微注射成型技术的现状与发展_吴波

・开发与创新・０引言随着科学技术的进步，机器和元器件不断向微型化方向发展，微机电系统技术已相继应用于光电通讯、影像传输、生化医疗、信息存储、精密机械等领域，如插头式光纤连接器、医学用微量泵、内窥镜零件、旋转传感器中的衍射光栅以及微齿轮等。

２００２年全世界在这一领域创造出了４５０亿美元的产值，其发展势头和前景都非常好。

由于注射成型技术的各种优势及聚合物材料较其它材料的耐氧化、耐腐蚀、易成型、比强度高的优点，使以高分子材料为主的微注射成型技术迅速发展，成为微系统技术的重要分支和先进制造技术的研究热点［１，２］。

微注射成型技术始于２０世纪８０年代末，最早应用于ＣＤ的加工，德国在此方面的研究起步最早，美国、日本等紧随其后。

我国目前有清华大学微纳米中心、上海交通大学微纳米研究院、中科院力学所和中南大学模具技术研究所对微流体流动行为、微流体实验技术及微注射成型机理进行了一些卓有成效的研究探讨，但都尚未开展实质性的工程应用。

同传统注射成型技术相比，成品重量以毫克为计量单位、成品尺寸以微米为度量单位的微注射成型技术在物料、成型工艺及成型设备等方面都提出了不同要求［３，４］。

本文将在以下几个方面进行分析阐述。

１微注射成型的物料用于微注射成型的物料要在尺寸微小的情况下具有较好的使用性能，因此除了要求具有优良的加工流动性、尺寸稳定性及脱模性能外，还应考虑其它特殊的使用性能，如力学性能、光学性能及医学性能等。

以下分析物料性能对成型的影响：高温稳定性的影响：由于熔体体积很小，即使注射时间很短，物料在流道内也有可能分解，因此，物料在微小流道流动时引起的温升不能高于其分解温度。

玻璃化温度的影响：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。

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，如果用提高温度来降低熔体粘度势必延长成型时间，因此在物料允许的剪切速率范围内，应尽可能的提高剪切速率以更好的成型制品。

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，物料必须具有很好的刚度、强度等机械性能。

脱模性能的影响：脱模是微注射成型的主要难点。

如果物料与模壁的粘接力太大将造成制品微小局部产生缺陷甚至无法脱模。

因此，微注射成型聚合物必须具有粘度低、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，现阶段常用的微注射成型聚合物原料主要有ＰＭＭＡ、ＰＣ、ＰＡ、ＰＯＭ、ＰＳＵ、ＰＥＥＫ、ＬＣＰ、ＰＥ及ＰＡ１２－Ｃ等。

但现有的聚合物材料很少能同时兼顾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，通过加入特殊助剂的方法使物料更适合微注射成型。

当填料为同样数量的超细氧化锆粉，并在较高的剪切率和１６０～１７０℃成形温度下，这种注射料有较好的充模能力与高生坯稳定性。

２微注射成型机及模具微注射机是微注射成型的关键。

微注射成型机的主微注射成型技术的现状与发展吴波，王保山，李合增，姬宜朋（北京石油化工学院，北京１０２６１７）摘要：阐述微注射成型技术的产生背景、应用领域和发展前景，详细介绍了微注射成型技术的所用原料、设备及工艺特点，概述了微注射成型机理仿真与实验研究的现状，展望微注射成型技术的发展趋势。

关键词：微注射成型；注射成型设备；微系统技术中图分类号：ＴＱ３２０文献标识码：Ａ文章编号：１００２－６６７３（２００８）０４－０１７－０３收稿日期：２００８－０４－１７作者简介：吴波，副教授。

北京石油化工学院工程教育中心主任。

机电产品开发与创新Ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ＆ＩｎｎｏｖａｔｉｏｎｏｆＭａｃｈｉｎｅｒｙ＆ＥｌｅｃｔｒｉｃａｌＰｒｏｄｕｃｔｓＶｏｌ．２１，Ｎｏ．４Ｊｕｌｙ．，２００８第２１卷第４期２００８年７月１７・开发与创新・图１微注射成型的工艺过程１．合模；２．注射机前进；３．注射；４．保压；５．注射机后退；６．新计量过程开始；７．开模、制品脱模保持模具温度恒定结束开始冷却型腔至规模温度加热温度至熔融温度型腔抽真空１２３４５６要功能通常包括塑化、计量和注射三部分，可以通过各部分的驱动方式分类，也可通过各部分的机构设计分类。

按驱动方式分类，可分为液压＼气压式驱动、全电式驱动和电液复合式驱动。

液压＼气压式驱动即塑化单元和注射单元的回转＼直线运动均靠液压＼气压系统来驱动，其优点是注射压力和注射速度高，可以满足微注射行程工艺的要求；缺点是控制精度较差。

全电式驱动即设备所有单元均采用伺服电机驱动，其优点是控制精度高，反应速度快，对环境污染小；缺点是伺服电机输出的推力有限，所能达到的注射压力和速度不高。

电液复合式驱动即将液压式驱动的高注射压力、注射速度与全电式驱动的精确控制和快速反应相结合，作为系统的驱动源。

按塑化和注射单元的机构设计分类，可分为：（１）螺杆式：微注射成型机的塑化、计量和注射均由一组螺杆完成，各单元回转和直线运动均在一条轴线上，构造简单，容易控制。

但是由于螺杆前端的止逆环结构，设备对一次注射量的控制精度较差，并且增加了材料在注射料筒中分解的几率，影响零件成型质量的稳定性。

（２）柱塞式：微注射成型机包括单一柱塞型和柱塞—柱塞型两种，单一柱塞型将粒状或粉状的塑料向前推送，绕经一鱼雷类状分流梭，经由喷嘴注入模腔，分流梭的功能为将塑料分散于管内部表层，使塑化料管更容易塑化材料；而柱塞－柱塞型是由两组柱塞分别完成塑化和计量注射功能。

该型微注射成型机通常塑化量较小，材料塑化的品质不高，混料性能也较差，不利于成型表面质量和光学特性要求较高的零件。

（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，使微注射成型的控制精度和零件的成型品质均有明显提高，但是通常其结构较为复杂，控制和维护较柱塞式和螺杆式繁琐。

上述各种不同原理的微注射成型机有着不同的性能指标，适合不同微细结构零件的需求。

因此要根据具体的微细结构零件的成本、尺寸和质量等各方面因素综合考虑选择配置适当的微注射成型机。

由于微注射成型制品的尺寸只有几微米到几毫米，因此所用的模具需要很多特殊结构及设备：①抽真空设备；②变模温控制系统；③微型传感器。

此外，大部分微型制品的尺寸精度及表面质量无法靠人工鉴别，且很多光学制品有很高的清洁度要求。

因此微注射装置配备有全自动质量监测和筛选系统及清洁装置，以保证制品在成型后不用人工接触就能一次性包装；特制的吸盘式脱模装置可以克服制品与模具间的吸引力而使制品无损伤脱模。

３微注射成型工艺特点微注射成型的工艺过程如图１所示，与普通注射成型相比，具有如下的优点：①原料利用率提高。

最小注射量为几个的微注射系统可以显著缩小流道的尺寸，从而提高原料的利用率；经过优化设计的流道，其物料利用率可达６０％；②制品精度高。

可控制的注射体积、缩小的浇口和流道都有利于提高制品的精度，目前微注射制品的尺寸误差可控制在０．０１ｍｍ之内，质量误差不超过０．００００８ｇ；③生产周期缩短。

浇口、流道尺寸缩小及变温控制系统加快了制品的充模、冷却速度，缩短了成型周期。

一般采用用微注射成型的零件，其成型循环时间较从前缩短４０％左右。

制品的质量首先取决于物料的性质，结晶能力高的物料其制品的尺寸稳定性、内应力不如非结晶性物料。

有研究表明，保压时间和计量体积对制品的影响最为显著。

保压时间越长，计量体积越大，则制品质量越好。

此外，脱模的难易程度也直接影响制品的精度，提高模具的精度可以提高制品的精度。

４微注射成型机理的仿真与实验研究起初，微注射成型生产以实践经验为基础，在其基础机理研究十分欠缺。

随着微注射成型技术的不断发展，许多学者通过计算机仿真和实验等方法研究了微注射成型工艺过程和工艺参数的控制与优化方法［６￣１０］。

然而，目前针对微注射成型工艺的仿真研究大多采用传统注射成型仿真软件，并未考虑微注射成型的微流体特性；实验研究则主要面向工艺参数对熔体充填性能的影响，针对工艺参数对微注射成型零件性能作用机理的全方位研究则相对薄弱。

因此，对微注射成型过程的研究仍然存在许多不足之处，主要表现为：①工艺仿真研究大多采用传统注射成型仿真软件，其流动模型与数据并未考虑微注射成型的情况，（下转第２１页）１８・开发与创新・ＳｔａｔｅａｎｄＤｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔｏｆＭｉｃｒｏ－ｉｎｊｅｃｔｉｏｎＭｏｌｄｉｎｇＷＵＢｏ，ＷＡＮＧＢａｏ－Ｓｈａｎ，ＬＩＨｅ－Ｚｅｎｇ，ＪＩＹｉ－Ｐｅｎｇ（ＢｅｉｊｉｎｇＩｎｓｔｉｔｕｔｅｏｆＰｅｔｒｏ－ＣｈｅｍｉｃａｌＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｂｅｉｊｉｎｇ１０２６１７，Ｃｈｉｎａ）Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｂａｃｋｇｒｏｕｎｄ，ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｆｉｅｌｄｓａｎｄｔｈｅｐｒｏｓｐｅｃｔｏｆｍｉｃｒｏ－ｉｎｊｅｃｔｉｏｎｍｏｌｄｉｎｇａｒｅｓｐｅｃｉｆｉｅｄ．Ｔｈｅｃｏｍｐｏｕｎｄ，ｔｈｅｅｑｕｉｐｍｅｎｔｓａｎｄｔｅｃｈｎｏｌｏｇｉｃａｌａｄｖａｎｔａｇｅｏｆｍｉｃｒｏ－ｉｎｊｅｃｔｉｏｎｍｏｌｄｉｎｇａｒｅｄｉｓｃｕｓｓｅｄ．Ｔｈｅｒｅｓｅａｒｃｈｏｎｍｉｃｒｏ－ｉｎｊｅｃｔｉｏｎｍｅｃｈａｎｉｃｓａｒｅｃｌａｓｓｉｆｉｅｄａｎｄｉｌｌｕｓｔｒａｔｅｄ，ｔｈｅｉｒｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔｓｉｔｕａｔｉｏｎａｎｄｔｅｎｄｅｎｃｙａｒｅａｌｓｏｐｏｉｎｔｅｄｏｕｔ．Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｍｉｒｏ－ｉｎｊｅｃｔｉｏｎｍｏｌｄｉｎｇ；ｉｎｊｅｃｔｉｏｎｍｏｌｄｉｎｇｍａｃｈｉｎｅ；ｍｉｃｒｏ－ｓｙｓｔｅｍｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ忽略了分子自身尺寸效应、熔体滑移现象和表面张力等因素对微流体的流动影响，在进行微注射成型工艺仿真研究时无法精确反映各工艺参数对微注射成型流体流动过程的影响；②实验研究多数没有全面系统地分析微注射工艺参数对零件表面质量、残余应力，密度等重要成型性能的影响；③研究范围都局限于工艺参数对零件宏观性能的研究，在工艺参数对零件微观形态结构的影响方面研究较少，如结晶性材料结晶性能、分子定向等。

针对上述不足，改进微注射成型工艺研究中所采用的流动模型，扩展工艺理论研究对象和研究范围，对完善微注射成型工艺理论，提高微注射成型零件精度与质量，进一步优化生产过程有重大的理论意义和经济意义。

５结束语综上所述，微注射成型是普通注射成型与微系统技术相交叉的新型成型工艺，具有很好的发展前景。

通过综合分析注射机、模具、加工参数与物料性能间的关系作为研究该技术的出发点，缩小注射量以提高计量精度，寻求适合的聚合物材料，开发快速精确的变温控制系统并实现微注射成型的自动化是发展微注射成型的主要任务。

此外，精细微纳结构零件的注射成型过程及演变机理研究处于国际先进制造技术的前沿领域，完成此研究不仅可以使我国在微注射成型技术应用基础研究领域占有一席之地，为精细微纳结构零件的国产化奠定基础，具有深远的前瞻性和先导性意义。