微注塑成型技术研究进展

微注塑成型技术研究进展
摘要：微注塑成型与传统成型有很大的区别，其对成型材料、成型工艺及成型设备等方面都提出了不同要求。

现有很多成熟的注射成型技术和理论并不适用于微注塑成型，必须在理论和实践上对微注塑成型的特点进行系统和彻底的研究与探讨。

关键词：微注塑成型工艺CAE软件
微注塑成型技术始于20世纪80年代末，是一门新兴先进制造技术。

在微注塑成型过程中，由于微制品的尺寸、体积和重量的微小使得与传统注射成型有很大的区别，微制品结构在普通工艺条件下容易出现填充不满的现象。

熔体在微型腔中的流动变得复杂。

因此若能够对微注塑成型过程进行数值模拟，预测熔体在型腔内流动行为，从而科学地选择制品、模具设计以及工艺条件的最佳方案，成为提高微制品成型的重要手段。

一、微注塑概念
到目前为止，对于微注塑成型技术还没有准确统一的定义，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。

Kukla C等[1]从微型塑件的角度，给出了微注塑成型技术的概念。

即微注塑成型技术应能够成型以下类型的塑件：
1.塑件的整体结构尺寸微小
2.表面具有微细结构的塑件
3.微型精密塑件
二、研究进展
微注塑成型技术同传统注塑成型技术相比在工艺条件的设置上有很大差别，如果仍采用普通注塑成型过程时的模具温度和注射压力，通常会导致微小模具结构的型腔充填不足。

然而目前关于微注塑成型工艺条件的具体研究尚未获得一致的结果。

在Piotter V.[2]等的研究中，使用由LIGA工艺成型的微结构模具型腔进行注塑成型试验，指出必须通过提高模具温度才能保证微型塑件的成型质量。

对于无定形塑料（如PMMA，PC，PSU等），模具温度要高于其玻璃态转变温度；对于半结晶形塑料（如POM，PA等），模具温度通常要达到其结晶温度。

而且在多数情况下，塑料熔体在注射机喷嘴处的温度经常要达到材料允许的成型温度的上限。

同时他们还认为在微结构模具注射成型中，只有预先将模腔内的气体排净，才能实现微结构塑件的完全充填。

Kukla C.等也指出，微注射成型过程模具的温度和普通注塑加工相比必须提高，他们通过采用一种被称为“变温工艺”的技术，来控制模具温度。

同时提出，模具间隙在5μm量级时不需要预先排气，只有当模具间隙小于此值或有盲孔等结构时才需要主动排气。

Eberle H.与合作者Zumtobel的研究[3]是将上述变温工艺进行了改进，即只对微型模具的型腔部分实施温度控制，使成型周期进一步缩短，从改进前的最短周期90s降低到15s，大大提高了微型注塑成型的生产效率。

Yu L.Y.等[4]对用不同方法加工的模具镶件，包括CNC加工的钢材料、环氧树脂、光刻和电铸的镍模具零件进行了测试，其特征尺寸从5微米到几百微米不等。

使用PMMA和光学质量级的PC材料，对模具镶件在不同的条件下进行了
试验，结果发现注射速度和模具温度严重影响微结构的复制精度。

Shen Y.K.等针对厚度为20μm，半径为150μm的圆柱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试验，给出的结论同样是模具温度要高于塑料的玻璃化转变温度才能达到完全充满。

Zhao J.等在Microsystem50型微注塑机上进行了一系列微型齿轮的成型试验和数值模拟，所用材料为POM，采用Taguchi试验分析方法，得出的结论是计量精度和保压时间是影响微型塑件成型质量的决定性因素，同时模具温度也要高于普通注塑成型时的模具温度。

J.Pfather等人通过实验发现在截面尺寸相对较大的微流道中，流体的运动规律与Navier-strokes方程相吻合，而当微流道尺寸降至0.8 时，试验结果偏离方程的计算结果。

Dong等利用自制的实验装置研究了表面张力，惯性力在微尺度流动中起主导作用的条件，结果表明当入口压力较大时，惯性力作用强，而表面张力则作用较弱.当流道截面尺寸为0.02×0.1mm时，表面张力对微流体流动起到阻碍作用，导致流体无法完成在微流道中的完全流动。

Yao D.G.等对聚合物熔体在微通道中的流动问题进行了理论分析和模拟，模拟是基于宏观的2.5维方法。

该研究最终显示，只有当模具微观尺度降至几个微米或更小时，熔体的微观充模流动行为才会显著地区别于宏观的充模流动。

YULY.Lee LY.Koelling Kw指出由于速率和压力场在宏观和微观区域显著不同，热传导系数和壁面滑移在微观模拟应该加以考虑，实体流模型更接近实验观察，中面流和实体流模拟的区别在于在宏观结构和微观结构的结合处，三种速度分量共同存在，因此中面流不能很好处理厚度显著不同的结合处的模拟。

三、结论
综合上述研究发现，尽管各研究者所用研究方法与试验条件不同，得出的结论也不尽一致，但有一点结论是共同的，即在微注塑成型中，模具温度在注射充模阶段应比普通注塑成型时的温度要高。

注射充模完成后，为了缩短加工周期需将模具快速冷却。

但对不同的材料或塑件，模具应达到的具体温度水平还没有形成统一的认识。

参考文献
[1][美]乔治.埃姆.卡尼亚达克斯，[美]埃里.柏斯考克，微流动——基础与模拟[M]，化学工业出版社，2006.
[2]宋满仓，张巧丽，王敏杰，赵丹阳，微成型领域的关键技术，中国塑料，2003，17（9）：6-10.
[3]Yu L.Y.，Koh C.G.，Lee L.J.et al. Experimental investigation and numerical simulation of injection molding with micro-features. Polymer Engineering and Science，2002，42 （5）：871-888.
[4] Zhao J.，Mayes R.H.，Chen G.. et al. Effects of process parameters on the micro molding process. Polymer Engineering and Science，2003，43 （9）：1542-1554.
李金展，安阳工学院，本科，商丘工学院机械工程学院教师。