和距离传感器，硬盘和光盘驱动器读写头，医疗传感器，微型泵，小线轴，高精度齿轮、滑轮和螺旋管，光纤开关和接插件，微电机，外科仪器和通讯制品等。
由于制品的微型特征，因此需要特殊的成型机械和辅助设备来完成各种生产操作，如：注射量控制、模具排空（真空）、注射工艺、制品顶出、分离、检验、存放、定位和包装。另外模具嵌件和模腔制造也需要特殊的技术。
! X# F6 ]/ T2 I1 b4 R3 v微注射成型分类
尽管迄今为止微注射成型的方法并没有清楚定义，但一般认为应用于生产以下三类产品或部件的工艺可称为微注射成型。
1 A0 `* f. \* x$ k' W重几微克到几分之一克，尺寸可能在微米（mm）级的微注塑成型制品，如微齿轮、微操纵杆等。图1是作者在德国Hengstler公司用聚醚酰亚胺（PEI－Ultem1010，G.E.公司产）制得的微齿轮，齿轮轴孔直径和齿廓宽度均小于1mm。
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图1 微注射成型制成的微齿轮材料: PEI－Ultem1010，G.E.产；料筒机头温度370℃
6 d" @6 C% Y8 S! K5 ~8 p) u8 P+ P，370℃，360℃，350℃，油温：150℃, 图中标尺单位为厘米 传统尺寸的注射成型制品，但具有微结构区域或特征功能区，例如带有数据点隙的光盘、具有微表面特征的透镜、使用塑料薄片技术制造微齿轮的薄片等。图2是作者制作的聚碳酸酯小透镜（图2-a）和透明小齿轮（图2-b）。注意齿轮表面布有宽度小于1mm的同心圆，用于后续制作计数器的数据区。
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( z+ c; |1 d% i" _8 J; X) f" U图2 微注射成型制成的微透镜（a）和透明
齿轮（b），材料：PC，图中标尺的单位为厘米可具有任意尺度，但尺寸公差在微米级的高精度制品，例如光纤技术用接插件等。图3是作者制作的一种汽车用微卡子，卡体采用聚甲醛（POM Delrin），卡体尾片厚度为700mm。为减轻运行时卡体振动，采用第二台注射机和旋转模具，在卡体中部共注射一小块弹性体，材料为PE-PA共聚物（PEBAX 2533，ATO Chemie公司产）。
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图3 微注射成型制成的汽车用卡子，图中标尺的单位为厘米。卡体材料：POM Delrin
。料筒机头温度：210℃，210℃，190℃，180℃。中部嵌件：二次注射弹性体PE-PA共
- ~' S$ c- L. p4 j聚物，PEBAX2533，ATOChemie公司产，料筒机头温度200℃，200℃，180℃，170℃
" [' \' m4 F4 T. |。热流道温度：180℃，模具温度：50℃微注射成型的设备要求
为满足微注射成型的特殊需求，采用专门设计的设备和模具至关重要。一般来说，应考虑以下要求：
5 w1 k9 g) ]' p/ s应采用小型塑化装置，螺杆直径在12～18mm范围内，且螺杆长度较短，L/D比值大约为15，以避免长停留时间引起材料降解。
' {0 ?/ F4 O8 i; f* q% A% e精确的注射量控制和理想的注射速度。为此，机器有时装备有分离的计量和注射用的柱塞和螺杆。其目的在于准确计量注射量和消除由于传统注射螺杆的分流和死角造成的与材料降解相关的问题。
% \! J5 P4 e( j! f可进行多重控制。比如既可根据螺杆位置，又可根据模腔压力进行从充模到保压的转换。
5 `  P) b3 j* C8 ?2 L# t' F模温可调，有能力将模具壁温升高到一定水平，有时略高于聚合物熔融温度，以避免超薄部分的早期固化。若微注射成型制品的壁厚小于5mm，须具备模具抽空能力，因为这种情况下壁厚与空气逃逸的气孔尺寸处于同一数量级。
, C. t4 P2 A  G& o3 w. [; z推荐采用开关型喷嘴，以避免由于高加工温度造成熔体流涎。
5 X$ ?- ?, D, f2 o3 H精确定位和轻柔的模具开关速度以避免精巧的微注射成型件发生变形。
采用特殊操作技术取出成型件，进行检验和包装。由于微注射成型制品的尺寸和重量与传统制品存在着显著差异，故必须采取一些特定步骤以保证制品正确顶出。例如可在注射机上安装显示系统以确认微型制品的顶出。此外可使用吸力垫取出制品，它可以使制品保持分离和定向，便于质量控制和包装，或者使用静电力或吹出等。对微注射成型制品，传统的质量控制方法如测量制品重量不再适用。新的质量控制技术使用视频监视系统来区分合格和不合格制品。
. z0 v  C* Q# d, `/ q5 J7 T  ^尽可能就地准备干净封闭场所或层状周转箱，以避免污染微注射成型件。微注射成型制品通常是组装件的一部分，因此将它们按一定方向包装，准备进行后续的装配。
为此，若采用现代化的传统成型机械生产，必须按上述要求进行改装，以满足微注射成型的特殊需要。然而随着制品体积和注射量的减小，传统注射机不再是一种经济上可行的解决方案。许多种类“微注射机”因此被开发出来并投入了商业应用。
8 |/ B1 O$ A  f) B5 O图4是西班牙Babyplast公司最新研制的一种微型注塑机。其中塑化单元和注射单元分离，均采用液压驱动活塞式挤出机，活塞直径10～18mm。斜上方的塑化单元采用独特的金属球塑化系统，避免了螺杆塑化的强剪切和强生热造成的材料降解。注塑料室容积仅15cm3，缩短了物料的高温滞留时间。机器总功率3kW，净重150kg。
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, o7 }! V( U4 h6 s& x3 Y' P) ]- Z图4 Babyplast公司生产的微型注塑机模具特点和加工制造
1 k7 L! e& \$ t微注射成型的模具除尺寸明显小于传统模具尺寸外，还具有以下特点：因尺寸小，使型腔数目减少，有利于改善模具的平衡性，提高产品外观尺寸精确性；因尺寸小，更容易控制模温的稳定，符合精密成型要求，也节约了模具加热/冷却所需的能量；推荐采用热流道系统；模具成本低，开发周期短。
微注射成型模具的加工可以采用传统的加工方法，如各种机械加工方法和电火花加工（EDM）。但是随着模具嵌件和模腔尺寸的减小，传统方法很快达到了它们的加工极限。目前，微电子领域的一些技术已被用于微注射成型模具嵌件和模腔的制造。一种常用方法是LIGA技术，它是x-射线深层光刻，电铸（电镀）和注射成型复制的德文单词缩写。其他工艺包括：微切削、超精密加工、激光加工和微EDM技术等。
. u( G4 H% s; T: y/ E  U6 c微注射成型工艺
/ l: ~8 E) T; x; T3 A微注射成型制品的主要特征是尺寸小，形状特殊，功能区复杂。一般来说其大小在几微米到几厘米数量级，长宽比在1到100之间，个别功能区要求高强度、高光洁度、高透明性等。为了使这些特征能够以高重现度复制，工艺上必须满足一些特殊要求。具体地说，为保证能够正确充模，需要高注射速度和高注射压力（达数百至数千kg/cm2），料温在允许范围内（不降解）尽可能取高的熔体温度，模具壁温也应控制在高端。为获得足够大的注射量需要使用大流道和大浇口，这样能保证聚合物在流动过程中可靠地控制和切换，以避免材料降解。模具需要特殊的分置的加热和冷却系统，以便动态控制模具温度。例如充模时要求模温高而冷却时希望模温低，因此工艺控制需使用两个不同温度的油路，分别在充模和冷却阶段加热和冷却模具。为控制生产工艺以及有效处理和包装微注射成型制品，模具应有改进的模具传感器、高精度模具导向装置、模具抽空系统、集成流道采集器和用于制品取出的机械手、自动浇口切除系统，以及在每个周期激活的模具清洗系统等，这些装备对微注射成型制品的正确生产和采集都是至关重要的。
( o4 C0 A, u+ }2 i4 S, C从材料角度看，几乎所有适用于宏观成型的材料都可以用于微成型。文献报道过的微注射成型材料包括：聚甲醛（POM）、聚碳酸酯（PC）、聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）、尼龙（PA）、液晶聚合物（LCP）、聚醚酰亚胺（PEI）和硅橡胶。涉及反应注射的也曾应用过以丙烯酸、丙烯酰胺和硅氧烷为基础的材料。
微注射成型的目的是生产微型制品，因此与其它宏观注射成型工艺不存在竞争关系，这是它最大的优点之一。在各种微成型工艺中，注射成型工艺又具有其他工艺不可比拟的优势，如它可以借鉴传统塑料加工技术长期积累的丰富经验、具有标准化的工艺程序、高自动化程度以及短生产周期等，因此它是各种微成型工艺发展最快的技术。它的主要工艺缺点有：流道体积大，有时流道内物料可能占到总注射重量的90%。而且对于微注射制品应用而言，流道内的材料大多数情况下是不能回收再用的，材料浪费较严重。另外由于微注射制品的表面/体积比通常很高，模具在注射过程中必须加热到熔融温度以上以防止早期固化，使得生产周期延长。
文章关键词： 设备、加工工艺