微注塑成型技術(shù)的發(fā)展與趨勢

微注塑成型技術(shù)的發(fā)展與趨勢

微塑料生產(chǎn)技術(shù)，加工方法有效，尺寸和質(zhì)量的一致性好，?？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。目前,對于微注塑成型技術(shù)尚未形成統(tǒng)一的定義。Whiteside等根據(jù)微塑件的特征尺寸,給出了微注塑成型技術(shù)的概念,即微注塑成型技術(shù)應(yīng)能夠成型以下類型塑件:1)塑件體積微小,總體尺寸小于1mm,如微齒輪、微透鏡、微螺栓螺母;2)塑件總體尺寸在毫米和厘米量級,但表面具有微細結(jié)構(gòu)的塑件,如導(dǎo)光板、微光柵、微流控芯片;3)塑件總體尺寸和特征尺寸均無限制,但局部尺寸精度在微米量級。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(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。目前,專門關(guān)于微注塑模具設(shè)計與制造方面的文獻綜述較少,本文從微注塑模具的特點、設(shè)計組成、材料選擇、制造方法等角度出發(fā),對微注塑成型模具設(shè)計與制造的發(fā)展現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢進行了闡述。1微注塑模具的特殊性近年來,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。微注塑模具基本組成與常規(guī)注塑模具相似,但在具體要求上存在明顯差異:1)加工方法特殊。微注塑模具上存在多個跨尺度特征尺寸,局部尺寸極其微小,精度要求復(fù)雜,傳統(tǒng)的切削加工方法難以滿足加工要求,往往需要結(jié)合多種微細加工和精密加工方法,因此,存在工藝兼容性問題。2)控溫方法特殊。微注塑的對象是微小零件,其反模-微模具型腔的局部或整體表體比大,微注塑充型過程熔體體積及其總含熱量減少,熱量散失快,導(dǎo)致充型過程熔體溫度變化幅度較大。因此,需要在微注塑模具中增加快速變換模具溫度單元,以適應(yīng)微塑件高效生產(chǎn)。3)真空排氣要求特殊。微模具對加工精度要求較高,合模后動-靜模貼合嚴密,型腔處于封閉狀態(tài),型腔內(nèi)殘留氣體以及熔體夾帶的氣體無法利用間隙順暢排出,影響熔體填充率。需要設(shè)計與微結(jié)構(gòu)相匹配的輔助排氣通道和抽真空裝置主動排氣,促進熔體填充。4)脫模方式特殊。微塑件具有質(zhì)量小和壁薄的特點,塑件脫模是微注塑模具設(shè)計的一大難點。受細長推桿及微小孔制造的限制,推桿直接推出塑件的脫模方式難以利用。因此,微注塑模具需要研究適合微塑件結(jié)構(gòu)特點的脫模方式,既要保證微塑件平穩(wěn)脫模,不產(chǎn)生任何變形和損傷,又要使結(jié)構(gòu)簡單,便于制造與裝配。2微塑料制造技術(shù)2.1金模架的重復(fù)利用微注塑模具由模架部分和型芯組成,二者可以制作為一體(如圖1a),也可以分別加工,然后通過螺紋或過盈配合連接(如圖1b),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)注塑機尺寸選定標準模架再加工,在模架上通常設(shè)置有熱流道、澆口、冷水道、真空排氣槽、頂出塑件機構(gòu)等。模架上不含要復(fù)制的微細結(jié)構(gòu),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(fù)制的微結(jié)構(gòu)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(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。2.2制作整體模具及模具型芯通?？紤]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。2.2.1微細電火花加工去除材料成型方法包括激光切割、微細銑削、微細電火花加工等。微細電火花加工主要優(yōu)點是能夠加工高硬度、高韌性的難加工的導(dǎo)電材料,也易實現(xiàn)復(fù)雜型面的零件加工。美國MTD公司的電火花系列機床可以提供小至1.5μm步距進給量,使用直徑從25～250μm金屬絲進行電火花加工。該公司利用此類設(shè)備制造了各種微模具,用于注塑各種微流體器件、多路微光纖連接器、人體植入微部件,塑件制品尺寸可小至幾十微米。微細電火花加工需要復(fù)雜的電極,并且容易損耗,在生產(chǎn)效率方面尚有許多不足之處。微細銑削也可以用于加工微模具型芯。通過選擇直徑在幾個微米左右的微細刀具和編程控制刀具運動,可銑削出形狀多樣、材料各異、特征尺寸在10μm～10mm的微結(jié)構(gòu)。Weule等用硬質(zhì)合金微銑刀直接銑成微型汽車的鋼質(zhì)輪殼模具,表面粗糙度Rz0.5μm,加工表面近似鏡面。微細電火花和微細銑削加工的主要問題是電極和刀具在與工件相接觸部分快速磨損,使得型芯加工精度難以在控制,加工單件復(fù)雜模具需要多次更換電極或刀具。激光加工技術(shù)是一種非接觸加工方式。采用CO2激光器可以加工特征尺寸在10～20μm的微細結(jié)構(gòu)。若采用飛秒深紫外激光加工(波長280nm),聚激光焦后可在較低的脈沖能量下獲得極高的峰值功率密度,由于作用時間極短,能量尚未擴散,材料已經(jīng)加熱蒸發(fā),這樣,材料以氣相蒸發(fā)帶走大部分熱量,熱擴散影響很小,克服了長脈沖激光加工過程中熱擴散帶來的材料變形和燒熔問題,加工分辨率可以達到1μm,甚至更小,能夠用于亞微米甚至納米級的金屬、玻璃、金剛石、陶瓷等材料微模具型芯加工。上述工藝對加工設(shè)備和操作精細程度要求很高,并且多數(shù)適用于加工特征尺寸在10μm以上的結(jié)構(gòu),限制了微注塑的應(yīng)用范圍。2.2.2細胞培養(yǎng)模具的制作堆積材料成型的加工方法主要指UV-LIGA和LIGA加工,大連理工大學(xué)劉沖研究組采用多重電鑄的方法,制作了具有雙層微結(jié)構(gòu)的鎳材料細胞培養(yǎng)腔注塑模具(圖2);Kim等對UV-LIGA工藝進行了改進,在對SU-8顯影曝光后,進行高溫回火,使其適當流動并在表面張力作用下趨于圓滑,然后進行二次微電鑄,制作了具有三維平滑微細結(jié)構(gòu)的手機導(dǎo)光板微模具型芯,其表面質(zhì)量優(yōu)于采用電火花加工的微模具型芯表面(圖3)。2.2.3微結(jié)構(gòu)加工方法將去除材料的方法與堆積材料兩種成型方法組合在一起制作金屬微結(jié)構(gòu)的方法稱為組合成型的加工方法。大連理工大學(xué)杜立群教授等采用UV-LIGA和微細電火花加工技術(shù)組合的工藝方法制作出了局部為梯形凸臺和錐形凹槽三維微結(jié)構(gòu)的鎳模具(圖4)。2.3硅微模具型芯的制備技術(shù)微注塑成型所需鎖模力一般在10t以下,鎖模力對模具型芯的沖擊低于常規(guī)注塑,因此一些抗沖擊性能略低于金屬的材料,如硅、玻璃、陶瓷等,也可以用于制造用于微注塑成型的型芯。非金屬材料熱膨脹系數(shù)小,有助于提高塑料制品復(fù)制精度。此外,上述非金屬材料具有高熔點和高溫化學(xué)惰性的特點,在微注塑過程中,材料表面不易產(chǎn)生變形、氧化和其他化學(xué)反應(yīng)?，F(xiàn)階段,基于硅微加工技術(shù)的硅微型芯制造方法有明顯優(yōu)勢。首先,在制造方法方面,源于微電子制造方法的硅微加工技術(shù)具有高復(fù)制精度、高效率、批量化和低成本的優(yōu)勢;其次,硅材料具有耐高溫、高強度、良好傳熱性等優(yōu)點;最后,結(jié)合深紫外曝光或X射線曝光等技術(shù)還能夠在硅片上制作nm量級的微納結(jié)構(gòu),這為下一步納注塑發(fā)展奠定了技術(shù)基礎(chǔ)。1999年,Shah等最早利用硅微加工方法制作微注塑型芯,但限于當時微細加工能力的綜合技術(shù)水平,并未引起人們重視。2004年,Yoon等對采用鎳合金型芯和硅型芯微注塑效果進行對比,結(jié)果表明:采用硅型芯加工微塑件的表面質(zhì)量不遜色于采用鎳合金型芯制作的微塑件。2006年,Slocum等利用濕法腐蝕的硅模具注塑了微刀片結(jié)構(gòu),其刀片尖端厚度僅為300nm,而采用微細電火花加工鋼模具注塑同一器件的尖端厚度為3μm,進一步證實了硅微模具在微注塑領(lǐng)域具有一定的優(yōu)勢。應(yīng)用硅模具存在材料脆性的問題。硅是一種硬脆性材料,硅微模具型芯在注塑中不易磨損,但容易出現(xiàn)破損,表現(xiàn)為型芯整體斷裂和在型芯微細結(jié)構(gòu)附近出現(xiàn)裂紋兩種破損形式,整體斷裂往往出現(xiàn)在注塑初始階段,而微細結(jié)構(gòu)附近裂紋則經(jīng)常在多次注塑后出現(xiàn),表現(xiàn)為疲勞損傷形式。對此,我們進行了大量工藝實驗探索,認為以下是影響硅微模具型芯破損的主要因素:1)型腔與硅模具接觸面的平整度及表面精度直接影響硅模具的壽命。在注塑過程中,局部不平整容易引起注塑過程中受力集中。2)硅模具本身強度及微結(jié)構(gòu)形貌。選擇厚硅片制作型芯,能夠提高硅模具強度;在高密度微細結(jié)構(gòu)處容易出現(xiàn)裂紋,這可能與硅微型芯加工過程中產(chǎn)生的內(nèi)應(yīng)力有關(guān)。3)注塑速度、鎖模力、溫度等注塑參數(shù)也對硅模具壽命有影響。4)不恰當?shù)拿撃７绞綍鬼敆U頂出力通過剛體傳遞作用在硅模具型芯局部,引起型芯破碎。我們通過提高模架配合面加工質(zhì)量、選用厚度超過1mm的硅片、優(yōu)化注塑參數(shù)、設(shè)計間接頂出脫模方式,顯著降低了硅微注塑型芯損壞幾率,其壽命可超過500次以上,能滿足中小批量生產(chǎn)要求,其成本不及電火花加工的同形金屬模具十分之一。3微注塑模具設(shè)計的主要研究方向受微小塑件尺寸或體積微小帶來的“尺度效應(yīng)”的影響,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,目前的研究主要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。3.1高頻臨界加熱微注塑需要具有快速變換模溫,能根據(jù)注塑各階段不同要求調(diào)整溫度,以適應(yīng)微塑件的快速高效率的生產(chǎn),這就需要在模具模架部分設(shè)計高效的控溫和傳熱方法;目前用于微注塑變溫加熱有以下電熱水冷變模溫控制、感應(yīng)加熱變模溫控制、復(fù)合模壁絕熱-壓縮熱空氣加熱變模溫控制等。復(fù)合模壁絕熱-壓縮熱空氣加熱變模溫控制主要特點是:采用加熱的壓縮空氣為熱源,模具溫度調(diào)整機械部分由三層組成:外層為高熱傳導(dǎo)率材料形成的預(yù)熱層;中間層為低熱傳導(dǎo)率材料形成的絕緣層;底層為傳統(tǒng)的模板基體,這種設(shè)計能夠減少熱損耗,提高升降溫速度。Yao等采用高頻臨界加熱方式,在5s時間內(nèi)以93W/cm2的表面加熱能力迅速使模腔從室溫快速加熱到240℃。Pei等設(shè)計了紅外快速表面加熱的輻射結(jié)構(gòu),使模具中心的表面溫度在紅外加熱下15s內(nèi)可以從83℃上升188℃,顯著提高注塑成型能力。Lin等研究了氣對流、電熱-液態(tài)氮冷和電熱-水冷三種變模溫控制方法,結(jié)果表明:采用電熱-水冷變模溫控制方法升降溫速度最快。Yao等提出利用熱解石墨導(dǎo)熱率高的特點進行模溫控制,在模具表面進行了熱解石墨涂層,如圖5,通電加熱后,其表面溫度從50℃上升到250℃只需2s,斷電后,從250℃冷卻到50℃只需8s。這種方法升降溫迅速,有一定應(yīng)用價值,但注塑中產(chǎn)生的熱應(yīng)力及高注塑壓力易產(chǎn)生涂層開裂,因此應(yīng)用到實際生產(chǎn)還有困難。3.2動-靜模機械配合在微注塑成型過程中,局部殘留空氣會在成型過程中產(chǎn)生氣泡,空氣阻力也會影響成型質(zhì)量。常規(guī)注塑可借助排氣道分型面排氣,但對于微注塑,微模具型腔多為盲孔結(jié)構(gòu),為防止飛邊,還需要零間隙的動-靜模合模機械配合,這使得由動-靜模分型面間隙快速排凈空氣很困難。為了迅速排出氣體,可采用由微小排氣通道端口、緊湊的真空通路及相應(yīng)的密封結(jié)構(gòu)等組成的真空輔助排氣系統(tǒng)主動排氣,提高注塑質(zhì)量。3.3機械頂出方式微塑件脫模也是設(shè)計微模具需要考慮的問題。對于整體尺寸微小的零件,可選的推桿直徑近似甚至超過微小塑件接觸面,很難應(yīng)用推桿直接頂出方式脫模。對于微注塑,有人提出真空吸附或壓縮空氣吹落塑件的方法,克服機械頂出對塑件和模具的破壞問題。同課題組于同敏老師等提出一種推桿間接推出方法,實現(xiàn)微小塑件的脫模,即用頂桿直接頂出尺寸相對較大的流道,通過流道和澆口帶動塑件脫模,由于推出作用力并未直接作用在微塑件上,保證了塑件尺寸精度和表面質(zhì)量,這種方法需要較厚的流道,以防止頂出過程中流道斷裂。4微注塑模具結(jié)構(gòu)設(shè)計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)缺點進行了歸納總結(jié),對微模具設(shè)計要點進行了分析。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