（机械制造及其自动化专业论文）微型齿轮注塑成型工艺实验研究.pdf

大连理r 大学硕_ = 学位论文 摘要 随着m e m s 技术的飞速发展，微型塑件在各种微型机电产品中的应用需求越来越 多。但由于微型塑件的结构尺寸与体积极其微小，传统的、宏观上的注塑成型工艺理论 和方法不能完全用来指导微型塑件的注塑成型，需要从微观的角度结合微型塑件的实际 特点，建立新的微注塑成型工艺理论和方法。 本文在对微注塑成型技术的国内外研究状况深入分析的基础上，借鉴普通注塑成型 的基本理论和工艺方法，针对微注塑成型工艺过程的实际特点，采用m o l d f l o w 软件模 拟与正交实验相结合的方法，以m e m s 领域常用的微型齿轮塑件为对象，选用了p o m 等三种不同塑料材料，进行了微注塑成型工艺参数对微小塑件成型质量影响规律的研 究。并采用极差分析方法确定实验影响因素的主次顺序，以方差分析方法求得各因素对 实验指标的贡献率。实验结果表明，用p o m 和p p 材料进行注塑成型实验时，模具温度 和熔体温度是影响微型齿轮模具型腔填充流动的主要因素，其中模具温度要达到1 0 0 ， 熔体温度要高于材料熔点5 0 左右，这两种因素作用的贡献率之和超过了7 0 。而注 射压力、注射速率等因素对熔体填充流动的影响较小。当选用a b s 材料进行同样的注 塑成型实验时，却发现在正交实验确定的工艺参数组合中，没有一组实验能使熔体充入 模具型腔。由此表明，在普通注塑成型中被视为流动性中等的a b s 材料，并不适合用 于微注塑成型。 微型齿轮塑件的注塑成型试验研究，对进一步深入开展微注塑成型的基本理论和实 用技术，提供了有价值的参考。 关键词：微注塑成型；微型齿轮；工艺参数；模拟分析；正交实验 微型齿轮注塑成型工艺实验研究 e x p e r i m e n tr e s e a r c ho ni n j e c t i o nm o l d i n gp r o c e s so fm i c r o g e a r a b s t r a c t a st h er a p i dd e v e l o p m e n to fm e m s t e c h n o l o g y , t h ea p p l i c a t i o nd e m a n do fm i c r op a r t s f o rv a r i o u sk i n d so fp r o d u c t si nm i c r om e c h a n i c a ls y s t e mi s g r o w i n g b u ta ss t r u c t u r e d i m e n s i o na n dv o l u m eo fm i c r op l a s t i cp a r t si s e x t r e m e l ys m a l l 。t i l e c o n v e n t i o n a la n d m a c r o s c o p i ci n j e c t i o nm o l d i n gp r o c e s s i n gt h e o r i e sa n dm e t h o d sh a v el o s tt h eg u i d i n g s i g n i f i c a n c e s o ，i ti sn e c e s s a r y t h a tt h en e wt h e o r i e sa n dm e t h o d so fm i c r oi n j e c t i o nm o l d i n g p r o c e s s i n gn e e dt ob es e tu pa c c o r d i n gt ot h ec h a r a c t e r i s t i co f m i c r op l a s t i cp a r t s f i r s tt h ec u r r e n tr e s e a r c ho f m i c r oi n j e c t i o nm o l d i n ga th o m ea n da b r o a di si n t r o d u c e di n t h i st h e s i s ，t h e na c c o r d i n gt ot h eb a s i ct h e o r ya n dp r o c e s so f c o n v e n t i o n a li n e c f i o nm o l d i n g ， s i m u l a t i o na n a l y s i so nm o l d i n gp r o c e s so fm i c r o g e a rw h i c hi sm o l d e dw i t ht h r e et y p e so f p o l y m e ri n c l u d i n gp o m i sc o m p l e t e dw i t lm o l d f l o ws o f t w a r e b a s e do nt h es i m u l a t i o nr e s u l t e f f e c to fp r o c e s sp a r a m e t e r so nq u a l i 哆o fm i c r op a r t si ss t u d i e db yo r t h o g o n a le x p e r i m e n t t h eo r d e ra n dc o n t r i b u t i o nr a t eo fe v e r ye x p e r i m e n tf a c t o ro nt a r g e ti n d e xi sd e t e r m i n e db y m e a n so f r a n g ea n a l y s i sa n da n o v a a n a l y s i sr e s p e c t i v e l y t h ee x p e r i m e n tr e s u l t ss h o wt h a t a sp o ma n dp pi sm o l d e d ，m o l dt e m p e r a t u r ea n dm e l tt e m p e r a t u r ea r et h em a i nf a c t o r st o f i l l i n gr a t eo fm i c r o g e a ra n dt h es u mo ft h e i rc o n t r i b u t i o nr a t ei so v e r7 0 f o rm i c r o i n j e c t i o nm o l d i n g ，m o l dt e m p e r a t u r es h o u l db ea r o u n d1 0 0 。ca n dm e l tt e m p e r a t u r es h o u l db e 5 0 h i g h e rt h a nt h e i rm e l t i n gp o i n t b u ti n j e c t i o np r e s s u r ea n di n j e c t i o nr a t eh a v el i t t l e i n f l u e n c eo nf i l l i n gr a t e w h i l ea b si sm o l d e d ，m e l t e dp o l y m e rc a nn o tb ef i l l e di nt h e m i c r o - g e a rc a v i t yu n d e ra n yp a r a m e t e r sg r o u pf r o mt h eo r t h o g o n a ll i s t t h i sr e s u l ts h o w st h a t a b sw h i c hi sc o n s i d e r e da sg o o df l u i d i t yp o l y m e ri nc o n v e n t i o n mi n j e c t i o nm o l d i n gi sn o t s u i t a b l ef o rm i c r oi n j e c t i o nm o l d i n g t h ee x p e r i m e n t a lr e s e a r c ho nm i c r o g e a ri n j e c t i o nm o l d i n gc a nb eav a l u a b l er e f e r e n c e f o rf u i t h e rs t u d yo f b a s i c p r i n c i p l ea n da p p l i e dt e c h n o l o g yo f m i c r oi n j e c t i o nm o l d i n g k e yw o r d s ：m i c r oi n j e c t i o nm o l d i n g ：m i c r og e a r ；p r o c e s sp a r a m e t e r ss i m u l a t i o n a n a l y s i s ：o r t h o g o n a le x p e r i m e n t 大连理工大学硕士学位论文 1 绪论 随着微纳米技术的不断发展，以本身形状尺寸微小或操作尺度极小为特征的微机 械技术已成为人们在微观领域认识和改造客观世界的一种高新技术。由于微机械具有能 够在狭小空间内进行作业，而又不扰乱工作环境和对象的特点，在航空航天、精密仪器、 生物医学、信息技术和军事等领域有着广阔的应用前景，因此受到世界各个国家的科学 界和政府部门的高度重视，成为二十一世纪科学研究前沿领域的热点之一。 目前，微系统技术的应用已从微电子元件、微型光学仪器、微型医疗仪器、微型传 感器扩展到磁盘读写装置、喷墨打印头等。聚合物材料较其他材料具有耐氧化、耐腐蚀、 易成型、比强度高等优点，此外部分塑料具有透明性和生物相容性的特点，在某些微光 学器件和生物分析芯片领域，更使其成为了唯一的选择。以高分子材料为主的微注塑成 型技术能够既经济又快速地制造大批量微型塑件，成为微成型技术的重要分支。 微型塑件因其结构尺寸与体积微小，注塑成型过程中聚合物熔体在微型型腔内的流 动行为与在传统宏观注塑成型有显著的不同，现有的注塑成型技术和相关理论已不适用 于微注射成型过程，即应用常规注塑成型工艺条件不能生产出高质量的微型塑件。为此 需要通过实验研究微注塑成型过程的特点，找出工艺条件对微型塑件质量的影响规律， 最终确定适合塑件成型质量要求的最佳注塑工艺条件。因此，微注塑成型工艺条件的研 究，对推动微机械技术的实用化与普及化，扩大微机械科学技术的研究与应用领域，以 及提高精密微型模具的制造技术水平都具有十分重要的理论意义和实用价值1 1 l 。 1 1 微注塑成型技术及发展概况 徽注塑成型是在普通注塑成型基础上发展起来的新型成型工艺，具有很好的发展与 应用前景。微注塑成型系统主要包括注射单元、微型模具、锁模装置、温压控制系统、 质量监控系统等。 普通的微注塑成型的工艺过程如下：物料通过螺杆的作用在料筒中塑化均匀后进入 计量室，通过传感器精确计量进入计量室中的熔体体积，当熔体量达到预先设定值后停 止进料，同时计量料桶内的活塞在小型电动机的驱动下将具有精确计量体积的物料推进 注射料筒内，然后注入高温的模具型腔，当注满型腔后进入保压阶段，模具型腔逐渐冷 却，降到脱模温度，最后开模取出制品，同时新的计量过程开始 1 1 。 基金项目：国家自然科学基金资助项目( 5 0 2 7 5 0 2 0 ) 独创性说明 作者郑重声明：本硕士学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工 作及取得研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外， 论文中不包含其他人已经发表或撰写的研究成果，也不包含为获得大连理 工大学或者其他单位的学位或证书所使用过的材料。与我一同工作的同志 对本研究所做的贡献均已在论文中做了明确的说明并表示了谢意。 撕6 1 2 、2 8 大连理工大学硕士研究生学位论文 大连理工大学学位论文版权使用授权书 本学位论文作者及指导教师完全了解“大连理工大学硕士、博士学位论文版权使用 规定”，同意大连理工大学保留并向国家有关部门或机构送交学位论文的复印件和电子 版，允许论文被查阅和借阅。本人授权大连理工大学可以将本学位论文的全部或部分内 容编入有关数据库进行检索，也可采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编学位论 文。 作者签名：三蠹 导师签名： 手虻 兰竺年堡月呈芝日 大连理工大学硕士学位论文 1 绪论 随着微纳米技术的不断发展，以本身形状尺寸微小或操作尺度极小为特征的微机 械技术已成为人们在微观领域认识和改造客观世界的一种高新技术。由于微机械具有能 够在狭小空间内进行作业，而又不扰乱工作环境和对象的特点，在航空航天、精密仪器、 生物医学、信息技术和军事等领域有着广阔的应用前景，因此受到世界各个国家的科学 界和政府部门的高度重视，成为二十一世纪科学研究前沿领域的热点之一。 目前，微系统技术的应用已从微电子元件、微型光学仪器、微型医疗仪器、微型传 感器扩展到磁盘读写装置、喷墨打印头等。聚合物材料较其他材料具有耐氧化、耐腐蚀、 易成型、比强度高等优点，此外部分塑料具有透明性和生物相容性的特点，在某些微光 学器件和生物分析芯片领域，更使其成为了唯一的选择。以高分子材料为主的微注塑成 型技术能够既经济又快速地制造大批量微型塑件，成为微成型技术的重要分支。 微型塑件因其结构尺寸与体积微小，注塑成型过程中聚合物熔体在微型型腔内的流 动行为与在传统宏观注塑成型有显著的不同，现有的注塑成型技术和相关理论已不适用 于微注射成型过程，即应用常规注塑成型工艺条件不能生产出高质量的微型塑件。为此 需要通过实验研究微注塑成型过程的特点，找出工艺条件对微型塑件质量的影响规律， 最终确定适合塑件成型质量要求的最佳注塑工艺条件。因此，微注塑成型工艺条件的研 究，对推动微机械技术的实用化与普及化，扩大微机械科学技术的研究与应用领域，以 及提高精密微型模具的制造技术水平都具有十分重要的理论意义和实用价值1 1 l 。 1 1 微注塑成型技术及发展概况 徽注塑成型是在普通注塑成型基础上发展起来的新型成型工艺，具有很好的发展与 应用前景。微注塑成型系统主要包括注射单元、微型模具、锁模装置、温压控制系统、 质量监控系统等。 普通的微注塑成型的工艺过程如下：物料通过螺杆的作用在料筒中塑化均匀后进入 计量室，通过传感器精确计量进入计量室中的熔体体积，当熔体量达到预先设定值后停 止进料，同时计量料桶内的活塞在小型电动机的驱动下将具有精确计量体积的物料推进 注射料筒内，然后注入高温的模具型腔，当注满型腔后进入保压阶段，模具型腔逐渐冷 却，降到脱模温度，最后开模取出制品，同时新的计量过程开始 1 1 。 基金项目：国家自然科学基金资助项目( 5 0 2 7 5 0 2 0 ) 微型齿轮注塑成型工艺实验研究 1 1 i 微注塑成型技术的含义 目前，学术界对于微注塑成型的概念还没有统一的认识，但多数研究者都是从成型 微小尺寸与微小体积塑件开始研究的。k u k l ac 等从微型塑件的角度给出了微注塑成型 技术的概念：微注塑成型是指射出制品质量以毫克为计算单位，制品几何尺寸以微米为 度量单位的成型方法【3 】o 界定范围又可分为四类： ( 1 ) 以毫克为单位的注塑制件，但其尺寸精度并不一定要达到微米级的水平； ( 2 ) 不以毫克为单位的注塑制件，但其几何尺寸精度要达到微米级的水平； ( 3 ) 以毫克为单位的注塑制件，但其尺寸精度亦需达到微米级的水平； ( 4 ) 不以毫克为单位的注塑制件，但其微结构如孔、槽等要达到微米级的水平。 微注塑成型技术的概念是个相对的概念，随着科学技术的不断发展，对微型塑件的 外形尺寸、尺寸精度和重量必将有更高的要求。 与传统注塑成型技术一样，微注塑成型技术包括微型注塑机、微型模具、微注塑成 型材料与微注塑成型工艺参数四个方面。因此，微注塑成型技术的发展历程实际上也就 是微型注塑机、微型模具、微注塑成型材料与微注塑成型工艺的发展历程。 1 i 2 微型注塑机的发展 微注塑成型对注塑机的要求与传统注塑成型不同，德国亚琛工业大学i k v 研究所经 过多年的研究总结出微注塑成型技术对注塑机的基本要求为：驱动单元：准确性高、 噪音低、无污染；配料单元：要确保不吸入空气，并具有自动进料、干燥和计量功 能；塑化单元：应能达到4 0 0 1 2 的温度，能使熔料均匀塑化，在此单元滞留时间短， 因为熔料在高温下易分解；注射单元：最小注射量应能达到l m g 注射压力高，一般 为2 2 0 , - - 2 5 0 m p a ，有的甚至高达4 0 0 m p a ，无泄漏。 微型注塑机在控制方面有以下特点： ( 1 ) 工艺参数宜采用多级反馈控制与调节，为实现多级注塑工艺提供控制条件。主 要包括多级位置控制、多级速度控制、多级保压控制、多级背压控制和多级螺杆转速控 制。 ( 2 ) 料筒和喷嘴温度控制精度高。料筒温度和喷嘴温度的高低会影响到制品的质 量，因此必须严格控制，升温时微调量要小，温度波动小，加热功率要足够。尤其是喷 嘴温度对银丝、环状斑现象的出现影响很大。温控精度一般应控制在o 5 c 左右。 ( 3 ) 液压油的温度控制精度要求高。液压油温的变化会引起液压油黏度的变化，从 而引起油压系统压力和流量的波动，导致注塑工艺参数的不稳定。因此注塑机必须配备 油温控制装置，工作时油温应稳定在5 0 - - 5 5 以下。 一2 一 大连理工大学硕士学位论文 ( 4 ) 能够对模具温度进行控制。模具温度的高低会影响制品的尺寸精度，特别是对 于结晶型材料。如注塑p o m 和p a 时，模温为5 0 c 时制品精度为5 0 1 0 0 a n ，升至8 0 0 时，精度为2 0 3 0 # m ，而到1 0 0 。c 时为1 0 # m 。由此可见升高模温能显著提高制品精度。 因此近代精密微型注塑机都配有模温控制系统或模温控制器，以水或油为介质通入模具 中对模温进行闭环控制。 模温的确定与材料性能、制品形状、模具结构等有关，模温在材料热变形温度附近 时，可得到高精度制品，但模温过高会使制品在脱模时变形，制品后收缩大。表1 1 为 精密注塑时常用物料的模温。 表1 1 常用物料的模温 t a b 1 tm o l dt e m p e r a t u r eo f c o m m o np l a s t i c 物料名称i p o m l p a 6 6 l a s i p p o i p c i p s u 模温( i 2 )9 0 1 2 01 1 0 1 2 06 5 7 01 1 0 1 5 0 i 9 0 - 1 1 0 l 1 3 0 - - 1 5 0 ( 5 ) 注塑计量彳亍程和注射行程以及缓冲垫厚度的控制应精确，从而保证每次注射量 的准确性，以提高注塑制品成型精度。 微注塑成型刚开始发展的时候，尚没有适合微型塑件注塑成型的注塑机，只能对普 通商业化的液压驱动的注塑单元进行某些改进以作为替代方式。然而相对流道而言，塑 件的质量非常小，经常有超过9 0 的材料被浪费，对于某些光学质量级的不能被重复使 用的塑料来说，这种浪费成为成本增加的主要因素，这种情况对日益注重经济效益的生 产者是无法接受的。而且，传统的注塑机注塑量不够稳定，这也就造成塑件质量和精度 无法保证。此外，粗大的主流道延长了摸具的冷却时闻和生产周期【4 j 。医此，研制具有 微小注射量的注塑机成为实现微注塑成型的重要目标之一。 b a t t e n f e l d 公司于1 9 8 5 年首次推出了用于加i d , 型零件的注射成型单元m i e r o m e l t ， 其注射模块驱动机构仍然采用液压方式。该注塑机的设计完全针对微型模具生产的需 要，采用了直径为1 4 m m 的塑化螺杆，该注塑机的理论注射量为9 2 c m 3 ，但是可以加工 的零件重量范围仍为o 5 0 9 。 这种状况到了2 0 世纪9 0 年代中期得到了较大的改善。国外一些从事注塑机生产的 公司联合几个研究机构合作进行开发研究，研制了专门用于成型微小塑件的微注射单 元。甚至制造出完全新型的用于微型塑件生产的注塑机。其研究目标是在保证稳定的注 塑成型工艺条件下，尽量减小注射熔体的注射量，当时获得的最小注射量为o 0 2 5 9 。 在1 9 9 8 年的欧洲k 9 8 展览会上，b a t t e n f e l d 公司展示了其第一台用于微注塑成型 的概念机m i c r o s y s t e m ，用来生产单件质量在0 1 9 以下的微型塑件。m i c r o s y s t e m 的成功 微型齿轮注塑成型工艺实验研究 研制，攻克了多个微注塑成型过程中的难题。例如，不经济的流道与制件的体积比，较 高的能量损失，过长的加工周期等问题均有所改善。此外，该注塑机还专门设置了质量 控制模块，可以实现塑件质量的在线控制。 图1 1b a t t e n f e l dm i c r o s y s t e n 6 0 注塑机 f i g 1 1b a t t e n f e l dm l c r o s y s t e m s oi 码j e c t i o nm a c h i n e 在2 0 0 1 年的欧洲k o l 展览会上，b a t t e n f e l d 推出了其最新的m i c r o s y s t e m 系列微注 塑机m i c r o s y s t e m s 0 ，见图1 1 1 5 1 。m i c r o s y s t e m s 0 是专门为生产精密微型塑件设计的一种 全电子驱动的注塑机，区别于以前的液压驱动方式该注塑机采用塑化、计量、注射单 元分离式设计，通过模块化的组装完成整机装配。塑化的熔体通过塑化螺杆压入计量单 元，再由计量单元压入注射单元。计量单元包括一个高精度位置控制活塞和一个压力传 感器，该传感器是用来严格控制熔体体积和回流压力的。注射单元是一个直径为5 m m 的推杆，其由一个电动伺服控制的凸轮机构驱动。凸轮机构的应用可以保证推杆在很短 时间内获得较高的速度，并且保持足够的压力将熔体压入型腔。为了满足熔体快速充模 的需要，m i c r o s y s t e m s 0 可以提供超过7 5 0 m m s 的注射速度。m i c r o s y s t e m s 0 系列微型注 塑机集塑件成型、检测、包装功能于一体，该系统的注射量在0 2 5 m g l g 之间，可以成 型重量小于0 0 8 9 的塑件。它的研制成功，代表了已商业化的微型注塑机的最高水平。 i k v 研究所一直在从事微型注塑机方面的前沿研究，该研究所设计并制造了一种新 型的微型注塑概念机，获得了比m i c r o s y s t e m s 0 更小的注射量。但是该注塑机属于研究 性质，并未达到商业化水平。其仍采用预塑化和注射分离式设计，只是注射推杼由 一4 - 大近理工大学硕士学位论文 m i c r o s y s t e m 5 0 的5 m m 减小到2 m m ，这样注射量可以从5 3 0 0 m g 变化。这台概念机不 同于其他微型注塑机的最重要部分，是它有一个单独控温并且和机器的其他部分良好绝 缘的锥形喷嘴，它用电加热并且可以通过注入液体c 0 2 ( t 0 0 l v a c 技术) 来快速的冷 却，使浇口在注射和保压阶段完成后就能立即封闭。既可避免喷嘴的泄漏，节省原材料， 又可缩短成型周期。这种工艺技术将流道质量减小到大约5 1 5 m g 。 在全球有十几家公司开展了微型注塑机的开发与研制，具有代表性的有a r b u r g ， b a t t e n f e l d ，b o y ，d e m a ge r g o t e c h ，e t t l i n g e r ，f e r r o m a t i km i l a e r o ne u r o p ，n i s s e i ， s o d i c k ， s u m i t o m o ，t o m k e nt o o l ，v a nd o r ad e m g 等【6 】。微成型要求注射量小，因 此螺杆直径要相应地减小，目前最小螺杆直径为1 4 m m ，更小的螺杆在注射过程中容易 扭断。注射单元还可以采用柱塞螺杆复合式。锁模力可小至7 0 k n 。德国b o y 公司的 b o y l 2 a 注塑机采用液压系统，螺杆直径1 4 m m ( 1 6 m m ，1 8 r a m ) ，l d 为1 8 ：1 ，注射 量在0 1 5 9 。日本s o d i c k 公司的t r 2 0 e h 注塑机是电液混合驱动式的，柱塞直径1 4 m m ， 行程5 m m ，注射量o 2 9 。德国e t t l i n g e r 公司的注塑机有一个同轴螺杆柱塞复合式注塑 单元，可以生产0 1 5 9 的塑件。美国m u r r a y 公司是一家设计和生产医疗设备零部件的 公司，它也设计制造了微型注塑机。由于它可制造尺寸只有“芝麻”大小的塑件，因此 把它称为“芝麻”系列。它可制造壁厚只有0 0 2 5 m m ，表面积o 2 6 1 m n 2 2 6 m m 2 ，质量 只有0 0 1 m g 的塑件【7 】。其微注射单元结构如图1 2 所示。 图1 2 徽注射单元结构 f i g 1 2s t r u e t u mo f m i c r o - i n j e c t i o nu n i t 近年来，我们国家在微型注塑机的研发上也取得了一定进展。香港奥克兰有限公司 与深圳奥克兰机械有限公司，于2 0 0 3 年下半年，开始了我国第一台微型精密注塑机的 微型齿轮注塑成型工艺实验研究 研制工作。奥克兰首台微型精密注塑机的型号为：m s 。2 3 ，其主要技术参数如下：最大 注塑量8 9 ：注塑速率1 0 c m 3 s ；锁模力5 吨：模板最大开距2 2 0 m m 。采用双缸注塑，直 动式液压锁模结构。其性能特点是：可用于模塑重量o 1 9 ，厚度0 1 m m 的p a 、p c 、 p o m 等工程塑料的微型精密注塑件。为了方便安装模具和更换、联接顶出机构，采用 两板式锁模结构，为了提高锁模单元与注塑单元的运行精度及减小运动阻力，动模板与 注塑单元均采用滚动式线性导轨，运行轻快、定位精确。对于塑件中大量添加玻璃纤维 的场合，料筒与螺杆均进行了x a l o y 合金化处理，以提高其耐磨性能及使用寿命。 香港理工大学微型系统科技中心吕新荣在2 0 0 5 年7 月1 5 日微型系统科技中心成立 的开幕式上向传媒展示其最新研制的一部全球最精确的微型微注塑机，可以制作出米粒 大小的零件，适合生产一些精度高的零件。据介绍，该微型微注塑机是目前世界上唯一 可以运用的真空注塑，注塑速度可达l n g s ，锁模力可达2 吨。一般注塑机制作时是以 横向和斜向地聚合，但这部最精确的机器是由上而下直向地聚合，可以大大提高制造精 度。它适合用于生产一些精度要求高的零件，如手术用途的医疗产品，可以植入身体的 塑胶医疗零件：也可以生产应用到手机的镜头、手表的齿轮等。据了解，香港理工大学 于2 0 0 3 年获创新科技基金拨款港币1 1 8 3 万元，研制一系列微型注塑机器。最近，广东 香港科技协作基金计划也资助8 8 0 万港币予香港理工大学，用于研究制造微型塑件的微 注塑成型技术。 1 1 3 微型模具制造加工技术的发展 制造微型模具的难点在于微小型腔或微小凸、凹结构的加工，而模具其他结构零件 的制造与普通模具基本一致。微小型腔的制造可以在一个很小体积的金属块上进行加 工，然后把金属块作为一个镶块嵌入模板并进行整体装配，这不仅便于微小型腔的微细 加工和镶块的更换，而且能够提高模具整体的使用寿命。为了迎接微型模具制造技术的 挑战，模具制造者们正在不断研究新的微细加工方法并将其应用于加工领域。 ( 1 ) 体硅微加工技术 体硅微加工技术在2 0 世纪6 0 年代首先应用于微电子学，在2 0 世纪7 0 年代逐渐发 展成为三维结构的制造技术。这种工艺的目的是从硅衬底上有选择性地通过刻蚀的办法 除去大量的材料，从而实现所需要的悬空结构，模片和沟，槽等。 采用液相刻蚀剂的刻蚀工艺往往又称为湿法刻蚀，该方法刻蚀效率高，成本低，但 刻蚀精度不高，环境污染严重。一般用于易于刻蚀的材料且要求不高的工艺中，可批量 生产，适用于线宽大于3 # m 的图形且要求精度不高的场合。采用气相和等离子态的刻 蚀工艺则称为干法刻蚀，其刻蚀精度较高，且适用于各种材料，包括半导体、导体和绝 一6 一 大连理工大学硕士学位论文 缘材料。可实现选择性刻蚀，所用设备复杂，刻蚀速度慢，适用于线宽小于3 # m 的细 微图形刻蚀。根据刻蚀速率是否与硅的晶向有关可以将所有的刻蚀方法分为各向同性和 各向异性两种。各向同性刻蚀是指对材料的各个方向具有相同的刻蚀速度，无方向选择 性。各向异性刻蚀是指对材料的不同晶面具有不同的刻蚀速度，基于这种特性，可以加 工出各种形状的微结构。它的不足是刻蚀速率比各向同性刻蚀慢，仅仅达到1 # m m i n ， 且受温度影响很大，在刻蚀过程中需要将温度升高到1 0 0 。c 左右，从而又会影响到许多 光刻胶的使用【8 】。 ( 2 ) l i g a 工艺 l i g a 工艺已成为当今微制造甚至是即将到来的纳米制造的关键技术，与其他微制 造技术相比有以下优点：深宽比大，准确度高。所加工的图形准确度小于0 5 微米， 表面粗糙度仅1 0 n m ；用材广泛。从塑料( p m m a 、p o m 、p a 、p c 等) 到金属( a u ， a g ，n i ，c u ) 及陶瓷( z n 0 2 ) 等，都可以用l i g a 技术实现三维微结构；能利用模 具来进行微复制加工，可降低成本，进行批量生产。随着l i g a 技术的不断发展和完善， 其在微细加工领域的优势会迸一步的显现出来。 l i g a 工艺的工艺流程图如图1 3 所示【9 】，图1 4 为利用同步射线光刻后得到的光刻胶 结构，随后进行微电铸得到的金属镍结构如图1 5 所示【1 0 1 。 图1 3l i g a i 艺步骤 f i g 1 3l i g ap i o 辐 微型齿轮注塑成型工艺实验研究 图1 4p m m a 胶模的s e m 照片 f i g 1 4s e mi m a g eo f p m m am o l d 图1 5n j 微结构的s e m 照片 f i g 1 5s e mi m a g eo f n im i c r o s t r u c t u r e s l i g a 技术虽然具有突出的优点，但是它的工艺步骤比较复杂，成本高。为了获得x 光源，需要复杂而又昂贵的同步加速器；同时用于x 光光刻的掩膜版本身就是3 d 微结构， 需要先用l i g a 技术制备出来，费时又复杂，可用的光刻胶种类又少，这使得l i g a 技术 的发展在一定程度上受到限制，阻碍了它工业化应用的进程。为此，人们开始寻找廉价 光源来替代昂贵的x 光源，其中有紫外光( u v ) l i g a 、深等离子体蚀刻、激光( l a s e r ) l i g a 等，同时把这一系列技术称为准l i g a 技术，准l i g a 技术不需要象l i g a 技术那样 的昂贵设备，制作方便，必将成为影响本世纪微机械加工的一项重要技术。其中利用紫外 光源和简单的铬掩膜版的u v l i g a 技术得到了广泛的应用u ； 本课题实验中所用到的模具镶块，就是先通过u v - l i g a t 艺得到光刻胶结构，随后 进行微电铸生成的微型齿轮型腔。 ( 3 ) 激光熔除 作为机械加工和电加工的备选方法，宏观范围的金属激光熔除工艺也大量用于生产 铸造模、注射模、压铸模。 一8 一 大连理工大学硕士学位论文 采用激光技术，有三种方法可以将金属去掉。 采用高能激光脉冲，材料( 如钢) 可被蒸发掉。熔除点周围充满惰性气体，避 免被清洗材料重新凝结在表面上，从而得到原始表面。 用激光将材料熔化，然后清除熔料，基本上类似激光切割。 在工件表面，激光被用于局部氧化，并随后引起腐蚀。氧气进入促成了局部的 燃烧，进而释放更多的能量。如果工艺参数设置合适，在冷却部位会引起热应力，从而 导致氧化物从基体材料中分开。此工艺十分适合模具制造，因为得到的表面质量高，就 像电火花后的表面一样。激光可以用来加工所有的材料。激光熔除的辐射源包括c 0 2 激光、n d ：y a g 激光、激态原子激光。表1 2 总结了不同的设备对形成金属微细结构的 范围及局限。 表1 2 适合微结构加工的激光种类 t a b 1 2l a s e r t y p e su s e di nm i c r o s t r u c t u r em a n u f a c t u r e 项目c 0 2 激光n d ：y a g 激光受激准分子激光 0 1 5 7 ( f o 吼 特征波长 1 0 61 0 6 0 3 5 1 ( x e f ) 切割率m m 3 3 5 ( 2 0 0 2 5 0 0 、哪 ! 0 - - 8 0 ( 2 0 0 ) 罾n i 3 f 2 - ( 中等激光力)3 0 0 ( 1 6 0 8 0 0 ) 3 0 0 2 0 0 ( x e c i ) k = 1 0 - 4 0 p a n 可得到的表面质量 r a = 2 0 7 0 p , m r n = 1 3 p a n ( 9 m ) 可达到的工艺等级 2 0 # m 到几毫米2 0 # m 到m n i 几微米 模具精度 n in i ( 结构尺寸1 0 0 a n ) 注：氧气为工艺气体；压缩气体为工艺气体；激光气体；n i = 无。 ( 4 ) 微细放电加工技术( e d m ) 美国的微型工业模具公司( m i d ) 是应用e d m 技术进行微型模具制造的先驱，该 公司的数控e d m 机床可以提供小至1 5 m 的步距进给，使用直径从0 2 5 m m 到2 5 # m 的黄铜和镀锌的金属丝。m t d 曾成功地制造出用于生产尺寸在1 5 2 m i n x 0 0 3 8 m m ，重 量只有0 1 3 m g 塑件的微型模具，该模具的浇口尺寸为0 0 5 r a m ，型芯直径只有o 1 l m m 。 日本松下技研与东京大学联合开发了通用超精密数控小型电火花微细加工机床，加 工轴时精度为0 ，5 a n ，能a 工最小轴径为4 3 a n ：加工孔时精度为l i 蚰，能加工最小孔径为 5 a n ，最大深径比为5 ：l ；采用半月形电极和水作为工作液时可达1 0 - - 1 5 ：1 ：其他三维复 一9 一 微型齿轮注蛰戍型工艺实验研究 杂微细零件的形状误差不大于1 a n 。该机床除了能加工微型齿轮等三维复杂形状的微细 零件以外，与其他加工工艺复合，还能实现微孔冲压和微细针管的制作。 瑞士a g i e 公司开发的精刻成型电火花微细加工机床，最小电极尺寸可达1 0 a m ， 用于2 0 a n 的孑l 和槽的精微加工时，表面粗糙度可达r a 0 0 8 u n 。 ( 5 ) 微型机械加工 传统的车削、磨削工艺也已经用在了微型加工方面。用于车削、磨削的工具通常是 单晶体金刚石，它被磨得非常锋利，得到的切削刃的圆度误差小于2 0 n m 。金刚石刀具 通常是方形、梯形或者是半圆的，被焊接在钢制的支撑柄上，或者安装在熔结金属上以 便于装卡在机器上。 微型车削、磨削、铣削工艺的技术现状见表1 3 。表中的数据通常适合于黄铜。因 为钢的加工尺寸范围有限制，所以如果用金刚石作刀具的话，钢的加工尺寸要稍大一些 才合适。需要指出的是，目前钻孔的最小直径可以达到5 0 # m 。 表1 3 微型机械加工 t a b 1 3m i e r o m a c h i n em a n u f a c t u r e 项目微型车微型磨微型铣 圆柱体零件 槽脊面 直径：8 # m 可加工的几何体宽：1 5 # m宽：1 5 # m 长度：l l l # m 槽宽：l p m 深：5 0 0 # m深：2 0 0 # m 表面粗糙度w = 5 r i m r a = l a mr a = 1 0 舯 典型应用 如= 2 r i m 微型热交换器微型热交换器 1 1 4 微注塑成型材料的发展 由于微注塑成型中流道及型腔尺寸非常微小，因此要求选择流动性好的塑料；在某 些特殊领域应用的微型塑件，又要求塑料的强度要高。然而目前微注塑成型应用的材料 大部分仍为普通的工程塑料，直接应用在微观领域有诸多不足，如流动性差、强度低等。 这就要求应该加强适合微注塑成型材料的研究。 微注射成型的聚合物通常是工程塑料和特种工程塑料。用于微注射成型的物料必须 具有黏度低、机械性能高、快速固化、流动性好、固化温度差值小、尺寸稳定性好等性 能。除此之外，还应考虑其他特殊使用性能，如力学性能、光学性能、电学性能及医学 大连理工大学硕士学位论文 性能等。国外的文献中主要提到适合微注塑成型材料为聚甲醛( p o m ) 、聚碳酸脂( p c ) 、 聚甲基丙稀酸甲脂( p m m a ) 、聚丙烯( p p ) 等。 1 1 5 微注塑成型工艺的研究概况 尽管传统的、宏观上的注塑成型技术理论已经相当成熟，但对于微注塑成型这门新 兴技术的研究才刚刚开始，由于微注塑成型技术的研究涉及到很多技术领域，如微流变 学、微传热学、微流体力学、聚合物的微观形态学等相关技术领域，加之各相关领域的 理论与技术本身的研究也不够成熟，因此还没有形成能够指导制定微注塑成型工艺参数 的理论与方法。而随着微机械技术的迅猛发展，又迫切需要微型塑件或微注塑封装技术 能在微机械系统中发挥重要作用，因此对微注塑成型技术的研究至关重要。 针对微注塑成型工艺参数的研究，现在只是处于定量分析为主的阶段，往往通过应 用商业化软件对微注塑成型过程进行模拟分析，并结合试验来验证分析模拟结果。但由 于试验条件与试验方法的差异，目前关于微注塑成型工艺参数的研究并未获得统一的结 论，只是普遍认为模具温度是最重要的注塑成型工艺参数，认为微注塑成型模具温度应 该比传统注塑成型过程模具温度高，但具体应该高出的标准也没有统一的认识。关于其 他工艺参数对微注塑成型影响的研究也不够充分深入。 p i o t t e rv ，h a n e m a n nt ，r u p r e c h tr 等【l2 】指出，对于微结构的模具必须通过提高模 具温度才能保证成型质量。对于无定型塑料( 如p m m a ，p c ，p s u ) ，模温要高于其 玻璃态转变温度，对于半结晶形塑料( 如p o m ，p a ) ，通常要达到其结晶温度。而且 在多数情况下，塑料熔体在注射喷嘴处的温度经常达到其最高可加工温度。同时指出， 在所有微结构注塑成型工艺中，只有预先将模腔内的空气排出才能实现微结构塑件的完 全充模。 k u k l ac ，l o i b lh ，d e t t e rh 等【3 j 指出，微注塑成型模具温度和传统注塑成型模具温 度相比必须提高，即采用一种称为“变温工艺”来控制模具温度，在注射前将模具进行 加热，注射完成后采用冷却技术使模具温度迅速降低到脱模温度，以缩短加工周期。该 文同时提出，模具间隙在5 # m 量级时不需要预：，排气，只有模具间隙小于此值或有盲 孔等结构时才需要主动排气。 e b e r l eh t l 3 】介绍了其合作者z u m t o b e l 将上述变温工艺进行的改进，仅对微型模具的 型腔部分实施温度控制，使加工周期进一步缩短，从改进前的最短周期1 5 m i n 降低到 1 5 s 。 d e s p a ms ，k e l l y k w ，c o m e r jr 【1 4 】对注塑生产具有高深宽比微结构的塑件进行了 试验，试验参数包括：注射速度、模具温度和型腔气体压力。试验结果表明，模具温度 微型齿轮注塑成型工艺实验研究 对完全充模有较大作用。模具温度低于一定值时，即使提高注射速度也不能保证微结构 型腔的完全充满。 y uly ，k o hcg ，l e elj 等【1 5 1 对不同的模具镶件：c n c 加工的钢材，环氧树脂， 光刻和电镀的镍模，进行了测试。特征尺寸从5 微米变化到几百微米，并且考虑了模具 镶块的表面粗糙度和拔模斜度等问题。注塑材料选用了p m m a 和光学级质量的p c 。对 于金属模具镶块在不同的模具和熔体温度、注射速度、注射量和保压压力条件下进行了 试验，发现注射速度和模具温度严重影响微结构的复制精度。 s h e nyk ，w uwy i l6 j 对厚度2 0 # m ，半径为1 5 0 # m 的齿轮在不同的注射时间、模 具温度、注射温度和注射压力条件下进行了数值模拟研究，给出了决定性因素是模具温 度，要高于塑料的玻璃化温度。相比p a 和p o m ，最适合的材料为p p 。 a z c r e d o m b v ，p i t a v j r r 等0 7 经过模拟分析表明冷却水温度对于模具温度是最 重要的参数，并提出关于冷却水温度和模具温度的经验公式。 s uyc ，s h a hj ，l i nlw c ”j 采用不同工艺参数的组合来模拟分析塑料熔体流动特 性以及工艺参数和微型塑件质量的关系。提出对于微注塑成型，注射压力、模具温度和 注射速度是关键参数。选用p c 作为注射材料，使用a r b u r ga l l r o u n d e r2 2 1 m3 5 0 7 5 通 用注塑机并采用抽真空装置进行试验，试验表明模具温度比材料玻璃态转变温度要高 3 0 -