聚合物微型加工.ppt

,微型加工,Contents,目录,1、概述：微型加工的发展及其特点,2、微型注射的成型设备,3、微型注射的成型模具,4、微型注射的成型材料,6、微型注射中结构与性能的关系,5、微型注射的工艺过程,7、微型注射的发展趋势,概述,微型加工的发展及其特点,01,微型加工的发展及其特点,近年来，人类社会对微型制品的需求不断增大，2015年全球微型器件产业超过7000亿美元，发展前景十分诱人。聚合物材料已逐渐成为微加工技术领域十分重要的组成部分，在微机械电子、生物医学、航空航天等先进制造领域得到广泛应用，微型加工技术已是当今国际聚合物材料加工领域的研究热点。,微型加工的发展及其特点,微型加工的发展及其特点,微型加工的发展及其特点,聚合物微型加工是指将材料塑化并转移至具有微纳结构特征模具中形成微型制品的过程。 一般而言，制品具有如下特点：重量100，至少有一维尺寸0.1，公差0.005。,微型加工的发展及其特点,聚合物材料的微型加工方法一般包括溶剂辅助微成型技术、浇铸成型技术、微模塑复制技术、真空辅助成型技术、微型挤出、刻蚀技术、热熔技术、微型热压等。 上述方法往往对微零件的结构、成型过程以及成型材料有特殊的要求，被限定在一些特定的应用领域。相比而言，聚合物微型注射成型技术因为具有其它成型方法无法比拟的优势，已经成为当今聚合物微成型应用最为广泛的方法,微型加工的发展及其特点,微型注射成型的特点： 1、技术对原材料的限制相对较少，绝大多数聚合物材料及其复合材料都能进行微型注射成型； 2、易于自动化操作，生产效率高，成型周期短；3、产品种类多、更新快； 4、快速反应能力； 5、工作性能稳定,成型原理,微型加工的成型设备,02,微型加工的成型设备,德国亚琛工业大学IKV研究所总结出微注塑技术对于注塑机的要求： (1)注射单元的最小注射量应能达到1毫克，注射压力要求达220MPa250MPa，且无泄漏； (2)驱动单元须准确性高、无污染且噪音低； (3)塑化单元的塑化温度达到400。C，聚合物均匀塑化，为避免熔融聚合物在高温下分解，须严格控制聚合物在塑化单元滞留时间； (4)配料单元要求进料过程中不吸入空气，并有自动进料、干燥及计量等功能。,微型加工的成型设备,按塑化和注射单元的机构设计分类, 可分为螺杆式、柱塞式、螺杆柱塞混合式及其他特殊形式。,微型加工的成型设备,1) 螺杆式 微注塑成型过程的注射量很小，所以要求注塑机注射单元的螺杆直径要相应减小，目前全球最小螺杆直径为12mm，更小的螺杆容易扭断。 德国DrBoy公司出品的Boy 12AM(129-11)型，为单阶型螺杆式注塑成型机典型代表,微型加工的成型设备,2)柱塞式 包括单一柱塞型和柱塞-柱塞型, 单一柱塞型将粒状或粉状的塑料向前推送, 绕经一鱼雷状分流梭, 经由喷嘴注入模腔, 分流梭的功能是将塑料分散于管内部表层, 使塑料更容易塑化; 柱塞-柱塞型是由两组柱塞分别完成塑化和计量注射功能。 右图为西班牙Cronoplast 公司的Baby plast6/10,微型加工的成型设备,3)螺杆柱塞混合式 微注射成型机以螺杆作为塑化单元, 完成混料与塑化, 以小直径柱塞配合伺服马达与控制器作为微注射单元, 完成精密计量与注射. 右图为英国MCP 公司的12/90 HSP,成型原理,微型加工的成型模具,03,微型加工的成型模具,由于微型注射制品的微小化和精细化特点，微型注射用模具需要具有一些特殊的结构和功能： （1）变模温控制装置。因为过低的模具温度，会使微型注射成型过程变得困难，而过高的模具温度又会延长成型周期，同时，也限制了成型工艺参数的优化； （2）预抽真空装置。微型注射制品尺寸微小，且多为微型盲孔结构，如果不设置抽真空装置，容易造成欠注、烧焦或出现气泡等制品缺陷； （3）微型传感器。保证精密程度和耐久程度； （4）特殊的脱模装置； （5）全自动质量检测装置和筛选系统,微型加工的成型模具,模具结构 模具一般采用主体结构和微型型腔镶块结构相结合的模式，其中模具主体结构包括调温装置、抽真空结构、基本的模板、导柱等。 首先在金属块上进行微细加工，然后将金属块嵌入模板进行装配，这样不仅便于微小结构的加工和镶块更换，同时也能提高整个模具的使用寿命。,微型加工的成型模具,对于微型模具的加工，普通的加工方法已经不能满足其要求，必须采用一些先进的微纳米制造技术： （1）光制作技术 （2）微机械加工技术 （3）电化学微型成型加工技术,成型原理,微型加工的成型材料,04,微型加工的成型材料,对聚合物材料的要求： 极高的可模塑性。 由于塑件特征尺寸小、模具型腔的表体比较大，微尺寸效应等，易导致微型高分子器件难以实现填充，严重影响微型制件的质量； 很高的力学强度。 由于微注射制品整体或局部尺寸很小，其力学性能必然下降。但很多领域对微型制品力学性能的要求却越来越高； 极高的精度。 由于聚合物材料收缩率波动较大，会导致微注射制品不能满足其精度要求。,微型加工的成型材料,总的来说，要求聚合物必须具备物理机械性能良好，熔体黏度低，冷却周期短，尺寸稳定性好等特点。 同时，根据注塑制件的不同需求，还应考虑其他特殊性能，如力学性能和光学性能等。微注塑成型材料主要有聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)、聚碳酸酯(PC)、聚甲醛(POM)、聚丙烯(PP)等，各材料的性能如表所示：,成型原理,微型加工的工艺过程,05,微型加工的成型工艺过程,（1）成型周期 注射成型注塑机动作过程：合模预塑注射机前进注射保压注射机后退冷却开模顶出开门取工件关门合模。,微型加工的成型工艺过程,（2）压力随注射时间的变化 1.注射活塞开始运动； 2.熔体到达分流道； 3.熔体经分流道开始向浇口流动； 4.熔体到达浇口； 5.熔体从浇口进入微型样品型腔； 6.熔体到达型腔末端； 7.熔体充满型腔直 8.注射压力转为保压压力 9.熔体保压结束； 10.微型制件开始冷却； 11.微型制品开模。,微型加工的成型工艺过程,（3）注射过程工艺控制 实验表明，模具温度、料筒温度、注射时间、保压压力、保压时间、冷却时间等工艺参数对产品质量都有或多或少的影响。 保压压力对产品翘曲变形量的贡献率最大，其次为注射时间，其他工艺参数对翘曲变形量的影响不大,微型加工的成型工艺过程,1）温度 模具温度 在常规注塑成型中，模具温度远小于注射温度。微注塑中聚合物熔体表体比大，如果采用常规注塑工艺，熔体将迅速冷却，黏度很快提高，会造成填充不足，并产生一系列微塑件缺陷。这可以通过提高模具温度、降低熔体与壁面温度梯度的方式来解决。 由表可知，微注塑模具温度可接近聚合物的熔融温度( Tm) 或玻璃化转变温度( Tg) 。,微型加工的成型工艺过程,1）温度 料筒温度 要能使聚合物材料微型注射成型过程顺利完成，必须获得低的熔体黏度，而提高料筒温度是简便而可行的措施。 温度是微注射成型过程中聚合物结晶的最敏感因素，温度场的变化影响结晶度的变化，结晶度对微制品力学性能的影响较为显著。 熔体温度越高，微流道成型质量越好，但表面质量越差；温度是聚合物结晶最敏感因素，温度场变化影响结晶度的变化，结晶度对力学性能的影响较为显著,微型加工的成型工艺过程,2）压力 注射压力和保压压力也是影响微型注射成型的重要工艺参数。 研究表明，在熔料温度、模具温度一定的情况下，增加注射压力和保压压力有利于微型成型过程顺利完成。 为保证能够正确充模，需要高注射速度和高注射压力(达数百至数千kg/cm2)，料温在允许范围内尽可能取高的熔体温度，模具壁温也应控制在高端。为获得足够大的注射量需要使用大流道和大浇口，这样能保证聚合物在流动过程中可靠地控制和切换，以避免材料降解。,微型加工的成型工艺过程,3）对微型注塑与普通注塑很大不同的注射速度、模温、料温分析： 随模腔温度增加，注射压力峰值大幅下降。 解释：增加模腔温度会导致熔体本体温度升高，导致熔体粘度下降，流动性增强，熔体在充填微型模腔过程中受到的阻力减小，注射压力峰值因此降低。,微型加工的成型工艺过程,3）对微型注塑与普通注塑很大不同的注射速度、模温、料温分析： 随注射速度增加，注射压力峰值明显增加，到达峰值的时间（段）明显减少，熔体保压阶段（段）结束的时间也相应提前。 解释：随注射速度增加，为达到设定速率所需的注射压力增加，模腔压力亦增加，同时两者的响应时间明显缩短，即时间段减小，导致整个峰前移。,微型加工的成型工艺过程,3）对微型注塑与普通注塑很大不同的注射速度、模温、料温分析： 注塑温度的增加，模腔压力随注射时间的变化趋势基本一致，但模腔压力峰值随注塑温度的增加明显减小。 解释：增加温度可减小熔体黏度，增加熔体流动性，有效减小注射活塞在注射过程中的阻力，降低充模阶段的注射压力，从而显著降低模腔压力，有利于熔体充填模腔和减少微型制品的内应力。,微型加工的成型工艺过程,3）对微型注塑与普通注塑很大不同的注射速度、模温、料温分析： 注塑温度对复合材料体系熔体充填率的影响 右图可见，随注塑温度的增加，充填率亦增加，只有当温度增至270 时，微型样品模腔才被充填完全。普通PA11加工温度仅为221 到 274，可见其微型注塑对料温需求更高。,结构与性能的关系,06,微型加工的结构与性能的关系,1）结晶性能的影响 相比于高熔点的无定形聚合物，结晶聚合物因为力学强度、耐热性等方面的优势，在微注射成型中的应用更为广泛。 更重要的是，在微注射成型过程中，结晶聚合物多层次结构的可调整性非常强，同时，还可能在这种极端的成型过程中形成特殊的、高性能的结晶形态，进一步提高微型制品的性能。例如PP、PE等材料，能够形成皮芯结构； 2）填料的影响 填料会明显影响微型制件的物理机械性能和加工性，如流动性、制品的收缩率等；填料的加入降低了微型注射制品的拉伸性能、断裂伸长率等，但会增加制件的弹性模量，而且随着填料含量的增加，这种影响将会更明显。,微型加工的结构与性能的关系,3）玻璃化温度的影响 要使熔融态的物料快速充满微小型腔, 模具的温度必须高于玻璃化温度一定值,但不必高于熔点 ;所以, 物料的玻璃化温度越高 , 模具所需的温度也就越高。此外 , 物料的玻璃化温度与粘流温度差值越小, 流动充模后熔体固化所需的时间越短。 4）高温稳定性的影响 物料在微小流道流动时引起的温升不能高于物料的分解温度;由于熔体体积很小, 即使注射时间很短, 物料在流道内也有分解的可能性。,微型加工的结构与性能的关系,5）粘度的影响 因为微注射成型的浇口及流道尺寸都是微米级的, 所以剪切对粘度的影响比温度大 ;同时, 若用升高温度来降低熔体粘度势必延长成型时间, 故在物料允许的剪切速率范围内, 提高剪切速率可更好地成型制品 。 6）收缩率的影响 虽然微小尺寸的收缩量很小 ;但如果在平行于某个尺寸上的收缩量大于其允许的公差时, 就应规定一个最大收缩率。所以在制品成型前必须精确确定垂直和平行流向方向的收缩率。,微型加工的结构与性能的关系,7）机械性能的影响 微制品的局部尺寸都是微米级的, 且有很大的长宽比;为使制品满足使用要求并能安全脱模 , 物料必须具有很好的刚强度等机械性能。 8）脱模性能的影响 脱模是微注射成型的主要难题。如果物料与模壁的粘接力太大将造成脱模困难甚至无法脱模, 给制品的生产和使用带来极大的不利。,微型加工的发展趋势,07,微型加工的发展趋势,（1）注射材料 多数微注射成型机以聚合物作为注射对象, 而微注射成型技术所涵盖的成型范围不仅包括聚合物而且包括粉末喂料。由于粉末喂料与聚合物熔体在材料物性和工艺要求上存在较大差异, 因此随着微粉末注射成型技术的日益成熟, 针对粉末喂料的专用微注射成型机的研究有待进一步的深入。 （2）塑化方式 微注射成型机的塑化单元均采用螺杆式或柱塞式, 由于柱塞式塑化效果欠佳, 未成为当前发展的主流, 而螺杆式虽然塑化效果较好, 但是仍然存在着小尺寸螺杆加工难度大, 使用寿命有限和塑化时间较长等问题。因此, 新的环保高效的塑化方式还有待进一步的探索, 如超声波塑化、微波塑化及激光塑化等。,微型加工的发展趋势,（3）产品性能测试 微注射成型产品尺寸微小, 很少有合适的测试仪器能对产品的成型性能进行全面准确的测试, 而且测试效率也很低。而成型产品的性能是对成型机性能和稳定性的重要评价指标, 所以完善微注射成型机中产品性能检测模块的功能也是微注射成型机发展面临的主要挑战之一。 （4）设备智能化 当前微注射成型机主要担任产品生产的角色, 而随着计算机技术和机电一体化的发展,微注射成型机不仅要完成产品生产的任务, 还要通过计算机将产品设计、计算机仿真分析、生产管理及客户服务等系统有效的整合, 进行智能化的生产操作。,微型加工的发展趋势,（5）网络化 随着计算机网络技术的发展, 微注射成型机将发展具备网络通讯能力的控制系统和检测系统, 使生产管理及控制网络化。通过微注射成型专家系统可以在线操作微注射成型机, 对成型零件在线监视并自动调整成型工艺参数, 提高零件成型精度和稳定性, 并有效降低操作人员的技术依赖性, 有利于多元生产及行销网点的掌控。,部分参考文献,1杨其,李光宪.聚合物及其复合材料的微成型加工研究进展J.高分子通报,2013,9(7):107-112.2王小华,丁玉梅,谢鹏程,杨卫民.微注射成型工艺及装备研究进展J.现代塑料加工应用,2012,24(1):50-52 3蒋炳炎,谢磊.微注射成型机发展现状与展望J.中国塑料，2004,18（9）：6-8