微注塑成型技术的发展与趋势

微注塑成型技术的发展与趋势

微塑料生产技术，加工方法有效，尺寸和质量的一致性好，。可以满足各类微小装置或器件对复杂塑件的需求。微塑件既可作为微结构件在微机电系统中发挥重要功能作用,还可以将各种微小尺寸的元器件通过聚合物注塑封装成一体,简化系统整体或部分装配工艺。微注塑成型方法与其他聚合物成型方法相比,主要优势是高生产效率和低制造成本。目前,对于微注塑成型技术尚未形成统一的定义。Whiteside等根据微塑件的特征尺寸,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塑件:1)塑件体积微小,总体尺寸小于1mm,如微齿轮、微透镜、微螺栓螺母;2)塑件总体尺寸在毫米和厘米量级,但表面具有微细结构的塑件,如导光板、微光栅、微流控芯片;3)塑件总体尺寸和特征尺寸均无限制,但局部尺寸精度在微米量级。微模具是微注塑成型的核心,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注塑生产的关键因素,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。目前,专门关于微注塑模具设计与制造方面的文献综述较少,本文从微注塑模具的特点、设计组成、材料选择、制造方法等角度出发,对微注塑成型模具设计与制造的发展现状和发展趋势进行了阐述。1微注塑模具的特殊性近年来,关于微注塑模具制造技术的研究受到广泛关注。一般认为微模具应符合以下特征:其应用对象的整体尺寸或局部尺寸小于1mm;微模具微细尺寸从几微米到几百微米;微模具表面粗糙度值在0.1μm以下。随着微加工和精密加工的发展,微模具的概念也不断向前演变。目前,采用LIGA制造的微注塑模具已可用来生产质量小于1mg或者局部结构化面积只有几平方微米的极微小型注塑制品。微注塑模具基本组成与常规注塑模具相似,但在具体要求上存在明显差异:1)加工方法特殊。微注塑模具上存在多个跨尺度特征尺寸,局部尺寸极其微小,精度要求复杂,传统的切削加工方法难以满足加工要求,往往需要结合多种微细加工和精密加工方法,因此,存在工艺兼容性问题。2)控温方法特殊。微注塑的对象是微小零件,其反模-微模具型腔的局部或整体表体比大,微注塑充型过程熔体体积及其总含热量减少,热量散失快,导致充型过程熔体温度变化幅度较大。因此,需要在微注塑模具中增加快速变换模具温度单元,以适应微塑件高效生产。3)真空排气要求特殊。微模具对加工精度要求较高,合模后动-静模贴合严密,型腔处于封闭状态,型腔内残留气体以及熔体夹带的气体无法利用间隙顺畅排出,影响熔体填充率。需要设计与微结构相匹配的辅助排气通道和抽真空装置主动排气,促进熔体填充。4)脱模方式特殊。微塑件具有质量小和壁薄的特点,塑件脱模是微注塑模具设计的一大难点。受细长推杆及微小孔制造的限制,推杆直接推出塑件的脱模方式难以利用。因此,微注塑模具需要研究适合微塑件结构特点的脱模方式,既要保证微塑件平稳脱模,不产生任何变形和损伤,又要使结构简单,便于制造与装配。2微塑料制造技术2.1金模架的重复利用微注塑模具由模架部分和型芯组成,二者可以制作为一体(如图1a),也可以分别加工,然后通过螺纹或过盈配合连接(如图1b),称为镶块式微模具。后者更有利于拆卸更换和零部件的重复利用,同时也能够发挥不同加工方法的优势。对于镶块式微模具,其模架材料多选择优质模具钢,可以根据注塑机尺寸选定标准模架再加工,在模架上通常设置有热流道、浇口、冷水道、真空排气槽、顶出塑件机构等。模架上不含要复制的微细结构,采用机械加工方法就能满足一般精度要求。镶块式微模具中,用于复制的微结构部分镶嵌在模架中,称为型芯,有些文献也称之为镶块。微注塑工艺要求型芯尺寸精度高、耐高温、耐冲击、耐疲劳、并且能与模架机构和特征位置相配合。根据型芯所用材料,可以将微注塑型芯分为金属微型芯和非金属微型芯。2.2制作整体模具及模具型芯通常考虑热膨胀系数小、弹性系数大的材料作为制作微注塑型芯或整体模具材料。在微注塑起步阶段,人们多选择耐热和耐冲击的金属材料制作整体模具或模具型芯,如钢、铝合金、镍、铍铜合金等。适用于这些材料的加工方法可分为去除材料成型和堆积材料成型。2.2.1微细电火花加工去除材料成型方法包括激光切割、微细铣削、微细电火花加工等。微细电火花加工主要优点是能够加工高硬度、高韧性的难加工的导电材料,也易实现复杂型面的零件加工。美国MTD公司的电火花系列机床可以提供小至1.5μm步距进给量,使用直径从25～250μm金属丝进行电火花加工。该公司利用此类设备制造了各种微模具,用于注塑各种微流体器件、多路微光纤连接器、人体植入微部件,塑件制品尺寸可小至几十微米。微细电火花加工需要复杂的电极,并且容易损耗,在生产效率方面尚有许多不足之处。微细铣削也可以用于加工微模具型芯。通过选择直径在几个微米左右的微细刀具和编程控制刀具运动,可铣削出形状多样、材料各异、特征尺寸在10μm～10mm的微结构。Weule等用硬质合金微铣刀直接铣成微型汽车的钢质轮壳模具,表面粗糙度Rz0.5μm,加工表面近似镜面。微细电火花和微细铣削加工的主要问题是电极和刀具在与工件相接触部分快速磨损,使得型芯加工精度难以在控制,加工单件复杂模具需要多次更换电极或刀具。激光加工技术是一种非接触加工方式。采用CO2激光器可以加工特征尺寸在10～20μm的微细结构。若采用飞秒深紫外激光加工(波长280nm),聚激光焦后可在较低的脉冲能量下获得极高的峰值功率密度,由于作用时间极短,能量尚未扩散,材料已经加热蒸发,这样,材料以气相蒸发带走大部分热量,热扩散影响很小,克服了长脉冲激光加工过程中热扩散带来的材料变形和烧熔问题,加工分辨率可以达到1μm,甚至更小,能够用于亚微米甚至纳米级的金属、玻璃、金刚石、陶瓷等材料微模具型芯加工。上述工艺对加工设备和操作精细程度要求很高,并且多数适用于加工特征尺寸在10μm以上的结构,限制了微注塑的应用范围。2.2.2细胞培养模具的制作堆积材料成型的加工方法主要指UV-LIGA和LIGA加工,大连理工大学刘冲研究组采用多重电铸的方法,制作了具有双层微结构的镍材料细胞培养腔注塑模具(图2);Kim等对UV-LIGA工艺进行了改进,在对SU-8显影曝光后,进行高温回火,使其适当流动并在表面张力作用下趋于圆滑,然后进行二次微电铸,制作了具有三维平滑微细结构的手机导光板微模具型芯,其表面质量优于采用电火花加工的微模具型芯表面(图3)。2.2.3微结构加工方法将去除材料的方法与堆积材料两种成型方法组合在一起制作金属微结构的方法称为组合成型的加工方法。大连理工大学杜立群教授等采用UV-LIGA和微细电火花加工技术组合的工艺方法制作出了局部为梯形凸台和锥形凹槽三维微结构的镍模具(图4)。2.3硅微模具型芯的制备技术微注塑成型所需锁模力一般在10t以下,锁模力对模具型芯的冲击低于常规注塑,因此一些抗冲击性能略低于金属的材料,如硅、玻璃、陶瓷等,也可以用于制造用于微注塑成型的型芯。非金属材料热膨胀系数小,有助于提高塑料制品复制精度。此外,上述非金属材料具有高熔点和高温化学惰性的特点,在微注塑过程中,材料表面不易产生变形、氧化和其他化学反应。现阶段,基于硅微加工技术的硅微型芯制造方法有明显优势。首先,在制造方法方面,源于微电子制造方法的硅微加工技术具有高复制精度、高效率、批量化和低成本的优势;其次,硅材料具有耐高温、高强度、良好传热性等优点;最后,结合深紫外曝光或X射线曝光等技术还能够在硅片上制作nm量级的微纳结构,这为下一步纳注塑发展奠定了技术基础。1999年,Shah等最早利用硅微加工方法制作微注塑型芯,但限于当时微细加工能力的综合技术水平,并未引起人们重视。2004年,Yoon等对采用镍合金型芯和硅型芯微注塑效果进行对比,结果表明:采用硅型芯加工微塑件的表面质量不逊色于采用镍合金型芯制作的微塑件。2006年,Slocum等利用湿法腐蚀的硅模具注塑了微刀片结构,其刀片尖端厚度仅为300nm,而采用微细电火花加工钢模具注塑同一器件的尖端厚度为3μm,进一步证实了硅微模具在微注塑领域具有一定的优势。应用硅模具存在材料脆性的问题。硅是一种硬脆性材料,硅微模具型芯在注塑中不易磨损,但容易出现破损,表现为型芯整体断裂和在型芯微细结构附近出现裂纹两种破损形式,整体断裂往往出现在注塑初始阶段,而微细结构附近裂纹则经常在多次注塑后出现,表现为疲劳损伤形式。对此,我们进行了大量工艺实验探索,认为以下是影响硅微模具型芯破损的主要因素:1)型腔与硅模具接触面的平整度及表面精度直接影响硅模具的寿命。在注塑过程中,局部不平整容易引起注塑过程中受力集中。2)硅模具本身强度及微结构形貌。选择厚硅片制作型芯,能够提高硅模具强度;在高密度微细结构处容易出现裂纹,这可能与硅微型芯加工过程中产生的内应力有关。3)注塑速度、锁模力、温度等注塑参数也对硅模具寿命有影响。4)不恰当的脱模方式会使顶杆顶出力通过刚体传递作用在硅模具型芯局部,引起型芯破碎。我们通过提高模架配合面加工质量、选用厚度超过1mm的硅片、优化注塑参数、设计间接顶出脱模方式,显著降低了硅微注塑型芯损坏几率,其寿命可超过500次以上,能满足中小批量生产要求,其成本不及电火花加工的同形金属模具十分之一。3微注塑模具设计的主要研究方向受微小塑件尺寸或体积微小带来的“尺度效应”的影响,微注塑模具结构设计的要求与常规注塑模具有诸多不同,目前的研究主要集中在模温快速变换、抽真空辅助排气和微塑件脱模等几个方面。3.1高频临界加热微注塑需要具有快速变换模温,能根据注塑各阶段不同要求调整温度,以适应微塑件的快速高效率的生产,这就需要在模具模架部分设计高效的控温和传热方法;目前用于微注塑变温加热有以下电热水冷变模温控制、感应加热变模温控制、复合模壁绝热-压缩热空气加热变模温控制等。复合模壁绝热-压缩热空气加热变模温控制主要特点是:采用加热的压缩空气为热源,模具温度调整机械部分由三层组成:外层为高热传导率材料形成的预热层;中间层为低热传导率材料形成的绝缘层;底层为传统的模板基体,这种设计能够减少热损耗,提高升降温速度。Yao等采用高频临界加热方式,在5s时间内以93W/cm2的表面加热能力迅速使模腔从室温快速加热到240℃。Pei等设计了红外快速表面加热的辐射结构,使模具中心的表面温度在红外加热下15s内可以从83℃上升188℃,显著提高注塑成型能力。Lin等研究了气对流、电热-液态氮冷和电热-水冷三种变模温控制方法,结果表明:采用电热-水冷变模温控制方法升降温速度最快。Yao等提出利用热解石墨导热率高的特点进行模温控制,在模具表面进行了热解石墨涂层,如图5,通电加热后,其表面温度从50℃上升到250℃只需2s,断电后,从250℃冷却到50℃只需8s。这种方法升降温迅速,有一定应用价值,但注塑中产生的热应力及高注塑压力易产生涂层开裂,因此应用到实际生产还有困难。3.2动-静模机械配合在微注塑成型过程中,局部残留空气会在成型过程中产生气泡,空气阻力也会影响成型质量。常规注塑可借助排气道分型面排气,但对于微注塑,微模具型腔多为盲孔结构,为防止飞边,还需要零间隙的动-静模合模机械配合,这使得由动-静模分型面间隙快速排净空气很困难。为了迅速排出气体,可采用由微小排气通道端口、紧凑的真空通路及相应的密封结构等组成的真空辅助排气系统主动排气,提高注塑质量。3.3机械顶出方式微塑件脱模也是设计微模具需要考虑的问题。对于整体尺寸微小的零件,可选的推杆直径近似甚至超过微小塑件接触面,很难应用推杆直接顶出方式脱模。对于微注塑,有人提出真空吸附或压缩空气吹落塑件的方法,克服机械顶出对塑件和模具的破坏问题。同课题组于同敏老师等提出一种推杆间接推出方法,实现微小塑件的脱模,即用顶杆直接顶出尺寸相对较大的流道,通过流道和浇口带动塑件脱模,由于推出作用力并未直接作用在微塑件上,保证了塑件尺寸精度和表面质量,这种方法需要较厚的流道,以防止顶出过程中流道断裂。4微注塑模具结构设计从微注塑成型模具角度综述了微注塑成型模具设计和制造几种策略和具体方法,对目前的微模具组成、微型芯加工方法及优缺点进行了归纳总结,对微模具设计要点进行了分析。其结论如下:1)微注塑模具与常规注塑模具主要差异在于加工方法、控温方法、真空排气、脱模方式等方面,采用镶块式微模具组合形式,有利于拆卸更换和零部件的重复利用,同时也能够发挥不同加工方法的优势。微注塑模具结构设计的要求与常规注塑模具有诸多不同,重点集中在模温快速变换、抽真空辅助排气和微塑件脱模等几个方面。2)对于金属