比火柴头还小！精密微型零件如何制造？

柴进

传统的、宏观上的注塑成型技术理论及工艺已经发展的比较成熟，但微注塑成型技术及其相关研究仍处于起步阶段。由于微注塑成型技术的研究涉及到很多相关领域，如微流变学、微流体力学、微传热学、聚合物的微观流动形态学等，且这些相关领域的理论和技术本身都还很不成熟，因此尚未形成能够指导微注塑成型技术的理论和方法。而随着微机电系统（MEMS）的迅猛发展，又迫切需要复杂微塑件或微注塑封装技术在微机械系统中发挥重要作用，因此对微注塑成型技术的进一步深入研究至关重要。

与传统的注塑成型技术一样，微注塑成型技术包括微注塑成型机、微注塑成型模具、微注塑成型材料、微注塑成型工艺四个方面。以下为这四个方面的发展现状：

（1）微注塑成型机的研究现状

德国Aachen大学的IKV研究所一直从事注塑成型及其模具技术的研究，他们新近研制了一种高技术含量的微注塑成型概念机，获得了比Microsystem50更小的注射量。这种微注塑机技术代表了目前最新的研究进展，它仍采用螺杆预塑化和柱塞注射单元分离式设计，只是注射推杆的直径由Microsystem50型的Ф5mm减小到Ф2mm,其注射量可在5mg-300mg范围内变化。

（2）微注塑成型模具

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。目前主要应用以下制造技术来加工微注塑模具。

① LIGA技术

LIGA技术起源于德国，它是1986年由德国卡鲁塞尔（Karlsruhe）核技术研究中心微结构研究所的W.Ehrfeld教授及其同事为了分离铀同位素而首先开发出来的。LIGA技术以三个主要工艺为基础:射线蚀刻、电铸成型、注塑复制。由于LIGA技术可加工任意复杂的图形结构，制造出具有高深宽比的超微细元件，加工精度高，可达亚微米级，因此它己经成为微型模具制造中的一种常用方法。

② 微铣削加工技术

为了提高其加工精度，研究者们在不断地改进传统的铣削加工技术。德国亚深的Fraunhofer产品技术研究所(IPT)和美国Fraunhofer机械制造技术改造中心设计了一种特殊的微型铣削加工机床，该机床带有气动轴承和主轴，在切削加工中，气动轴承和主轴传送切削刀具的运动更加稳定，每次传送切削刀具的步距在30纳米以内。

③ 激光加工技术

激光加工是一种既快捷又精密的微机械加工技术，它是一种脉冲工艺，在该工艺中光波脉冲可调至10ns-100ns.激光加工精度可达士um，制品尺寸可小至10um。激光加工技术可加工任何金属，甚至碳钨化合物，并能获得很高的表面精度。

④ 微细放电加工技术(EDM)

美国的微型工业模具公司(MTD)功是应用EDM技术进行微型模具制造的先驱，该公司的数控EDM机床可以提供小至1.5um的步距进给，使用直径从0.25mm到25um的黄铜和镀锌的金属丝。MTD曾成功地制造出一种用于生产的大小为1.52X0.038mm、重量只有0.13mg塑件的微型模具，该模具的浇口尺寸小至0.05mm，型芯直径只有0.11mm。德国亚深的IPT与瑞士的Agie合作开发了直径只有20um的金属丝。日本东京大学开发的微细电火花加工机床可以加工5um左右的细轴和微孔。

(3)微注塑成型材料

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,并在较好的充模能力与高生坯稳定性。

（4）微注塑成型工艺

当微注射成型机、微注射成型模具及成型材料确定后，微注射成型工艺就成为保证微型塑件成型质量的重要因素。与传统的注射成型工艺类似，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，但是传统注射成型的工艺条件并不完全适合于微注射成型，各工艺参数及其交互作用对成型的影响规律是目前微注射成型技术研究中的一大热点。

总之，微注塑成型机发展过程很快，德国在此方面的研究起步最早，美国、日本紧随其后。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、大连理工大学精密与特种加工教育部重点实验室、中科院力学所和中南大学模具技术研究所对流体流动行为、微流体实验技术及微注塑成型机理进行了一些卓有成效的研究探讨；苏州大学，哈尔滨工业大学等一些高校也正在进行一些相关研究。

微注塑成型技术的发展趋势

经过20多年的发展，随着MEMS产业化进程，微注射成型技术有着巨大的应用潜力和发展空间。研究适合微型注塑模具和微型注塑机的成型理论和制造方法，寻求和研制适合微型塑件生产的塑料原料，开发相应的检测元件、装置和技术，扩展其应用范围，已成为目前研究的热点。如何将现有的，常规的注塑成型技术“移植”到微注塑成型中去，以使微注塑成型技术得到快速发展，正是各国科学家的努力方向。

目前从所掌握的资料来看，国外对微注塑成型技术的研究也就20几年的历史，理论体系尚未形成，有关的实验数据掌握得还很少。在国内有40多个单位在开展MEMS的研究工作；在工艺方面，开展了LIGA、小机械加工、放电加工和化学三维成型等工艺研究，所取得的成果为我国的微注塑成型技术的研究与应用奠定了良好的理论基础。因而充分利用已有的工艺研究基础进行注塑成型技术研究，不仅能填补国内空白，而且也可参与国际的科研竞争，促进MEMS的商品化进程。

随着微系统技术的发展及对微小塑件需求的日益增长，微注塑成型技术的发展呈现以下趋势：

① 进一步完善新材料的微注塑成型工艺研究，发展实用性广的新型材料。在微注塑选材时，不但要考虑制品的精度要求，还要考虑到材料的可模塑性和脱模性能。因此需要开发黏度低、热稳定性好的材料。

② 探索新的材料塑化方式，解决现有塑化方式带来的诸多问题。考虑到微注塑成型注射量小，充分结合柱塞式塑化适应注射量范围较宽和振动塑化熔体质量高、流动性好等优点，在微注塑成型中采用超声波塑化是一个较好的思路。

③ 考虑到微注塑成型型腔小、可利用空间有限的特点，探索利用某种能量场如磁场来实现变模温控制是一个新想法，或者设想用振动场解决微注射成型中充填困难的问题并改善制品品质，这样就不需要高模温和快速冷却了。

④ 开发适合微注塑成型技术的数值模拟软件是一个需要迫切解决的问题。传统商业模拟软件是基于传统注塑成型基本理论开发的，在其模拟过程中通常忽略壁面滑移、非等温特性等因素的影响。在微尺度范围内，这些因素的作用程度将发生变化。如果直接采用这些商业软件进行微注塑成型过程模拟及微塑件的质量预测，可能会导致计算结果不准确。所以，通过大量实验，取得微流道中熔体的一些流动参数是迫切需要的，只有具备了大量的可靠的实验数据，才能开发出适合微注塑成型的准确性高的通用模拟软件。

⑤ 建立一个高精度的塑件检测系统。目前已有一些研究人员研制出对欠注和溢料飞边的零件检测，但是还不能检测零件表面粗糙度、材料形态及零件的结构特征，这方面的研究工作需要进一步加强。

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