微注射成型

微注射成型的提出源於1985年，微注射成型（也稱微成型）用於生產總體尺寸、或特徵功能區、或公差要求以毫米甚至微米計的製品。隨著高技術和精密技術的快速發展，在光通信、計算機數據存儲、醫療技術、生物技術、感測器和傳動裝置、微光學器件、電子和消費類產品，以及設備製造和機械工程等領域中，微注射成型製品呈現快速增長的需求。典型例子包括：手錶和照相機部件，汽車撞擊、加速和距離感測器，硬碟和光碟驅動器讀寫頭，醫療感測器，微型泵，小線軸，高精度齒輪、滑輪和螺旋管，光纖開關和接外掛程式，微電機，外科儀器和通訊製品等。

工藝要求

由於製品的微型特徵，因此需要特殊的成型機械和輔助設備來完成各種生產操作，如：注射量控制、模具排空（真空）、注射工藝、製品頂出、分離、檢驗、存放、定位和包裝。另外模具嵌件和模腔製造也需要特殊的技術。

分類

儘管微注射成型的方法並沒有清楚定義，但一般認為套用於生產以下三類產品或部件的工藝可稱為微注射成型。

圖2 聚碳酸酯小透鏡

1、 重幾微克到幾分之一克，尺寸可能在微米（mm）級的微注塑成型製品，如微齒輪、微操縱桿等。圖1是德國Hengstler公司用聚醚醯亞胺製得的微齒輪，齒輪軸孔直徑和齒廓寬度均小於1mm。

2、 傳統尺寸的注射成型製品，但具有微結構區域或特徵功能區，例如：帶有數據點隙的光碟、具有微表面特徵的透鏡、使用塑膠薄片技術製造微齒輪的薄片等。圖2和圖3是聚碳酸酯小透鏡和透明小齒輪。注意齒輪表面布有寬度小於1mm的同心圓，用於後續製作計數器的數據區。

3、可具有任意尺度，但尺寸公差在微米級的高精度製品，例如光纖技術用接外掛程式等。圖4是一種汽車用微卡子，卡體採用聚甲醛（POM Delrin），卡體尾片厚度為700mm。為減輕運行時卡體振動，採用第二台注射機和旋轉模具，在卡體中部共注射一小塊彈性體，材料為PE-PA共聚物。

設備要求

為滿足微注射成型的特殊需求，採用專門設計的設備和模具至關重要。一般來說，應考慮以下要求：

圖3 透明小齒輪

1、應採用小型塑化裝置，螺桿直徑在12～18mm範圍內，且螺桿長度較短，L/D比值大約為15，以避免長停留時間引起材料降解。

2、精確的注射量控制和理想的注射速度。為此，機器有時裝備有分離的計量和注射用的柱塞和螺桿。其目的在於準確計量注射量和消除由於傳統注射螺桿的分流和死角造成的與材料降解相關的問題。

3、可進行多重控制。比如既可根據螺桿位置，又可根據模腔壓力進行從充模到保壓的轉換。

4、 模溫可調，有能力將模具壁溫升高到一定水平，有時略高於聚合物熔融溫度，以避免超薄部分的早期固化。若微注射成型製品的壁厚小於5mm，須具備模具抽空能力，因為這種情況下壁厚與空氣逃逸的氣孔尺寸處於同一數量級。

5、推薦採用開關型噴嘴，以避免由於高加工溫度造成熔體流涎。

圖4 汽車用微卡子

6、精確定位和輕柔的模具開關速度以避免精巧的微注射成型件發生變形。

7、採用特殊操作技術取出成型件，進行檢驗和包裝。由於微注射成型製品的尺寸和重量與傳統製品存在著顯著差異，故必須採取一些特定步驟以保證製品正確頂出。例如可在注射機上安裝顯示系統以確認微型製品的頂出。此外可使用吸力墊取出製品，它可以使製品保持分離和定向，便於質量控制和包裝，或者使用靜電力或吹出等。對微注射成型製品，傳統的質量控制方法如測量製品重量不再適用。新的質量控制技術使用視頻監視系統來區分合格和不合格製品。

8、儘可能就地準備乾淨封閉場所或層狀周轉箱，以避免污染微注射成型件。微注射成型製品通常是組裝件的一部分，因此將它們按一定方向包裝，準備進行後續的裝配。

圖5 Babyplast公司研製的微型注塑機

為此，若採用現代化的傳統成型機械生產，必須按上述要求進行改裝，以滿足微注射成型的特殊需要。然而隨著製品體積和注射量的減小，傳統注射機不再是一種經濟上可行的解決方案。許多種類“微注射機”因此被開發出來並投入了商業套用。

圖5是西班牙Babyplast公司最新研製的一種微型注塑機。其中塑化單元和注射單元分離，均採用液壓驅動活塞式擠出機，活塞直徑10～18mm。斜上方的塑化單元採用的是金屬球塑化系統，避免了螺桿塑化的強剪下和強生熱造成的材料降解。注塑膠室容積僅15cm3，縮短了物料的高溫滯留時間。機器總功率3kW，淨重150kg。

加工製造

微注射成型模具的加工可以採用傳統的加工方法，如各種機械加工方法和電火花加工（EDM）。但是隨著模具嵌件和模腔尺寸的減小，傳統方法很快達到了它們的加工極限。微電子領域的一些技術已被用於微注射成型模具嵌件和模腔的製造。一種常用方法是LIGA技術，它是x-射線深層光刻，電鑄（電鍍）和注射成型複製的德文單詞縮寫。其他工藝包括：微切削、超精密加工、雷射加工和微EDM技術等。

工藝特徵

微注射成型製品的主要特徵是尺寸小，形狀特殊，功能區複雜。一般來說其大小在幾微米到幾厘米數量級，長寬比在1到100之間，個別功能區要求高強度、高光潔度、高透明性等。為了使這些特徵能夠以高重現度複製，工藝上必須滿足一些特殊要求。具體地說，為保證能夠正確充模，需要高注射速度和高注射壓力（達數百至數千kg/cm2），料溫在允許範圍內儘可能取高的熔體溫度，模具壁溫也應控制在高端。為獲得足夠大的注射量需要使用大流道和大澆口，這樣能保證聚合物在流動過程中可靠地控制和切換，以避免材料降解。模具需要特殊的分置的加熱和冷卻系統，以便動態控制模具溫度。例如：充模時要求模溫高而冷卻時希望模溫低，因此工藝控制需使用兩個不同溫度的油路，分別在充模和冷卻階段加熱和冷卻模具。為控制生產工藝以及有效處理和包裝微注射成型製品，模具應有改進的模具感測器、高精度模具導向裝置、模具抽空系統、集成流道採集器和用於製品取出的機械手、自動澆口切除系統，以及在每個周期激活的模具清洗系統等，這些裝備對微注射成型製品的正確生產和採集都是至關重要的。

從材料角度看，很多適用於巨觀成型的材料都可以用於微成型。微注射成型材料包括：聚甲醛（POM）、聚碳酸酯（PC）、聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）、尼龍（PA）、液晶聚合物（LCP）、聚醚醯亞胺（PEI）和矽橡膠。涉及反應注射的也曾套用過以丙烯酸、丙烯醯胺和矽氧烷為基礎的材料。

優點

微注射成型的模具除尺寸明顯小於傳統模具尺寸外，還具有以下特點：因尺寸小，使型腔數目減少，有利於改善模具的平衡性，提高產品外觀尺寸精確性；因尺寸小，更容易控制模溫的穩定，符合精密成型要求，也節約了模具加熱/冷卻所需的能量；推薦採用熱流道系統；模具成本低，開發周期短。

微注射成型的目的是生產微型製品，因此與其它巨觀注射成型工藝不存在競爭關係，這是它的優點之一。在各種微成型工藝中，注射成型工藝還具有其他一些優勢，如：它可以借鑑傳統塑膠加工技術長期積累的豐富經驗、具有標準化的工藝程式、高自動化程度以及短生產周期等，因此注射成型工藝是各種微成型工藝發展最快的技術。

缺點

微注射成型的主要工藝缺點有：流道體積大，有時流道內物料可能占到總注射重量的90%。而且對於微注射製品套用而言，流道內的材料大多數情況下是不能回收再用的，材料浪費較嚴重。另外由於微注射製品的表面/體積比通常很高，模具在注射過程中必須加熱到熔融溫度以上以防止早期固化，使得生產周期延長。