淺析微注塑成型模具制造技術

林銳

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

[關鍵詞]微模具;成型;制造技術

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

微注塑成型是一門新興的先進制造技術，起步較晚，相關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識不清，沒有統(tǒng)一的觀點，因此，關于微注塑成型技術的相關基礎理論研究受到研究者較大的關注。目前關于微注塑成型的研究多局限于微注塑成型機的研制、微型模具的設計與制造、微注塑成型材料、成型工藝以及數值模擬分析等方面。光學裝置、電子產品、通信設備、醫(yī)療器械等對聚合物制品提出了微型化的要求，聚合物微成型技術應運而生。微注塑成型技術，具有成型制件效率高、尺寸與質量一致性好等特點。可以滿足各類微小裝置或器件對復雜塑件的需求。微塑件既可作為微結構件在微機電系統(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，即將高分子材料經過微注塑機的柱塞或螺桿進行加熱、熔融、擠壓，在注射壓力的作用下，熔料通過注塑機噴嘴、模具主流道、分流道、澆口進入模具型腔成型，然后經過保壓、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，其機械精度直接決定了注塑件的質量，而微模具的成本和壽命則是影響大批量注塑生產的關鍵因素，微注塑過程的模溫控制、排氣控制、塑件頂出等設計也與微模具結構密不可分。

聚合物微成型技術是采用模塑成型方法高效率、高精度、低成本、批量生產聚合物微制品的成型技術，主要包括微注射成型技術、微熱壓成型技術和微擠出成型技術等。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）制品體積或質量微小，整體尺寸小于 1mm，如微機械系統(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，但表面具有微細特征結構，如光學、生化醫(yī)療領域使用的導光板、微光柵、微流控芯片、介入導管等。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，其設計的合理性和加工質量直接決定了微制品的成型質量。

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)的模具設計理論和方法在微成型模具設計中不再完全適用，因此微成型模具的設計已成為國內外研究的熱點和難點。

二、微注塑成型模具的特點

近年來，關于微注塑模具制造技術的研究受到廣泛關注。一般認為微模具應符合以下特征：其應用對象的整體尺寸或局部尺寸小于1mm;微模具微細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質量小于1mg或者局部結構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

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)質模具鋼，可以根據注塑機尺寸選定標準模架再加工，在模架上通常設置有熱流道、澆口、冷水道、真空排氣槽、頂出塑件機構等。模架上不含要復制的微細結構，采用機械加工方法就能滿足一般精度要求。鑲塊式微模具中，用于復制的微結構部分鑲嵌在模架中，稱為型芯，有些文獻也稱之為鑲塊。微注塑工藝要求型芯尺寸精度高、耐高溫、耐沖擊、耐疲勞、并且能與模架機構和特征位置相配合。根據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?？紤]熱膨脹系數小、彈性系數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量聚合物微制品的技術保證。傳統(tǒng)加工方法可以實現微成型模具部分零部件的加工，但難以加工具有微細三維結構的成型零件，而微細加工技術為微成型模具微細結構的加工提供了條件。微細加工技術是指制造微小尺寸制品或結構的生產加工技術，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)展起來的微機械加工技術，如微車削、微銑削、微磨削技術等。2）在特種加工方法上發(fā)展起來的微細特種加工技術，如微細電火花加工、微細電化學加工、微細高能束加工、微細電鑄加工、水射流微細切割技術等。3）基于LIGA的加工技術如LIGA、UV-LIGA、電子束 LIGA 和激光 LIGA 技術等。微細加工技術的選擇主要取決于加工尺寸、表面質量、深寬比和經濟條件等。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鍵零部件可能需要結合多種微細加工技術。

3.微注射成型模具制造技術

微型腔是微注射成型模具的核心零件，其結構尺寸及精度在微米級，表面精度要求較高，微型腔的加工質量直接影響制品的成型質量，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械加工技術、微細特種加工技術和基于 LIGA 的加工技術。

從微注塑成型模具角度綜述了微注塑成型模具設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)缺點進行了歸納總結，對微模具設計要點進行了分析。其結論如下：

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。微注塑模具結構設計的要求與常規(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構特征尺寸在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構的微型芯，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量、選用厚硅片、優(yōu)化注塑參數、采用間接脫模方式，可以降低硅微注塑型芯損壞機率，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。

參考文獻

[1] 劉玉敏.微注塑成型的定義、原理及應用[A].煤炭企業(yè)檔案管理優(yōu)秀論文集（2010）[C].2011.

[2] 梁慶南.微注塑成型模具制造技術[J].制造業(yè)自動化，2015，01：125-126.