張攀攀,王 建,謝鵬程,王小華,楊衛(wèi)民＊

(1.北京化工大學機電工程學院,北京100029;2.北京理工大學化工與環(huán)境學院,北京100081)

微分注塑機的研制

張攀攀1,王 建2,謝鵬程1,王小華1,楊衛(wèi)民1＊

(1.北京化工大學機電工程學院,北京100029;2.北京理工大學化工與環(huán)境學院,北京100081)

系統(tǒng)地介紹了微型注塑機注塑單元的結構形式,分析了各種注塑單元的特點;研制了一種基于精密齒輪泵的微分注塑機,詳細地闡述了微分注射成型的機理,對比了微注射成型和微分注射成型的基本工藝流程;通過試驗初步檢驗了微分注射成型效果。結果表明,微分注射成型可高效率地成型微型制品。

微分注塑機;微型注塑機;微型制品;注塑單元

0 前言

近些年來,微機電系統(tǒng)(MEMS)發(fā)展迅速,其市場份額從2005年的330億美元增長到2009年的570億美元[1]。MEMS的迅猛發(fā)展對微型制品的需求量激增。眾多塑料都可以通過改性等方式達到微型制品所要求的使用性能,使得塑料在微型制品的生產中占有重要地位[2]。與其他材料相比,塑料微型制品更能滿足微機電系統(tǒng)制造過程中對成本的控制。

微型注塑機是塑料微型制品主要的成型設備。微型注塑機的設計、加工通常是在小尺度下進行的,所采用的螺桿或者柱塞一般都小于20 mm,加工難度大,成本高,從而使微型注塑機價格居高不下。

經(jīng)過這些年的發(fā)展,微型注塑機主要采用3種形式的注塑單元。本文將較系統(tǒng)介紹微型注塑機注塑單元的結構形式及其特點,創(chuàng)新性地研制出一種基于精密齒輪泵的微分注塑機,并對微分注射成型機理進行了闡述,對比了微注射和微分注射在成型工藝控制過程的不同。通過微型制品的微分注射成型試驗,初步檢驗了微分注射成型的效果。微分注塑機具有可控注射量的多噴嘴,可高效地實現(xiàn)微型制品的成型。

1 微型注塑機的注塑單元

眾所周知,現(xiàn)代的螺桿式注塑機是從最初的柱塞式注塑機發(fā)展而來。螺桿式注塑機以其優(yōu)良的物料塑化、混合能力而得到迅速發(fā)展。與傳統(tǒng)注塑機相比,微型注塑機的設計關鍵是實現(xiàn)對微注射量的精密控制。柱塞式注射結構更有利于注射量的高精密控制,這使得柱塞式的注射結構在微型注塑機上得到廣泛的應用?，F(xiàn)有的微型注塑機主要采用直接、雙階和三階式的注塑單元實現(xiàn)物料的塑化和精密計量。

直接式注塑單元沿用傳統(tǒng)螺桿式注塑單元的塑化和注射方式,通過小直徑的螺桿(通常小于20 mm)配合高精密的位移傳感器實現(xiàn)物料的塑化與精確計量。此情況下,小直徑的螺桿加工精度及其力學強度的提高是螺桿式微型注塑機注塑單元的核心。

隨著微型注塑機的發(fā)展,螺桿與柱塞相結合的雙階法逐漸被采用。在這種注塑單元中,螺桿與柱塞可以垂直布置,也可以成一定角度(一般采用45°)的布置方式[3]。通過螺桿旋轉對物料進行預塑化,在壓力的作用下將熔體輸送到柱塞室中。塑化結束后,螺桿與柱塞連接處的閥門關閉,柱塞將塑料熔體注射到模具的型腔中。通過對注射柱塞的精密控制可以實現(xiàn)更精確微型制品的成型。

直接式和雙階式的微型注塑單元應用較廣泛,已形成成熟的商業(yè)化產品,如表1所示。

表1 部分微型注塑機的生產廠家Tab.1 Main manufacturers of microinjection molding machines

在第十八屆國際塑料及橡膠展覽會(K2010)上,德國Arburg公司推出了一種新型微注射成型模塊[4],如圖1所示。該微注射成型模塊采用獨特的雙螺桿形式的注塑單元,兩支螺桿呈45°空間布置。伺服電機驅動15 mm或者18 mm的螺桿進行預塑化,并將熔體輸送到注射腔內,利用8 mm的螺桿進行注射。為了防止物料的回流,注塑單元設計了止逆閥和密封系統(tǒng)。值得一提的是,該微注射成型模塊可快速裝卸運用于Arburg其他型號的注塑機上。

圖1 Arburg生產的雙螺桿微注射成型模塊Fig.1 Twin-screw microinjection molding module made by Arburg

三階式微注塑單元是由著名注塑機生產商Battenfeld首次提出的,并成功應用于其微型注塑機Microsystem 50[5]。該微型注塑機的注塑單元采用單螺桿雙柱塞的新型結構,如圖2所示,塑料顆粒由螺桿旋轉進行預塑化,塑化的物料進入到計量室,并由一個帶有壓力傳感器的柱塞進行計量。預塑化螺桿與計量室之間的通道有一個旋轉閥用來控制計量室的入口啟閉。計量完成后,旋轉閥閉合、注射柱塞后移、打開注射室的入口。隨后,已精密定量的塑料熔體被壓力柱塞推出注射室進入到模具型腔內。

圖2 Battenfeld生產的三階式微注塑單元Fig.2 Three-step microinjection unit made by Battenfeld

雖然微型注塑機發(fā)展日趨成熟,但是由于其零部件加工困難、價格昂貴,采用普通注塑機進行微制品成型成為一個研究方向。張智仁等[6]開發(fā)了一套外掛式微注塑單元,如圖3所示。該單元將柱塞射出機構與模具設計為一體,采用伺服電機帶動滾珠絲杠的方式實現(xiàn)熔體的精確計量和注射。利用此外掛式微注塑單元便可在一般往復式螺桿成型機上實現(xiàn)微注射成型的功能。張沛欣[7]對外掛式微注塑模塊的不足之處進行了優(yōu)化。

圖3 外掛式微注塑模塊Fig.3 External hanging module of microinjection molding

2 微分注塑機

2.1 微分注塑機的微分系統(tǒng)

本文研制的微分注塑機是在普通注塑機主機的基礎上匹配微分注塑單元,如圖4所示。微分注塑單元主要由微分系統(tǒng)和成型模具組成。微分注塑機的主機采用合模力為600 kN的海天注塑機的基本配置,注塑部件和合模機構采用直角式的空間布置。

圖4 微分注塑機Fig.4 The multi microinjection molding machine

物料通過螺桿旋轉塑化,熔融的物料在注射壓力的作用下進入到微分系統(tǒng)并維持熔體壓力的恒定。熔體壓力達到設定值,觸發(fā)伺服電機旋轉;伺服電機通過聯(lián)軸器帶動齒輪泵旋轉,通過齒輪泵的精密計量、增壓將塑料熔體通過噴嘴注射到模具型腔中,如圖5所示。通過設定齒輪泵的旋轉角度,可控制進入到模具型腔內的物料體積。

圖5 微分注塑機的基本控制原理Fig.5 Control mechanism of multi microinjection molding machine

注塑機的微分系統(tǒng)采用3個熱電偶進行齒輪泵、分流板、噴嘴的溫度控制。對應齒輪泵的每個出口都配備1個噴嘴,每一個噴嘴均可獨立成型微小制品。為了便于不同制品的成型,微分成型模具采用模塊化型腔設計,如圖6所示,便于成型制品型腔的快速更換。

圖6 微分系統(tǒng)及模塊化的型腔塊Fig.6 The multi microinjection molding system and the mold cavity module

2.2 微分注塑機的工藝控制

微型注塑機采用與普通注塑機基本相同的工藝流程,如圖7所示,但也會隨注塑單元的不同而有所不同。與微型注塑機相比,微分注塑機采用微分系統(tǒng)實現(xiàn)熔體的精確計量、分流,這也決定了在注射成型工藝控制方面有其自身的特點,如圖8所示,其中齒輪泵的精密控制是確保微型制品成型的關鍵,也是微分注射與常規(guī)的微注射最大的區(qū)別。在微分注射成型過程中,物料經(jīng)過螺桿的旋轉塑化形成熔體,螺桿將熔體經(jīng)分流板低壓注射到齒輪泵中,齒輪泵的入口壓力作為微分注射成型控制的觸發(fā)信號,在齒輪泵旋轉注射過程中始終檢測熔體壓力并確保壓力的恒定。與常規(guī)注射成型設定螺桿的終止位置相似,微分注射成型通過設定泵內齒輪的旋轉角度實現(xiàn)注射量的控制。

圖7 微注射成型工藝流程Fig.7 Processing chart for microinjection molding

圖8 微分注射成型工藝流程Fig.8 Processing chart for multi microinjection molding

2.3 實例

為了驗證微分注塑機的成型效果,本文進行了初步的微分注射成型試驗,試驗條件如表2所示。通過微型制品的生產發(fā)現(xiàn),微分注射成型可高效率地實現(xiàn)微型制品的成型,如圖9所示。

表2 微分注射成型工藝參數(shù)Tab.2 Processing parameters for multi microinjection molding

圖9 微分注射成型制品(8×)Fig.9 Multi microinjection molded parts

3 結論

(1)利用微分注塑機初步開展了小圓片、小薄片等微型制品的微分注射成型試驗;

(2)采用普通注塑機作為主體構成的微分注塑機可成型微型制品;

(3)微分注塑機的微分系統(tǒng)通過采用多噴嘴的結構形式可高效率成型微型制品。

[1] NEXUS.NEXUS Market Analysis for MEMS and MicrosystemsⅢ2005-2009[R].2009.

[2] Schneider C,Maier G.Small,but Potent Special Plastics for Injection Moulding Microparts[J].Kunststoffe,2001,91:82-84.

[3] Chang Pei-Chi,Hwang Sheng-Jye,Lee Huei-Huang,et al.Development of an External-type Microinjection Molding Module for Thermoplastic Polymer[J].Journal of Materials Processing Technology,2007,184:163-172.

[4] Arburg.最新微型注射模塊[EB/OL].德國:Arburg,2010.http://www.arburg.com/com/CN/cn/arburg/topical/news/news_item100526.jsp.

[5] Zhao J,Mayes H,Chen G,et al.Effects of Process Parameters on the Micro Molding Process[J].Polymer Engineering and Science,2003,43(9):1542-1554.

[6] 張智仁.模具外掛熱澆道型微射出單元的開發(fā)[D].臺南:成功大學機械工程系,2003.

[7] 張沛欣.熱塑性塑膠微射出成型技術之研究[D].臺南:成功大學機械工程系,2006.

Development of Multi Microinjection Molding Machines for Thermoplastics

ZHANG Panpan1,WANGJian2,XIE Pengcheng1,WANG Xiaohua1,YAN G Weimin1＊
(1.School of Mechanical and Electrical Engineering,Beijing University of Chemical Technology,Beijing 100029,China;2.School of Chemical Engineering and Environment,Beijing Institute of Technology,Beijing 100081,China)

The configuration and characters of several microinjection molding plasticizing units were systematically introduced.A novel concept of multi microinjection molding system was presented.The system was designed as a multi microinjection module,which was matched with a vertical injection molding machine and applied in common injection molding machines.The mechanism and basic process of the multi microinjection molding was stated;via the multi microinjection molding,multiple microparts were obtained.The molding experiment indicated the efficient microinjection capability of the multi microinjection molding machines.

multi microinjection molding machine;microinjection molding machine;micro part;injection unit

TQ320.66+2

B

1001-9278(2011)07-0089-05

2011-04-04

國家自然科學基金項目(50973009)

＊聯(lián)系人,yangwm@mail.buct.edu.cn