微成型关键技术Word文档下载推荐.docx
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应用微型注塑模具成型微机电系统中的构件，与目前应用在微机电系统领域的硅基材料构件相比，其制造成本低，生产周期短，成型工艺简单，构件质量更易于保证。
随着微机电系统（MEMS,MicroElectronicMechanicSystem）技术发展日趋成熟，制造微小零件的技术也日益受到重视。
在微机电制品众多的制造方式中，微注射成型因其高精度、低价格、高生产效率以及能成型结构复杂制品等优点，应用最为广泛，所以研发微注射成型机刻不容缓。
同时相对于其他材料如玻璃、金属、硅等，塑料具有以下一些特点：
低温下容易加工；
低密度，轻质量；
高韧性；
抵抗溶解和腐蚀能力强；
不易老化；
低价格；
生物适应性好等，这些无可比拟的优点导致了塑料在众多行业和领域得到了推广和应用，如汽车、医疗器械、电脑、钟表制造业等等，这在一定程度上又促进了微注射成型机的飞速发展。
2、微成型与常规注射成型技术的区别与联系
与常规注射成型技术一样，微成型技术包含微型注塑模具与微型注塑机两部分。
但还未看到对“微型”概念严格的定义，只是随着科学技术的发展，所谓微型塑件外形尺寸和重量的度量正在向微米和毫克级发展。
目前,微型塑件体积一般在1mm3左右;
利用
多型腔模具，成型单个塑件的重量可小到1.5mg。
微型模具是注射模具技术一个新的分支，但它与常规注射模具有很大的不同。
二者之间最明显的区别就是其组成部分的尺寸不同，以及精度指标不同。
微型模具的总体尺寸小，加工精度高；
但不是单纯的尺寸缩小，它有一套与常规成型技术不同的技术规范。
它向常规成型技术提出了一系列挑战。
首先，在模具设计方面，由于成型型腔体积较小,相对而言浇注系统的体积较大，浇注系统的质量一般至少占总注射量的75%,这是常规成型模具设计人员难以接受的思想，由此还产生了模具温度调节的问题；
其次,由于微型塑件质量小，壁薄,微成型模具的推出结构不宜采用常规的推出机构，可以采
用吸附等装置使塑件脱模；
浇口也是微成型中的一个关键问题，在微成型中，浇口尺寸一般大于塑件的尺寸。
在模具材料选择、加工方面也存在一系列新问题。
微成型技术对注塑机也有与常规注射成型不同的要求，德国亚琛理工大学的塑料
科技学院（IKV）经过数年的研究总结出微成型技术对注塑机的基本要求：
（1）驱动单元：
准确性高、噪音低、无污染；
（2）配料单元：
要确保不吸入空气，并具有自动进料、干燥和计量功能；
（3）塑化单元：
应能达到400C的温度,能使熔料均匀塑化，在此单元滞留时间短，因为熔料在咼温下易分解；
（4）注射单元：
最小注射量应能达到1mg,最大注射压力60Mpa,无泄漏。
（如图
2-1）
图2-1微注射机的注射单元结构
3、微注射成型的技术要求
微细与微量成型（简称微成型）与传统成型的主要不同是关键尺寸更小、要求精度更高，因此较传统成型技术更难成型，此类成型件可分为以下几种类型：
（1）微量注射成型件（microinjectionmoldedparts），此类微注射成型零件质量以mg为计量单位，主体尺寸通常小于1mm，但其尺寸精度不要求达到m」级，如微齿轮、微泵；
（2）微精密零件（microprecisionpart,此类微注射成型零件不以mg为计量单位，但其几何尺寸精度要求达到m」级，如光纤连接器等；
（3）微结构注射成型件（injectionmoldedpartswithmicrostructureregion）,此类微注射成型制品质量不以mg为计量单位，主体尺寸大于1mm（其长宽高介于0.2mm至50mm之间），但是具有微结构，如孔槽等，尺寸精度达到m丄亚微米等级，如导光板、DVD等；
（4）微量精密射出成型制品（microinjectionmoldedprecisionpart）,此类微注射成型制品，既要求质量以mg为计量单位，又要求尺寸精度达到m」级，，如基因治疗用微针、MESM元件、可植入人耳的助听装置等；
4、微注射成型的核心技术
目前从事微成型批量生产需要有微米级模具设计与制造技术，并且搭配小型精密注射成型机。
其关键技术分类如下：
/f微注射成型机的总体设计
f微注射成形机彳
[微注射成形机的控制系统
模温控制
（
I排气
微成型注射机核心技术<
微成型模具/合模
\1
顶出
I
模流CAE控制模仁的材料与加工
高分子材料的分析
微成型制品的检测和处理系统
4、1微注射机的设计及其控制系统
相对于传统注射机，微注射成型机主要在以下三个部分进行了改进：
（1）塑化装置：
挤出螺杆必须充分的混合塑料熔体，使熔体在模腔内达到均一，且保证停留在模腔的熔体尽可能少，以防止停留时间过长，从而导致材料降解；
（2）精密计量：
因制品仅数克或数百毫克，容许的误差比较小，因此计量时必须精确；
（3）高注射速度：
微成型制品表面积与体积的比值较大，冷却速度加快，因此注射时间很短，且高剪切速率可以降低熔体的粘度，促进熔体充填，一般要求注射速度为800mm/s以上。
除了这些机体本身的设计改进以外，我们还得考虑模具、脱模、取出、检测、包装、洁净室环境等方面。
图2-1为微注射机的示意图，它建立了一个可视化装置，可以很直观的观察熔体在型腔内的充填行为，以全程监控微注射成型充填过程。
当注射柱塞将熔体挤进型腔后，人可以在观察窗口透过玻璃很直观的观察熔体的充填行为，同时高速摄像机通过反射镜将熔体在型腔内的充填过程拍摄下来，传输到计算机，以分析显示出来，这种微注射成型机在现有机器的基础上又前进了一步。
3
I——►斗
图4-1微注射成型机示意图
（1）热流道；
（2）注射柱塞；
（3）高速摄像机；
（4）图像捕捉系统；
（5）反射镜；
（6）玻璃；
（7）固定板；
（8）支撑板；
（9）模穴；
（10）观察窗口
4、2微注射成型机的监控系统
在注射成型过程中，聚合物材料经历了从固态到熔融状态，最后再回到固态的过程，因此过程的连续监控对工艺参数优化和注射过程控制非常重要。
在注射成型过程中，温度和压力通常被作为最主要的监控参数，尤其是型腔温度和压力。
注射柱塞
位畫传感器
力传感蠡
数据采集系统
图4-2微注射成型过程监控系统
图4-2是微注射成型过程监控系统。
在这个系统中，力传感器安装在柱塞的末端
以测量注射压力。
现在市场上所售的一般压力传感器太大，以致于很难安装在微型腔
里以直接测量型腔的压力，目前最小的压力传感器是6383AE，直径只有1mm。
另在
柱塞的两端各安装一个位置传感器，用来传递柱塞的位置和模具开合模信号，柱塞的位置和模具的开合模信号作为测量开始与停止的触发信号。
从传感器获得的信号传给数据采集系统以进行分析，数据分析工作可以同步进行，而且将获得的信息保存下来并在电脑屏幕上显示出来，通过压力曲线和注射时间来监控注射成型过程。
4、3微成型模具设计及其制造
4.3.1模温控制系统
虽然微注射制品的体积小、重量轻，但流动阻力大，成型周期长，同时在注射成型时因模壁温度低于玻璃化转变温度，因此热由模壁带走导致塑料凝固形成冷凝层，从而导致充填不足，为此成型时所需的模温需要达到一定高温，帮助熔体流动，但高模温又使冷却周期增长。
因此考虑采用变模温控制系统，在注射之前先将模温升高到可完全充填的温度，然后再注射成型，充填完成后再将模具温度降到凝固温度以下，图4-3为在恒模温和变模温控制情况下熔体充填情况。
感应式加热是变模温控制的一种方式之一，它利用互相感应能量传输给模板，经过铜线圈的高频电流产生交替式电磁场，从而在靠近被加热导电材料表面处形成涡流，涡流借助电阻的作用，提高了导体的热能焦耳值。
模具的快速加热和金属中热量的直接产生，是微注射成形中利用感应加热的最好理由，其它加热方法将热能传送至镶块的过程比较费时。
以生产效率而言，感应式加热能量传输率高，加热速度加快，而又只加热了镶块的表面，传送的热量极小，这些热量又能迅速的被驱散，所以成型周期时间仍然很短。
鹹吉构微纟論
图4-3不同模温控制方式对熔体充填情况影响的比较
但感应式加热也有以下问题值得注意：
一是狭小型腔是否能容纳感应式，因此在一开始设计模具时需考虑其大小、模厚、注射机曲柄轴的行程；
二是模具中的金属成分会被磁化，可磁化的模板会改变感应器的阻抗。
在转换磁场的有效范围内，每个导体都被感应了，这容易引起升温，因此必须采取适当方法来限制对型腔的加热。
4.3.2排气系统
微注射成型过程中必须对塑料进行排气工作，且型腔必抽真，以避免成型过中产生气泡，影响制品的加工。
因为熔体射入型腔后，若型腔内的空气无法有效排出则会发生欠注、制品烧焦、气泡等问题，这些情况在微注射成型中将更加严重。
传统的排气是借助排气道分型面，然而这对微注射方面是不可行的，因为成型的制品可能会小到与排气通道一样大，因此考虑使用抽真空方式进行排气。
在注射成型前，先对型腔进行抽真空，抽到一定真空度时，再进行注射成型，注射完成后，抽真空排气也同时结束。
图4-4为在有抽真空和没有抽真空条件下，微注射成型充填情况比较。
从图上可以看出，抽真空排气后，由于型腔内部无空气阻力的作用，制品充填比较完整，而没有抽真空即借助排气道排气，制品充填不完整。
图4-4排气方式对制品充填的影响
433合模精度
当塑料制品在成型时，锁模单元必须提供足够大的力量以确保模具的闭合，防止塑料注射时的高压将模具撑开，导致成型品不良情形发生，但过大的锁模力也会造成模具变形，使分模面未完全密合，除此之外，在设计微模具时，须注意重要零件的定位，以减少模具组装时的累积公差。
合模精度牵涉到与机台的配合，模具部分要让动模和定模对位精度达到微米级，这也是一个极困难的设计。
4.3.4顶出机构
制品注射冷却完成后，就要考虑如何将制品取出来。
当制品的尺寸达到微米级时，使用顶出杆的方式顶出便不适合。
一是因为相同尺寸精度的顶出杆制作不易，二是因为强度的考虑，且微小制品受到顶出力后可能会产生翘曲、变形等，故需采用吸附或其他机构设计的方式。
4.3.5镶块材料及加工方式
通常需考虑热膨胀系数小、弹性系数大的材料作为模具材料，因热膨胀系数愈小，
在相同模温下，热变形量也愈小；
弹性系数愈大，在相同的锁模力下，模具变形量愈
小。
常规注射成型所使用的机器及模具都较大，相对所需要注射压力及锁模力也高得多，因此所使用的模具都以高强度、高刚性的金属材料主，但微注射成型所需锁模力一般在10吨以下，因此模具材料已不再局限于金属材料。
非金属材料，如陶瓷、玻璃、硅材料等，热膨胀系数非常小，复制出来的制品尺寸可保持良好的精度。
此外，非金属材料普遍熔点很高，所以在高温加热下，材料表面不易产生氧化和化学现象，而且加工性佳，不会产生切屑等现象，目前非金属的加工成型技术正在逐步发展，这些都是非金属材料作为微型模具（镶块）的优势。
目前模具的微细加工方式大概可分三大类：
（1）整合蚀刻技术及薄膜技术的硅基微细加工；
（2）微光刻电铸模造技术；
（3）微机械加工技术。
各加工方法加的工范围及整合应用：
表4-1各加工方法加的工范围及整合应用
硅基加工
体型微加工
面型微加工
LIGA技术
微机械加工
工件尺寸
0.2mm~Pm
Am
0.2mm~Am
mm~Am
加工深度
为004m
<
10»
m
》000mm
可加工的横斜面
形状
受限制
佳
适用材料
固定
有限
范围很广
成本
低
中等
高
IC兼容性
尚可
极佳
少量生产
差
大量生产
组装能力
4.4模流CAE分析
熔体在微流道内充填行为与传统充填行为的主要区别是其流道与型腔的截面尺寸以及熔体注射量微小，由此引发充填流动中的许多因素明显与宏观成型过程不同。
但是目前对微注射成型过程进行模流分析主要还是采用一些传统的商业仿真软件，如C-MOLD、FIDAP、POLYFLOW、MOLDFLOW、CADMOULD等，这些软件都是基于常规的流变学数据进行开发的，忽略了一些对宏观尺度影响不大而可忽略的因素，但是这些因素在微尺度范围内却往往会有很大的影响，如流动过程的非等温特性、型腔排气、型腔的表面粗糙度、边界滑移、熔体的表面张力、重力、惯性力、熔体的粘弹性效应及流动过程中的可压缩性等。
虽然这些软件仍可用于微成型模流仿真分析，以指导微成型模具设计和工艺参数优化，但是其结果已经不是很准确。
5、微型模具制造技术
由于微型模具的尺寸小，加工精度高，传统的模具制造方法已不能满足其要求。
为了迎接微成型技术的挑战，模具制造者们正在将铣削加工等传统的模具制造技术引入该领域,并在不断开发研究新的加工方法。
5.1LIGA技术
LIGA技术以三个主要工艺为基础：
射线蚀刻、电铸成型、注塑复制。
它既是一套完整的微结构生产工艺，又可以进行单步选择。
图5-1是其工艺流程图，其主要工艺过程如下：
（1）深度X射线蚀刻经过掩膜、X射线照射、然后显影，在光刻胶上刻蚀出具有高深宽比光刻胶图形。
（2）电铸成型及制模——将金属从电极上沉积在底板光刻胶图形的空隙里，直至金属填满整个光刻胶图形的空隙。
这一过程是将光刻胶图形转化为相反结构的金属图
形。
此金属结构可作为批量复制模具的组成部分。
（3）注模复制将去掉基片及光刻胶的金属模壳附上带有注入孔的金属板,
从注入孔向模腔中注入塑料，然后去掉模壳。
在金属板上就会留下一个塑料结构，把该结构作为模芯，以金属板作为电极进行另一次电铸成型，去掉塑料模芯,便复制出一个金属微结构产品。
该金属微结构产品就可以作为模具的型腔嵌件。
为了得到理想的具有高深宽比的立体结构超微细元件，需做X射线深度蚀刻。
最终
得到的光刻胶图形质量依赖于X射线掩模图形的精度、辐射过程的投影精度和X射
线光刻胶的留模率等因素。
图5-1工艺流程图
5.2微铣削加工
为了提高其加工精度，模具制造商们在不断地改进传统的铣削加工机械。
德国亚琛
的Fraunhofer产品技术研究所（IPT）和美国Fraunhofer机械制造技术改造中心正在设
计一种特殊的铣削加工机床，该机床带有气动轴承和机轴，在切削加工中，这类轴承和机轴传送切削工具的运动更加稳定，每次传送切削工具的步距在30nm以内。
而大部分常规数控设备达不到这个精度，传统机床每次步距多在1[1m〜3卩m。
新型气动轴承杆加工部件的尺寸可以小至101m。
新型超精密机床要求被加工金属表面平整平滑，因此在加工之前应采用快速切削法将其表面加工平整。
6、工艺参数控制技术
注射制品的质量是各个工艺参数共同影响的结果，微成型过程中出现的典型问题是充模不足。
如果在注射前型腔内留有空气，则不能完成注射成型，因为微型模具的型腔就像盲孔一样,所以对微型模具型腔抽真空是非常重要的。
必须由一个抽真空装置在注射
前把型腔抽成真空。
提高料筒内熔料的温度可以提高其充模能力，但过高的温度使熔料分解的可能性加大。
一种可替换的方法是让熔料保持适中的温度而提高注射速率。
在高速注射下，熔料
的剪切速率？
丫增大，粘度n降低，粘度降低的过程中，熔料会产生热量；
温度升高，粘度会继续降低。
在整个成型周期模具温度是非常重要的，如果模具温度低，熔料在流经高深宽比的微小空间时，会在几毫秒内冷却，造成过早过快冷却，会产生充模不足以及熔接痕等缺陷。
熔接痕产生的原因是两个方向流动的熔料相遇后没有发生充分的融合造成的。
为了避免这些问题，可以把模具加热到一个过早冷却不会发生的温度，这个温度由聚合
物的玻璃化温度Tg决定。
美国路易斯安娜州立大学的微系统工程组的试验表明把模具加热到聚合物玻璃化温度Tg以上,即使在注射速率很低的情况下也可以完全充模。
脱模时模具温度要足够低以使塑件具有足够的机械强度不至产生脱模缺陷，然而脱模温
度越低生产周期就会越长，因为这样在下一个成型周期内必须再加热模具，所以模具温
度的调节范围必须加以合理地控制。
模具温度控制可以采用油热法（VariothermHeatingProcess）。
采用此法可使模具保持一个恒定的温度，在充模结束后，充入冷油就变为冷却系统。
一般来说，微成型模具都比较小，但都是一模多腔，仍然可以在各个型腔之间加入冷却管道。
此外还可以采用电加热法,此法可以使模具与嵌件的温度保持一致。
7、结论与展望
随着MEMS产业化的进程，微注射成型机作为微机电元件高效、低廉的一种制造技术，具有广大的发展潜力和市场价值。
微成型技术的发展在这二十年里已经取得了巨大的进步，并且已经开发出了相关的机器设备，但是这些微注射成型机还不够完善，以上的一些关键技术还需要进一步去研究完善，以获得突破。
微成型技术有着巨大的应用潜力和发展空间。
研究适合微型注塑模具和微型注塑机的成型理论和制造方法，寻找和研制适合微型塑件生产的塑料原料，开发相应的检测元件、装置和技术，扩展其应用范围，已成为目前研究的热点。
即如何将现有的、常规的注射成型技术“移植”到微成型中去，以使微成型技术得到快速发展，正是各国科学家的努力方向。
目前从所掌握的在工艺方面，开展了LIGA、小机械加工、放电加工、化学三维成型等工艺研究，所取得的成果为我国的微成型技术的研究与应用奠定了良好的工作基础。
因而充分利用已有的工艺研究基础进行微成型技术研究，不仅能填补国内空白，而且
也可参与国际的科研竞争，促进MEMS的商品化进程。
参考文献：
[1]蒋炳炎，谢磊，杜雪•微注射成型机发展现状与展望•中国塑料，2004.
[2]宋满仓，王敏杰•微成型技术的现状与发展.中国机械工程.2003.
[3]田扬超，胡一贯.同步辐射X射线光刻应用新领域一LIGA技术。
1994.
[4]王立鼎，刘冲.微机电系统科学与技术发展趋势.大连理工大学学报,2000.
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