浅谈微精密注塑成型技术的最新进展

　　1.微注射成型的工艺意义

　　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。

　　微注射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射方法,微型制件很难用普通的加工方法成型,因此,微细加工技术在微注射成型技术中具有重要意义。由于当今社会对微型部件和系统的日益重视,使得微注射成型技术在过去短短几年内便有了很大的发展。

　　2.国内外微注射成型技术发展状况

　　微注射成型技术主要包括微注射成型工艺和微注射成型装备。其中微注射成型装备技术却只掌握在少数发达国家手中;主要有奥地利Wittmann Batenfeld公司的MicroPower5-15t;德国BOY公司的BOY XS;日本Nissei/JUKEN公司;美国Medical Murray公司;西班牙的Babyplast等。而中国无论是作为塑料制品的生产和消费大国也涌现了诸如海天等塑料机械行业的龙头企业，却鲜见在微注射成型装备技术领域的发展。虽然中国在微注射工艺研究方面有诸如：北京化工大学，郑州大学材料科学与工程学院，河南工程学院材料与化学工程学院，中南大学，大连理工大学等高校科研院所及一大批专家教授长期研究与应用发展，但往往需要依赖国外的微注射成型装备。这样大大的限制了国内微注射成型工艺和微注射材料的研究和发展。

　　纵观国外微注射成型装备的核心：注射单元，其结构主要有1）双阶螺杆/柱塞式；2）双阶柱塞/柱塞式;3)三阶螺杆/柱塞/柱塞式。这三种结构形式均有各种不同的优点和不足，无论是后来采用诸如45度方向螺杆斜向预塑化还是采用目前世界上最小8mm直径的注射螺杆，微量注塑机的塑化单元均采用螺杆式或柱塞式，由于柱塞式塑化效果欠佳，未成为当前发展的主流，而螺杆式注塑机虽然塑化效果较好，但是仍然存在着小尺寸螺杆加工难度大，使用寿命有限等问题。

　　现阶段微注射装备技术的核心，塑化方式决定了未来微注射装备技术的发展。通过国外公司几十年的塑化技术证明螺杆塑化在很大程度上有着其优势，所以把研究螺杆的形态作为其关键技术，从螺杆的长度，直径，螺旋线的深度及渐变都有充足的研究和理论与实际应用。但是从现有的技术看无论其螺杆的变化如何只是缩短或缩小了，其螺杆的轴向本质上没有改变。

　　早在1967年R.L.MOYER的专利揭示了一种新的思路，即将轴向的螺杆无限的扁平化。形成端面曲线式的转盘进行塑化材料，再配合柱塞进行注射。70年代开始北京化工大学几位专家教授对串联式磨盘螺杆，阿基米德螺线式混炼盘混炼效果的数值计算等研究见诸报道。但因其扁平式螺杆的塑化能力有限，同时对微型零件市场需求很小。故虽然国内很早有相关研究但仅仅是停留在理论和假设上，并无实际的装备技术。进入20世纪日本的新兴公司才基于阿基米德螺线开发了阿基米德螺线塑化转盘和一个定盘配合进行材料塑化，在两个盘中心孔配置了一个柱塞进行注射。其特点是每次塑化只有几克，适合特别贵的塑化材料，因为其阿基米德螺线式塑化转盘路径很短，大大节省了在转盘中停留的材料。而且其转盘厚度只有2-3厘米，直径8-10厘米。其轴向只有传统微射出装备螺杆的十几分之一，大大的减小了设备的尺寸，实现桌面式微注射装备。

　　3.微注射成型技术发展趋势

　　3.1各国专家学者领域上的创新及发现

　　微注射成型与传统注射成型相比具有自身的一些特点,如高速注射和微尺度效应等。因此工艺参数对微结构特征的复制和微制品质量的影响因素与传统注射成型不完全相同。工艺参数对微结构特征的复制质量仍然是研究热点。

　　Chu等利用柱塞式微注射机成型POM、HDPE、PC三种材料的微制品。自行开发数据采集系统记录工艺参数随时间的变化。充型实验中,以毫秒为计时单位,使用短射试验同时跟踪注射压、流道压力和柱塞位置化。采用DOE技术研究了充型和保压阶段,6种工艺参数的影响。在充型阶段,注射速度是影响柱塞速度和注射压力的主要因素。而模具和熔体温度的影响与材料和注射机设置有关。庄俭等对500 um和100 um微流道的型腔进行工艺实验均值分析,结果表明,成型工艺参数的影响顺序有所不同。随着塑件微结构特征尺寸的减小,注射压力和模具温度对填充率的影响明显增强;熔体温度对填充率的影响程度有所增加;注射行程对填充率的影响程度有所降低;保压压力和保压时间对填充率的影响相对不明显。

　　卢振等也研究了影响制品质量的因素,认为高的模具温度和注射压力有利于微结构部分的填充,注射前模具抽真空不仅可以提高微结构的填充性能,还可以改善其表面质量。其他学者的相关研究[18]也得到了同样的结论。填充完好的聚丙烯微结构表面粗糙度取决于硅模具表面粗糙度值。工艺优化对于微注射成型也非常重要。

　　Attia等利用DOE方法,研究5个工艺参数对制品重量和重量变化这两个质量标准的影响。结果表明,保压压力,熔体温度和注射速度对制品重量影响很大;而仅注射速度,对重量变化有显著影响。注射速度对两个指标影响不同,它的影响正比于重量变化,反比于制品重量。利用满意度函数寻找一个复合因子,能够在满足规格质量同时满足重量变化。最后提出了一种针对多重质量标准优化微注射成型工艺条件的统计学方法。