聚合物微型加工

1、,微型加工,,,Contents,目錄,,1、概述：微型加工的發(fā)展及其特點,,2、微型注射的成型設備,,3、微型注射的成型模具,,4、微型注射的成型材料,,6、微型注射中結構與性能的關系,,5、微型注射的工藝過程,,7、微型注射的發(fā)展趨勢,概述,微型加工的發(fā)展及其特點,01,,,,,微型加工的發(fā)展及其特點,近年來，人類社會對微型制品的需求不斷增大，2015年全球微型器件產業(yè)超過7000億美元，發(fā)展前景十分誘人。聚合物材料已逐漸成為微加工

2、技術領域十分重要的組成部分，在微機械電子、生物醫(yī)學、航空航天等先進制造領域得到廣泛應用，微型加工技術已是當今國際聚合物材料加工領域的研究熱點。,,,微型加工的發(fā)展及其特點,,,微型加工的發(fā)展及其特點,,,微型加工的發(fā)展及其特點,聚合物微型加工是指將材料塑化并轉移至具有微納結構特征模具中形成微型制品的過程。 一般而言，制品具有如下特點：重量＜100ｍｇ，至少有一維尺寸＜0.1ｍｍ，公差＜0.005ｍｍ。,,,微型加工的發(fā)展及

3、其特點,聚合物材料的微型加工方法一般包括溶劑輔助微成型技術、澆鑄成型技術、微模塑復制技術、真空輔助成型技術、微型擠出、刻蝕技術、熱熔技術、微型熱壓等。 上述方法往往對微零件的結構、成型過程以及成型材料有特殊的要求，被限定在一些特定的應用領域。相比而言，聚合物微型注射成型技術因為具有其它成型方法無法比擬的優(yōu)勢，已經成為當今聚合物微成型應用最為廣泛的方法,,,微型加工的發(fā)展及其特點,微型注射成型的特點：1、技術對原材料的限制相對

4、較少，絕大多數(shù)聚合物材料及其復合材料都能進行微型注射成型；2、易于自動化操作，生產效率高，成型周期短；3、產品種類多、更新快；4、快速反應能力；5、工作性能穩(wěn)定,成型原理,微型加工的成型設備,02,,,,,微型加工的成型設備,德國亞琛工業(yè)大學IKV研究所總結出微注塑技術對于注塑機的要求：(1)注射單元的最小注射量應能達到1毫克，注射壓力要求達220MPa．250MPa，且無泄漏；(2)驅動單元須準確性高、無污染且噪音低；(3

5、)塑化單元的塑化溫度達到400。C，聚合物均勻塑化，為避免熔融聚合物在高溫下分解，須嚴格控制聚合物在塑化單元滯留時間；(4)配料單元要求進料過程中不吸入空氣，并有自動進料、干燥及計量等功能。,,,微型加工的成型設備,按塑化和注射單元的機構設計分類, 可分為螺桿式、柱塞式、螺桿柱塞混合式及其他特殊形式。,,,微型加工的成型設備,1) 螺桿式 微注塑成型過程的注射量很小，所以要求注塑機注射單元的螺桿直徑要相應減小，目前全球最小

6、螺桿直徑為12mm，更小的螺桿容易扭斷。 德國Dr．Boy公司出品的Boy 12A／M(129-11)型，為單階型螺桿式注塑成型機典型代表,,,微型加工的成型設備,2)柱塞式 包括單一柱塞型和柱塞-柱塞型, 單一柱塞型將粒狀或粉狀的塑料向前推送, 繞經一魚雷狀分流梭, 經由噴嘴注入模腔, 分流梭的功能是將塑料分散于管內部表層, 使塑料更容易塑化;柱塞-柱塞型是由兩組柱塞分別完成塑化和計量注射功能。右圖為西班牙Cronop

7、last 公司的Baby plast6/10,,,微型加工的成型設備,3)螺桿柱塞混合式 微注射成型機以螺桿作為塑化單元, 完成混料與塑化, 以小直徑柱塞配合伺服馬達與控制器作為微注射單元, 完成精密計量與注射.右圖為英國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細化特點，微型注射用模具需要具有一些特殊的結構和功能：（1）變模溫控制裝置。因為

8、過低的模具溫度，會使微型注射成型過程變得困難，而過高的模具溫度又會延長成型周期，同時，也限制了成型工藝參數(shù)的優(yōu)化；（2）預抽真空裝置。微型注射制品尺寸微小，且多為微型盲孔結構，如果不設置抽真空裝置，容易造成欠注、燒焦或出現(xiàn)氣泡等制品缺陷；（3）微型傳感器。保證精密程度和耐久程度；（4）特殊的脫模裝置；（5）全自動質量檢測裝置和篩選系統(tǒng),,,微型加工的成型模具,模具結構 模具一般采用主體結構和微型型腔鑲塊結構相結合的模

9、式，其中模具主體結構包括調溫裝置、抽真空結構、基本的模板、導柱等。 首先在金屬塊上進行微細加工，然后將金屬塊嵌入模板進行裝配，這樣不僅便于微小結構的加工和鑲塊更換，同時也能提高整個模具的使用壽命。,,,微型加工的成型模具,對于微型模具的加工，普通的加工方法已經不能滿足其要求，必須采用一些先進的微／納米制造技術：（1）光制作技術（2）微機械加工技術（3）電化學微型成型加工技術,成型原理,微型加工的成型材料,04,,,,,微

10、型加工的成型材料,對聚合物材料的要求：①極高的可模塑性。 由于塑件特征尺寸小、模具型腔的表體比較大，微尺寸效應等，易導致微型高分子器件難以實現(xiàn)填充，嚴重影響微型制件的質量；②很高的力學強度。 由于微注射制品整體或局部尺寸很小，其力學性能必然下降。但很多領域對微型制品力學性能的要求卻越來越高；③極高的精度。由于聚合物材料收縮率波動較大，會導致微注射制品不能滿足其精度要求。,,,微型加工的成型材料,總的來說，要求聚合物必須具備物

11、理機械性能良好，熔體黏度低，冷卻周期短，尺寸穩(wěn)定性好等特點。 同時，根據(jù)注塑制件的不同需求，還應考慮其他特殊性能，如力學性能和光學性能等。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,微型加工的工藝過程,05,,,,,微型加工的成型工藝過程,（1）成型周期注射成型注塑機動作過程：合?！A塑→注射機前進→注射→保壓→注射機后退→冷卻

12、→開?！敵觥_門→取工件→關門→合模。,,,微型加工的成型工藝過程,（2）壓力隨注射時間的變化1.注射活塞開始運動；2.熔體到達分流道；3.熔體經分流道開始向澆口流動；4.熔體到達澆口；5.熔體從澆口進入微型樣品型腔；6.熔體到達型腔末端；7.熔體充滿型腔直8.注射壓力轉為保壓壓力9.熔體保壓結束；10.微型制件開始冷卻；11.微型制品開模。,,,微型加工的成型工藝過程,（3）注射過程工藝控制 實驗表

13、明，模具溫度、料筒溫度、注射時間、保壓壓力、保壓時間、冷卻時間等工藝參數(shù)對產品質量都有或多或少的影響。 保壓壓力對產品翹曲變形量的貢獻率最大，其次為注射時間，其他工藝參數(shù)對翹曲變形量的影響不大,,,微型加工的成型工藝過程,1）溫度 模具溫度 在常規(guī)注塑成型中，模具溫度遠小于注射溫度。微注塑中聚合物熔體表體比大，如果采用常規(guī)注塑工藝，熔體將迅速冷卻，黏度很快提高，會造成填充不足，并產生一系列微塑件缺陷

14、。這可以通過提高模具溫度、降低熔體與壁面溫度梯度的方式來解決。 由表可知，微注塑模具溫度可接近聚合物的熔融溫度( Tm) 或玻璃化轉變溫度( Tg) 。,,,微型加工的成型工藝過程,1）溫度 料筒溫度 要能使聚合物材料微型注射成型過程順利完成，必須獲得低的熔體黏度，而提高料筒溫度是簡便而可行的措施。 溫度是微注射成型過程中聚合物結晶的最敏感因素，溫度場的變化影響結晶度的變化，結晶度

15、對微制品力學性能的影響較為顯著。 熔體溫度越高，微流道成型質量越好，但表面質量越差；溫度是聚合物結晶最敏感因素，溫度場變化影響結晶度的變化，結晶度對力學性能的影響較為顯著,,,微型加工的成型工藝過程,2）壓力 注射壓力和保壓壓力也是影響微型注射成型的重要工藝參數(shù)。 研究表明，在熔料溫度、模具溫度一定的情況下，增加注射壓力和保壓壓力有利于微型成型過程順利完成。 為保證

16、能夠正確充模，需要高注射速度和高注射壓力(達數(shù)百至數(shù)千kg/cm2)，料溫在允許范圍內盡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。,,,微型加工的成型工藝過程,3）對微型注塑與普通注塑很大不同的注射速度、模溫、料溫分析： ①隨模腔溫度增加，注射壓力峰值大幅下降。解釋：增加模腔溫度會導致熔體本體溫度升高

17、，導致熔體粘度下降，流動性增強，熔體在充填微型模腔過程中受到的阻力減小，注射壓力峰值因此降低。,,,微型加工的成型工藝過程,3）對微型注塑與普通注塑很大不同的注射速度、模溫、料溫分析： ②隨注射速度增加，注射壓力峰值明顯增加，到達峰值的時間（Ｉ段）明顯減少，熔體保壓階段（ＩＶ段）結束的時間也相應提前。解釋：隨注射速度增加，為達到設定速率所需的注射壓力增加，模腔壓力亦增加，同時兩者的響應時間明顯縮短，即Ｉ時間

18、段減小，導致整個峰前移。,,,微型加工的成型工藝過程,3）對微型注塑與普通注塑很大不同的注射速度、模溫、料溫分析： ③注塑溫度的增加，模腔壓力隨注射時間的變化趨勢基本一致，但模腔壓力峰值隨注塑溫度的增加明顯減小。解釋：增加溫度可減小熔體黏度，增加熔體流動性，有效減小注射活塞在注射過程中的阻力，降低充模階段的注射壓力，從而顯著降低模腔壓力，有利于熔體充填模腔和減少微型制品的內應力。,,,微型加工的成型工藝過程

19、,3）對微型注塑與普通注塑很大不同的注射速度、模溫、料溫分析： ④注塑溫度對復合材料體系熔體充填率的影響右圖可見，隨注塑溫度的增加，充填率亦增加，只有當溫度增至270 ℃時，微型樣品模腔才被充填完全。普通PA11加工溫度僅為221 到 274，可見其微型注塑對料溫需求更高。,結構與性能的關系,06,,,,,微型加工的結構與性能的關系,1）結晶性能的影響 相比于高熔點的無定形聚合物，結晶聚合物因

20、為力學強度、耐熱性等方面的優(yōu)勢，在微注射成型中的應用更為廣泛。 更重要的是，在微注射成型過程中，結晶聚合物多層次結構的可調整性非常強，同時，還可能在這種極端的成型過程中形成特殊的、高性能的結晶形態(tài)，進一步提高微型制品的性能。例如PP、PE等材料，能夠形成皮芯結構； 2）填料的影響 填料會明顯影響微型制件的物理機械性能和加工性，如流動性、制品的收縮率等；填料的加入降低了微型注射制品的拉伸性能、斷裂伸長率

21、等，但會增加制件的彈性模量，而且隨著填料含量的增加，這種影響將會更明顯。,,,微型加工的結構與性能的關系,3）玻璃化溫度的影響 要使熔融態(tài)的物料快速充滿微小型腔, 模具的溫度必須高于玻璃化溫度一定值,但不必高于熔點 ;所以, 物料的玻璃化溫度越高 , 模具所需的溫度也就越高。此外 , 物料的玻璃化溫度與粘流溫度差值越小, 流動充模后熔體固化所需的時間越短。 4）高溫穩(wěn)定性的影響 物料在微小流

22、道流動時引起的溫升不能高于物料的分解溫度;由于熔體體積很小, 即使注射時間很短, 物料在流道內也有分解的可能性。,,,微型加工的結構與性能的關系,5）粘度的影響 因為微注射成型的澆口及流道尺寸都是微米級的, 所以剪切對粘度的影響比溫度大 ;同時, 若用升高溫度來降低熔體粘度勢必延長成型時間, 故在物料允許的剪切速率范圍內, 提高剪切速率可更好地成型制品 。 6）收縮率的影響 雖然微小尺寸的收縮量很

23、小 ;但如果在平行于某個尺寸上的收縮量大于其允許的公差時, 就應規(guī)定一個最大收縮率。所以在制品成型前必須精確確定垂直和平行流向方向的收縮率。,,,微型加工的結構與性能的關系,7）機械性能的影響 微制品的局部尺寸都是微米級的, 且有很大的長寬比;為使制品滿足使用要求并能安全脫模 , 物料必須具有很好的剛強度等機械性能。 8）脫模性能的影響 脫模是微注射成型的主要難題。如果物料與模壁的粘接力太

24、大將造成脫模困難甚至無法脫模, 給制品的生產和使用帶來極大的不利。,微型加工的發(fā)展趨勢,07,,,,,微型加工的發(fā)展趨勢,（1）注射材料 多數(shù)微注射成型機以聚合物作為注射對象, 而微注射成型技術所涵蓋的成型范圍不僅包括聚合物而且包括粉末喂料。由于粉末喂料與聚合物熔體在材料物性和工藝要求上存在較大差異, 因此隨著微粉末注射成型技術的日益成熟, 針對粉末喂料的專用微注射成型機的研究有待進一步的深入。 （2）塑化方式

25、 微注射成型機的塑化單元均采用螺桿式或柱塞式, 由于柱塞式塑化效果欠佳, 未成為當前發(fā)展的主流, 而螺桿式雖然塑化效果較好, 但是仍然存在著小尺寸螺桿加工難度大, 使用壽命有限和塑化時間較長等問題。因此, 新的環(huán)保高效的塑化方式還有待進一步的探索, 如超聲波塑化、微波塑化及激光塑化等。,,,微型加工的發(fā)展趨勢,（3）產品性能測試 微注射成型產品尺寸微小, 很少有合適的測試儀器能對產品的成型性能進行全面準確的測試,

26、而且測試效率也很低。而成型產品的性能是對成型機性能和穩(wěn)定性的重要評價指標, 所以完善微注射成型機中產品性能檢測模塊的功能也是微注射成型機發(fā)展面臨的主要挑戰(zhàn)之一。 （4）設備智能化 當前微注射成型機主要擔任產品生產的角色, 而隨著計算機技術和機電一體化的發(fā)展,微注射成型機不僅要完成產品生產的任務, 還要通過計算機將產品設計、計算機仿真分析、生產管理及客戶服務等系統(tǒng)有效的整合, 進行智能化的生產操作。,,,微型

27、加工的發(fā)展趨勢,（5）網絡化 隨著計算機網絡技術的發(fā)展, 微注射成型機將發(fā)展具備網絡通訊能力的控制系統(tǒng)和檢測系統(tǒng), 使生產管理及控制網絡化。通過微注射成型專家系統(tǒng)可以在線操作微注射成型機, 對成型零件在線監(jiān)視并自動調整成型工藝參數(shù), 提高零件成型精度和穩(wěn)定性, 并有效降低操作人員的技術依賴性, 有利于多元生產及行銷網點的掌控。,,,部分參考文獻,[1]楊其,李光憲.聚合物及其復合材料的微成型加工研究進展[J].高分子通報

28、,2013,9(7):107-112.[2]王小華,丁玉梅,謝鵬程,楊衛(wèi)民.微注射成型工藝及裝備研究進展[J].現(xiàn)代塑料加工應用,2012,24(1):50-52[3]蔣炳炎,謝磊.微注射成型機發(fā)展現(xiàn)狀與展望[J].中國塑料，2004,18（9）：6-8[4]王雷剛,倪雪峰,黃瑤,王勻.微注射成型技術的發(fā)展現(xiàn)狀與展望[J].現(xiàn)代塑料加工應用,2007,19(1):55-57[5]張響,張世勛,李倩,申長雨.微注射成型研究進展[J]

29、.高分子材料科學與工程,2012,28(5)：148-151[6]莊儉,張建國,吳大鳴.微注射成型中工藝參數(shù)對微塑件成型質量影響的實驗研究[J].塑性工程學報,2009,16(6):139-142 [7]盧振，張凱鋒.微注射成形制品質量影響因素分析[J].機械工程學報,2009,45(12):296-297.[8]譚徜彬,陳英紅,王琪.微型注塑條件下POM/PEO/SiO2三元復合體系的充填行為[J].2015,11(6)42-4

30、7[9]B. Sha, S. Dimov, C. Griffiths, M.S. Packianather.Investigation of micro-injection moulding: Factors affecting[J].Journal of Materials Processing Technology 183 (2007) 284–296.[10]C.A.Griffiths,G.Tosello,S.S.Dimov,