微分注塑機(jī)的研制

張攀攀,王 建,謝鵬程,王小華,楊衛(wèi)民＊

(1.北京化工大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院,北京100029;2.北京理工大學(xué)化工與環(huán)境學(xué)院,北京100081)

微分注塑機(jī)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(xué)機(jī)電工程學(xué)院,北京100029;2.北京理工大學(xué)化工與環(huán)境學(xué)院,北京100081)

系統(tǒng)地介紹了微型注塑機(jī)注塑單元的結(jié)構(gòu)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(jī),詳細(xì)地闡述了微分注射成型的機(jī)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(jié)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(jī);微型注塑機(jī);微型制品;注塑單元

0 前言

近些年來,微機(jī)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(dá)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(chǎn)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(jī)電系統(tǒng)制造過程中對成本的控制。

微型注塑機(jī)是塑料微型制品主要的成型設(shè)備。微型注塑機(jī)的設(shè)計、加工通常是在小尺度下進(jìn)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(jī)價格居高不下。

經(jīng)過這些年的發(fā)展,微型注塑機(jī)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(jī)注塑單元的結(jié)構(gòu)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(jī),并對微分注射成型機(jī)理進(jìn)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(jī)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(jī)的注塑單元

眾所周知,現(xiàn)代的螺桿式注塑機(jī)是從最初的柱塞式注塑機(jī)發(fā)展而來。螺桿式注塑機(jī)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(jī)相比,微型注塑機(jī)的設(shè)計關(guān)鍵是實現(xiàn)對微注射量的精密控制。柱塞式注射結(jié)構(gòu)更有利于注射量的高精密控制,這使得柱塞式的注射結(jié)構(gòu)在微型注塑機(jī)上得到廣泛的應(yīng)用。現(xiàn)有的微型注塑機(jī)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(xué)強(qiáng)度的提高是螺桿式微型注塑機(jī)注塑單元的核心。

隨著微型注塑機(jī)的發(fā)展,螺桿與柱塞相結(jié)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(zhuǎn)對物料進(jìn)行預(yù)塑化,在壓力的作用下將熔體輸送到柱塞室中。塑化結(jié)束后,螺桿與柱塞連接處的閥門關(guān)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(yīng)用較廣泛,已形成成熟的商業(yè)化產(chǎn)品,如表1所示。

表1 部分微型注塑機(jī)的生產(chǎn)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(jī)驅(qū)動15 mm或者18 mm的螺桿進(jìn)行預(yù)塑化,并將熔體輸送到注射腔內(nèi),利用8 mm的螺桿進(jìn)行注射。為了防止物料的回流,注塑單元設(shè)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(jī)上。

圖1 Arburg生產(chǎn)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(jī)生產(chǎn)商Battenfeld首次提出的,并成功應(yīng)用于其微型注塑機(jī)Microsystem 50[5]。該微型注塑機(jī)的注塑單元采用單螺桿雙柱塞的新型結(jié)構(gòu),如圖2所示,塑料顆粒由螺桿旋轉(zhuǎn)進(jìn)行預(yù)塑化,塑化的物料進(jìn)入到計量室,并由一個帶有壓力傳感器的柱塞進(jìn)行計量。預(yù)塑化螺桿與計量室之間的通道有一個旋轉(zhuǎn)閥用來控制計量室的入口啟閉。計量完成后,旋轉(zhuǎn)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(jìn)入到模具型腔內(nèi)。

圖2 Battenfeld生產(chǎn)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(jī)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(jī)進(jìn)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(jī)構(gòu)與模具設(shè)計為一體,采用伺服電機(jī)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(fù)式螺桿成型機(jī)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(jìn)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(jī)

2.1 微分注塑機(jī)的微分系統(tǒng)

本文研制的微分注塑機(jī)是在普通注塑機(jī)主機(jī)的基礎(chǔ)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(jī)的主機(jī)采用合模力為600 kN的海天注塑機(jī)的基本配置,注塑部件和合模機(jī)構(gòu)采用直角式的空間布置。

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

物料通過螺桿旋轉(zhuǎn)塑化,熔融的物料在注射壓力的作用下進(jìn)入到微分系統(tǒng)并維持熔體壓力的恒定。熔體壓力達(dá)到設(shè)定值,觸發(fā)伺服電機(jī)旋轉(zhuǎn);伺服電機(jī)通過聯(lián)軸器帶動齒輪泵旋轉(zhuǎn),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(shè)定齒輪泵的旋轉(zhuǎn)角度,可控制進(jìn)入到模具型腔內(nèi)的物料體積。

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

注塑機(jī)的微分系統(tǒng)采用3個熱電偶進(jìn)行齒輪泵、分流板、噴嘴的溫度控制。對應(yīng)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(shè)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(jī)的工藝控制

微型注塑機(jī)采用與普通注塑機(jī)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(jī)相比,微分注塑機(jī)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(guān)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(zhuǎn)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(zhuǎn)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(shè)定螺桿的終止位置相似,微分注射成型通過設(shè)定泵內(nèi)齒輪的旋轉(zhuǎn)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(jī)的成型效果,本文進(jìn)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(chǎn)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(jié)論

(1)利用微分注塑機(jī)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(jī)作為主體構(gòu)成的微分注塑機(jī)可成型微型制品;

(3)微分注塑機(jī)的微分系統(tǒng)通過采用多噴嘴的結(jié)構(gòu)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(xué)機(jī)械工程系,2003.

[7] 張沛欣.熱塑性塑膠微射出成型技術(shù)之研究[D].臺南:成功大學(xué)機(jī)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(xué)基金項目(50973009)

＊聯(lián)系人,yangwm@mail.buct.edu.cn