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微注塑技术, 触摸注塑量和注塑精度的极限

来源:荣格-《国际塑料商情》 发布时间:2021-06-07 1042
化工塑料橡胶塑料加工设备模具及零件材料处理、计量与检测原料及混合物添加剂及母粒其他增强塑料 技术前沿
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在塑料加工行业,微注塑(micro injection molding)也已经广为人知。

前言
在如今的制造业,“微(micro)”字可算得上是一个热门字眼,比如带“微”字的技术有微创、微电机、微电子等。随着医疗器械、3C电子、光学装置、通信设备、生物制药等行业技术的不断发展,制造商对部件的精密度、精确度及精细度等要求越来越高,精度往往在数微米范围之内。


在塑料加工行业,微注塑(micro injection molding)也已经广为人知。微注塑的出现,自然与医疗界的微创、电子界的微电子等下游应用领域的微产品微技术密不可分,大量的微型注塑制品被用来制造更小、更节省空间的微型产品。



何为微注塑?
微注塑是一种高度专业化的制造工艺,用于生产极小、高精度的热塑性部件和具有微米公差的组件。无论我们如何称呼它,微注塑、微型注塑,亦或是微注射成型,现在工程界对其已有诸多探讨。这反映出设计师和制造商对生产和采购高精度微型塑料部件的兴趣渐浓。其结果是,针对这个注塑行业的新领域,出现了许多不同的论调,造成些许混乱。那么,究竟什么才是微注塑呢?零件尺寸是一个显而易见的要素,但它是唯一的要素吗?或者它只是由注塑机的大小来定义的?精度方面,零件一定要小一点吗?笔者相信真正的微注塑所涉及到的绝不仅仅是尺寸或者机器。


 显然,一个“微”字表明微注塑与尺寸有关,但成型出一件小东西是一回事,一次又一次高效又精确地成型就是另外一回事了,微注塑必须能够以同样的精度生产出成千上万甚至过亿的部件。



技术进展
如何才能让注塑件满足微米级的尺寸要求,同时还兼具良好的外观和性能呢?与传统的注塑成型技术一样,微注塑成型技术包括设备、模具、材料、工艺四个方面。当前,对微注塑技术的研究热点主要集中在如下几点:
探索高效、清洁、可靠的塑化方式;开发精确稳定的微型注塑专用注塑机;完善微型零件检测技术,提高检测质量;发展低成本、易操作的微模芯加工方法;设计准确、快速、灵活的模温控制系统;开发粘度低、热稳定性高的聚合物材料;建立微注塑模具与工艺的CAD软件。


让我们来看看微注塑成型技术在设备、模具、材料、工艺这四个方面的发展现状。


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◆ 成型设备
微型注塑机由于其单次注射量更小,精度要求更高,因此除了传统注塑机的技术要求之外,还有一些特殊要求,主要包括:注射速度更高,计量精度更高,响应速度更快等。因为微型注塑件尺寸大小为微米级别,一般选用注射量为毫克级的注塑机,将胶料在机筒内的滞留时间保持至最低限度。


和传统注塑机一样,微型注塑机也可基本分为两个大类,即液压机和电动机。除此之外,还衍生出混合动力机型,即注射单元为电动,锁模单元为液压。注射单元一般采用螺杆-柱塞组合式,由螺杆部分完成对物料的塑化,并由柱塞将熔体注入到模具型腔内。螺杆-柱塞式注塑机可以结合螺杆的高精度与柱塞设备的高速度,确保生产过程的精度和填充速度。


此外,微型注塑机通常由合模机构、注射系统、气动脱模机构、质量检测机构和自动包装系统组成,良好的质量检测系统可保证微型精密注塑制品的成品率,例如,应用高分辨率在线视觉系统来监控整个过程中的参数波动情况。对产品的处置和包装有时似乎不在微注塑厂家的优先考虑之列,但在很多情况下,它对微注塑的重要性几乎和制造产品有着同样的分量。对于微小尺寸的部件而言,表面污染怎么说都是一件烦心事。精密的特点需要适当的方法来确保产品到达客户手中时完好无损,可能就需要应用到自动化和洁净室(clean-room)技术。成型出一个微型部件是一回事,而以有益于客户的方式对塑件进行包装,这本身可能就是一个挑战,有时可能正是微注塑项目成与败的差别所在。


近年来,随着注塑件向着高、精、尖的方向发展,注塑领域对于微型注塑机的需求越来越大。各大微注塑机品牌也相继发布了他们最新的微型注塑机。今天可以轻松地从一堆的制造商手里购买到注塑机,他们中的许多人甚至为“微注塑”专用机器而大造声势。然而,就像买了钢琴并不会让一个人一夜之间就成为艺术大师一样,掌握微注塑这门技术还需要多年的经验。现在我们一起了解微型注塑机领域的新进展。


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提及微注塑机器,怎么能少得了德国品牌BOY呢。1968年以来,BOY公司致力于开发和生产锁模力1000kN以下的注塑机。桌面型微型精密注塑机BOY XXS的锁模力仅6.3吨,是BOY的微型注塑技术的深阶发展成果。该机型更加紧凑,为现代台式设计中的微型和无浇口单腔注塑开辟了新的视角。XXS不使用此尺寸的机器所常用的活塞塑化,而是根据“先进先出”原则,采用往返重复熔胶注塑。使用8-18 mm的螺杆进行塑化,最高可提供高达2750 bar的特定注射压力。8mm螺杆确保塑胶原料在料筒内停留时间(保压时间)最短,防止材料降解,这是温和加工热敏性材料的一大优势。XXS智能化的设计非常适合微注塑的要求。


BOY不容小觑,而另一个来自欧洲的微型精密注塑机品牌Babyplast,也可谓全球微注塑装备领域的一员猛将。Babyplast 6/12P LSR是一款专门针对液态硅橡胶(LSR)材料微型精密产品的注塑成型而设计的注塑机。它可搭配三种不同的混料(AB胶)喂料系统:0.5kg预混式供料系统(A胶+B胶预混好后的罐装分装系统);1kg供料系统(带1kg A胶桶+1kg B胶桶的自动喂料系统);20kg供料系统(带20kg A胶桶+20kg B胶桶的自动喂料系统)。专门针对微量射出而设计的柱塞式注射系统,即使对于注射量少于0.1cc,都可精密控制射出,也解决了传统螺杆式射出单元在微量注塑过程的射胶量不稳定的问题。该机还可偏心注射,以获取最佳进胶位置。
另外,威猛巴顿菲尔、阿博格、恩格尔等国外注塑机厂商近年在微注塑设备的研发上也都不乏亮眼表现。进入21世纪后,中国注塑机生产企业在传统注塑机上的研制水平已经十分迫近国际先进同行,但在微型注塑机方面,不得不承认,中国品牌暂时还乏善可陈。

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◆ 模具
微模具是微注塑的核心,其机械精度直接决定了注塑件的质量,而微模具的成本和寿命则是影响大批量生产的关键因素,微注塑过程的模温控制、排气控制、塑件顶出等设计也与微模具结构密不可分。


由于产品和模具太小,尺寸的公差也会变小,模具公差必须达到零件公差的25%,才能提供良好的加工窗口。
模具温度也是微注塑的一个重要的参数。面对高端需求的客户,目前比较常用的做法是借用高光注塑领域的理念,导入快速加热与冷却系统。理论上,高模温对于微型注塑很有帮助,比如可以防止薄壁填充困难、缺料,但是过高的模具温度又会带来新的问题,比如周期加长以及开模后收缩变形等。因此导入新的模具温控系统显得相当的重要,在注塑的过程中模具温度可以提高(可以超过所用塑料的熔点),使得熔体能快速充满型腔,防止熔体在充填过程中温度降低过快而造成充填不全;而当脱模时,模具温度又能迅速降低,保持在比塑料热变形温度稍低的温度内,然后再开模顶出产品。


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由于微型注塑成型的重量为毫克级的制品,如果采用普通浇注系统来注塑制品,即使是在作了最优化改进后,制品和浇注系统内的物料质量比仍为1:10。只有不到10%的物料被注塑成微型制品,产生大量浇注系统凝料,所以微型注塑应该采用热流道浇注系统。


在制造技术方面,由于微注塑成型模具的成型尺寸微小、加工精度高,传统的模具制造方法已不能满足其要求。目前微注塑在模具加工方面通常有两种趋势:第一种是采用镜面火花机加工,为了确保高精密度,最好要使用石墨电极进行电火花加工,因为石墨电极的损耗比普通的铜电极要小很多。第二种比较常用的加工方式是采用电铸模,采用电铸工艺可以确保非常高的精度,但缺点是加工周期长,每一穴都要独立加工,还有在生产中如果有轻微损伤无法修复,只能重新更换损坏的穴位。


模具设计和制造过程的控制对任何微注塑项目的成功都是至关重要的。在处理公差极为严格和复杂度高的零件时,拥有自己企业内部的模具设计、制造和保养资源,是一项重大优势。最终目标,即每次按时制作出优质零件,都需要经验丰富的内部开模、设计工程、项目规划、工艺工程和质量保障资源,而很难从外部获得这些资源。永远无法保证一定成功,但当项目与生产计划、时间表和执行责任都处于一个实体的掌控之下时,成功机率无疑将陡增。


◆ 材料
由于微注塑成型中流道及型腔尺寸非常微小,因此用于微注塑成型加工的材料要求具有粘度低、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。现阶段常用的原料主要有PMMA、PC、PA、POM、PSU、PEEK、碳填充LCP、PEI(聚醚酰亚胺)、及玻纤填充尼龙等,软质或弹性树脂也不常见。如下图用于高带宽数据领域的由12个透镜组成的透镜组,它由SABIC的Ultem® PEI材料制成。每个透镜的直径为250µm,公差为±3µm。


但现有的聚合物材料很少能同时兼顾到所有的成型与使用性能的要求,因此用具有微小尺寸的填料填充基体,通过加入特殊助剂来进行改性的方法,使物料更加适合于微注塑。


◆ 工艺
当成型机器、模具及材料确定后,工艺就成为保证微型塑件成型质量的重要因素。与传统的注塑工艺类似,目前国内外对微注塑成型工艺的研究也包括注射压力、注射速度、成型温度和时间等工艺参数,但是传统注塑的工艺条件并不完全适合于微注塑,各工艺参数及其交互作用对成型的影响规律是目前微注塑技术研究中的一大热点。


在注塑工艺上,我们需要考虑浇口的气痕与应力问题,通常需要采用多级注塑,确保材料能够处于稳流的状态填充。除此之外,还需要考虑保压时间的大小,太小的保压压力会导致产品的收缩,但是过大的保压又会导致应力集中,以及尺寸变大等问题。微注塑零件中的典型注射压力在30000到50000 psi之间,这需要一个微妙的平衡动作,从而在适当的压力下填充,又不会损坏细小的、发丝细的芯销。另外,材料在料管中停留的时间也是需要严格监控的,材料在料管中停留时间太长,会导致材料的降解影响产品的功能。


微型注塑作为注塑领域中的一个分支,正朝着高尺寸精度、高功能需求、高外观要求的方向发展,只有通过对模具、设备、材料、工艺等各个流程的严格控制和技术的不断提高才能满足巿场的发展。一家靠谱的微注塑企业每次都能一致和高效地生产出极端性零件,最终可以满足现代制造业的高需求。如果产品最终不能让客户满意,那么微注塑这种技术所蕴含的技艺和精妙之处也就荡然无存。


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微注塑主要应用市场急剧扩大
近几年,随着医学、汽车、电子等行业的不断发展进步,加上电信光纤、微流体、智能可穿戴设备越来越多的应用,全球微注塑行业快速发展,市场潜力巨大。国外有市场调研机构的研究数据显示,到2025年,全球微注塑成型市场规模将达到15.8亿美元。


医疗健康行业是目前微注塑最为重要的应用领域之一,通常要使用微注塑技术制造的医疗设备包括外科手术设备、助听器、床边检测设备、导管、窥镜设备,以及其他基于DNA的测序和研究中使用的设备,它们多采用生物可吸收型聚合物或热塑性塑料制成。例如“微创”外科手术的流行,成为微注塑市场需求的一大驱动因素。


相比于开放式手术,微创切口少、术后并发症少、恢复快、手术效果更好。由于微创要求对患者实施微型切口,就需要使用微型手术设备才能进行手术。微创特别受患者欢迎,预计在全球范围内将越来越多地被采用。
在医疗行业中,尺寸和精度是两大关键要素,因为它会影响医疗设备的功能和安全性。由于医疗器械对微型部件的精确度要求极高,进一步增加了医疗器械对微注塑成型的需求。与此同时,聚合物和注塑技术的发展,又进一步促使精密注塑部件在医疗行业中被广泛采用。市场调研机构预计微注塑技术在医疗保健行业的应用在未来几年将于以14%的年复合增长率增长。


随着汽车电动化,以及塑料材料精细化和微型注塑件的流行趋势,汽车行业对微注塑应用的需求增长紧跟医疗领域,还将不断走高。


在区域市场发展方面,预计北美将占领全球微注塑成型的最大市场份额,到2025年份额在38%以上。另外,亚太地区在微注塑成型应用方面将以最快的速度增长。


来源:荣格-《国际塑料商情》


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