林銳

[摘 ?要]隨著微納技術(shù)的蓬勃發(fā)展，微型化和精密化產(chǎn)品的需求日益增多，“微型”這一概念已深入各行各業(yè)。微注塑成型技術(shù)因能夠加工具有微結(jié)構(gòu)特征的塑料制品且具有成型工藝簡單，制品幾何形狀、尺寸及材料適應(yīng)性好，成本低，效率高，可連續(xù)化、自動化生產(chǎn)等一系列優(yōu)點，在微成型領(lǐng)域的發(fā)展十分迅速，下面筆者就微注塑成型模具制造技術(shù)作出簡要闡述。

[關(guān)鍵詞]微模具;成型;制造技術(shù)

中圖分類號：TQ320.52 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1009-914X（2016）22-0036-01

微注塑成型是一門新興的先進(jìn)制造技術(shù)，起步較晚，相關(guān)理論研究還不夠系統(tǒng)和成熟，對微小尺度塑件成型過程中的許多問題還認(rèn)識不清，沒有統(tǒng)一的觀點，因此，關(guān)于微注塑成型技術(shù)的相關(guān)基礎(chǔ)理論研究受到研究者較大的關(guān)注。目前關(guān)于微注塑成型的研究多局限于微注塑成型機(jī)的研制、微型模具的設(shè)計與制造、微注塑成型材料、成型工藝以及數(shù)值模擬分析等方面。光學(xué)裝置、電子產(chǎn)品、通信設(shè)備、醫(yī)療器械等對聚合物制品提出了微型化的要求，聚合物微成型技術(shù)應(yīng)運而生。微注塑成型技術(shù)，具有成型制件效率高、尺寸與質(zhì)量一致性好等特點?？梢詽M足各類微小裝置或器件對復(fù)雜塑件的需求。微塑件既可作為微結(jié)構(gòu)件在微機(jī)電系統(tǒng)中發(fā)揮重要功能作用，還可以將各種微小尺寸的元器件通過聚合物注塑封裝成一體，簡化系統(tǒng)整體或部分裝配工藝。微注塑成型方法與其他聚合物成型方法相比，主要優(yōu)勢是高生產(chǎn)效率和低制造成本。

一、微注塑成型原理

微注塑成型源于常規(guī)注射成型，其原理同常規(guī)注射成型一樣，即將高分子材料經(jīng)過微注塑機(jī)的柱塞或螺桿進(jìn)行加熱、熔融、擠壓，在注射壓力的作用下，熔料通過注塑機(jī)噴嘴、模具主流道、分流道、澆口進(jìn)入模具型腔成型，然后經(jīng)過保壓、冷卻和脫模，獲得成型制品。成型過程主要包括塑化、注射、保壓、冷卻、脫模五個過程。微模具是微注塑成型的核心，其機(jī)械精度直接決定了注塑件的質(zhì)量，而微模具的成本和壽命則是影響大批量注塑生產(chǎn)的關(guān)鍵因素，微注塑過程的模溫控制、排氣控制、塑件頂出等設(shè)計也與微模具結(jié)構(gòu)密不可分。

聚合物微成型技術(shù)是采用模塑成型方法高效率、高精度、低成本、批量生產(chǎn)聚合物微制品的成型技術(shù)，主要包括微注射成型技術(shù)、微熱壓成型技術(shù)和微擠出成型技術(shù)等。目前，對于聚合物微成型尚未形成統(tǒng)一的定義和分類，主要通過其成型的微制品進(jìn)行定義和分類。廣義上講，聚合物微制品包括以下3種類型：

1）制品體積或質(zhì)量微小，整體尺寸小于 1mm，如微機(jī)械系統(tǒng)中使用的微齒輪、微透鏡、微螺栓螺母等。2）制品整體尺寸在毫米和厘米量級，但表面具有微細(xì)特征結(jié)構(gòu)，如光學(xué)、生化醫(yī)療領(lǐng)域使用的導(dǎo)光板、微光柵、微流控芯片、介入導(dǎo)管等。3）制品整體尺寸和特征尺寸均無限制，但局部尺寸精度在微米量級，如聚合物高精度非球面鏡片等。微成型模具是成型上述微制品的重要裝備，其設(shè)計的合理性和加工質(zhì)量直接決定了微制品的成型質(zhì)量。

聚合物微成型模具的型腔或流道尺寸跨越宏—微觀尺度范圍，受到尺度效應(yīng)的影響，成型過程中熔體的流動、傳熱都與宏觀尺度下不同;對模具型腔的通氣、排氣、微小制品的脫模取件等有特殊要求，傳統(tǒng)的模具設(shè)計理論和方法在微成型模具設(shè)計中不再完全適用，因此微成型模具的設(shè)計已成為國內(nèi)外研究的熱點和難點。

二、微注塑成型模具的特點

近年來，關(guān)于微注塑模具制造技術(shù)的研究受到廣泛關(guān)注。一般認(rèn)為微模具應(yīng)符合以下特征：其應(yīng)用對象的整體尺寸或局部尺寸小于1mm;微模具微細(xì)尺寸從幾微米到幾百微米;微模具表面粗糙度值在0.1μm以下。隨著微加工和精密加工的發(fā)展，微模具的概念也不斷向前演變。目前，采用LIGA制造的微注塑模具已可用來生產(chǎn)質(zhì)量小于1mg或者局部結(jié)構(gòu)化面積只有幾平方微米的極微小型注塑制品。

三、微注塑成型模具制造技術(shù)

1、微注塑成型模具組成

微注塑模具由模架部分和型芯組成，二者可以制作為一體，也可以分別加工，然后通過螺紋或過盈配合連接，稱為鑲塊式微模具。后者更有利于拆卸更換和零部件的重復(fù)利用，同時也能夠發(fā)揮不同加工方法的優(yōu)勢。對于鑲塊式微模具，其模架材料多選擇優(yōu)質(zhì)模具鋼，可以根據(jù)注塑機(jī)尺寸選定標(biāo)準(zhǔn)模架再加工，在模架上通常設(shè)置有熱流道、澆口、冷水道、真空排氣槽、頂出塑件機(jī)構(gòu)等。模架上不含要復(fù)制的微細(xì)結(jié)構(gòu)，采用機(jī)械加工方法就能滿足一般精度要求。鑲塊式微模具中，用于復(fù)制的微結(jié)構(gòu)部分鑲嵌在模架中，稱為型芯，有些文獻(xiàn)也稱之為鑲塊。微注塑工藝要求型芯尺寸精度高、耐高溫、耐沖擊、耐疲勞、并且能與模架機(jī)構(gòu)和特征位置相配合。根據(jù)型芯所用材料可以將微注塑型芯分為金屬微型芯和非金屬微型芯。

2、金屬材料微型芯加工

通常考慮熱膨脹系數(shù)小、彈性系數(shù)大的材料作為制作微注塑型芯或整體模具材料。在微注塑起步階段，人們多選擇耐熱和耐沖擊的金屬材料制作整體模具或模具型芯，如鋼、鋁合金、鎳、鈹銅合金等。適用于這些材料的加工方法可分為去除材料成型和堆積材料成型。

微成型模具的精密制造是成型高質(zhì)量聚合物微制品的技術(shù)保證。傳統(tǒng)加工方法可以實現(xiàn)微成型模具部分零部件的加工，但難以加工具有微細(xì)三維結(jié)構(gòu)的成型零件，而微細(xì)加工技術(shù)為微成型模具微細(xì)結(jié)構(gòu)的加工提供了條件。微細(xì)加工技術(shù)是指制造微小尺寸制品或結(jié)構(gòu)的生產(chǎn)加工技術(shù)，可以分為以下3種類型：3種類型：1）在傳統(tǒng)加工方法上發(fā)展起來的微機(jī)械加工技術(shù)，如微車削、微銑削、微磨削技術(shù)等。2）在特種加工方法上發(fā)展起來的微細(xì)特種加工技術(shù)，如微細(xì)電火花加工、微細(xì)電化學(xué)加工、微細(xì)高能束加工、微細(xì)電鑄加工、水射流微細(xì)切割技術(shù)等。3）基于LIGA的加工技術(shù)如LIGA、UV-LIGA、電子束 LIGA 和激光 LIGA 技術(shù)等。微細(xì)加工技術(shù)的選擇主要取決于加工尺寸、表面質(zhì)量、深寬比和經(jīng)濟(jì)條件等。微成型模具存在跨尺度的幾何尺寸，局部特征尺寸微小，幾何精度和裝配精度要求極高，因此制造微成型模具關(guān)鍵零部件可能需要結(jié)合多種微細(xì)加工技術(shù)。

3.微注射成型模具制造技術(shù)

微型腔是微注射成型模具的核心零件，其結(jié)構(gòu)尺寸及精度在微米級，表面精度要求較高，微型腔的加工質(zhì)量直接影響制品的成型質(zhì)量，是微注射模制造的難點。對于微型腔的加工目前主要采用微機(jī)械加工技術(shù)、微細(xì)特種加工技術(shù)和基于 LIGA 的加工技術(shù)。

從微注塑成型模具角度綜述了微注塑成型模具設(shè)計和制造幾種策略和具體方法，對目前的微模具組成、微型芯加工方法及優(yōu)缺點進(jìn)行了歸納總結(jié)，對微模具設(shè)計要點進(jìn)行了分析。其結(jié)論如下：

1）微注塑模具與常規(guī)注塑模具主要差異在于加工方法、控溫方法、真空排氣、脫模方式等方面，采用鑲塊式微模具組合形式，有利于拆卸更換和零部件的重復(fù)利用，同時也能夠發(fā)揮不同加工方法的優(yōu)勢。微注塑模具結(jié)構(gòu)設(shè)計的要求與常規(guī)注塑模具有諸多不同，重點集中在模溫快速變換、抽真空輔助排氣和微塑件脫模等幾個方面。

2）對于金屬微型芯，可采用去除材料成型和堆積材料成型兩種加工方法。去除材料成型一般加工的微結(jié)構(gòu)特征尺寸在10μm上。以UV-LIGA典型代表的堆積材料成型方式一般適用于加工二維半結(jié)構(gòu)的微型芯，通過特殊的多重光刻和回流等，也可以用于制造多層或三維微型芯。

3）基于硅微加工技術(shù)的硅微型芯制造方法在批量、成本、材料、精度、可加工性等方面有明顯優(yōu)勢，并且可延伸至未來的納注塑領(lǐng)域，但硅材料脆性影響了型芯壽命，通過提高模架配合面加工質(zhì)量、選用厚硅片、優(yōu)化注塑參數(shù)、采用間接脫模方式，可以降低硅微注塑型芯損壞機(jī)率，就目前發(fā)展而言，硅微型芯更適用于靈活的中小批量微注塑生產(chǎn)。

參考文獻(xiàn)

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