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(diǎn),,2、微型注射的成型設(shè)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(jié)構(gòu)與性能的關(guān)系,,5、微型注射的工藝過(guò)程,,7、微型注射的發(fā)展趨勢(shì),概述,微型加工的發(fā)展及其特點(diǎn),01,,,,,微型加工的發(fā)展及其特點(diǎn),近年來(lái)，人類社會(huì)對(duì)微型制品的需求不斷增大，2015年全球微型器件產(chǎn)業(yè)超過(guò)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(shù)領(lǐng)域十分重要的組成部分，在微機(jī)械電子、生物醫(yī)學(xué)、航空航天等先進(jìn)制造領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用，微型加工技術(shù)已是當(dāng)今國(guó)際聚合物材料加工領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。,,,微型加工的發(fā)展及其特點(diǎn),,,微型加工的發(fā)展及其特點(diǎn),,,微型加工的發(fā)展及其特點(diǎn),聚合物微型加工是指將材料塑化并轉(zhuǎn)移至具有微納結(jié)構(gòu)特征模具中形成微型制品的過(guò)程。 一般而言，制品具有如下特點(diǎn)：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(diǎn),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(shù)、澆鑄成型技術(shù)、微模塑復(fù)制技術(shù)、真空輔助成型技術(shù)、微型擠出、刻蝕技術(shù)、熱熔技術(shù)、微型熱壓等。 上述方法往往對(duì)微零件的結(jié)構(gòu)、成型過(guò)程以及成型材料有特殊的要求，被限定在一些特定的應(yīng)用領(lǐng)域。相比而言，聚合物微型注射成型技術(shù)因?yàn)榫哂衅渌尚头椒o(wú)法比擬的優(yōu)勢(shì)，已經(jīng)成為當(dāng)今聚合物微成型應(yīng)用最為廣泛的方法,,,微型加工的發(fā)展及其特點(diǎn),微型注射成型的特點(diǎn)：1、技術(shù)對(duì)原材料的限制相對(duì)

4、較少，絕大多數(shù)聚合物材料及其復(fù)合材料都能進(jìn)行微型注射成型；2、易于自動(dòng)化操作，生產(chǎn)效率高，成型周期短；3、產(chǎn)品種類多、更新快；4、快速反應(yīng)能力；5、工作性能穩(wěn)定,成型原理,微型加工的成型設(shè)備,02,,,,,微型加工的成型設(shè)備,德國(guó)亞琛工業(yè)大學(xué)IKV研究所總結(jié)出微注塑技術(shù)對(duì)于注塑機(jī)的要求：(1)注射單元的最小注射量應(yīng)能達(dá)到1毫克，注射壓力要求達(dá)220MPa．250MPa，且無(wú)泄漏；(2)驅(qū)動(dòng)單元須準(zhǔn)確性高、無(wú)污染且噪音低；(3

5、)塑化單元的塑化溫度達(dá)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(yán)格控制聚合物在塑化單元滯留時(shí)間；(4)配料單元要求進(jìn)料過(guò)程中不吸入空氣，并有自動(dòng)進(jìn)料、干燥及計(jì)量等功能。,,,微型加工的成型設(shè)備,按塑化和注射單元的機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)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(shè)備,1) 螺桿式 微注塑成型過(guò)程的注射量很小，所以要求注塑機(jī)注射單元的螺桿直徑要相應(yīng)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(guó)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(jī)典型代表,,,微型加工的成型設(shè)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(jīng)一魚雷狀分流梭, 經(jīng)由噴嘴注入模腔, 分流梭的功能是將塑料分散于管內(nèi)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(jì)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(shè)備,3)螺桿柱塞混合式 微注射成型機(jī)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(dá)與控制器作為微注射單元, 完成精密計(jì)量與注射.右圖為英國(guó)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(xì)化特點(diǎn)，微型注射用模具需要具有一些特殊的結(jié)構(gòu)和功能：（1）變模溫控制裝置。因?yàn)?/p>

8、過(guò)低的模具溫度，會(huì)使微型注射成型過(guò)程變得困難，而過(guò)高的模具溫度又會(huì)延長(zhǎng)成型周期，同時(shí)，也限制了成型工藝參數(shù)的優(yōu)化；（2）預(yù)抽真空裝置。微型注射制品尺寸微小，且多為微型盲孔結(jié)構(gòu)，如果不設(shè)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(dòng)質(zhì)量檢測(cè)裝置和篩選系統(tǒng),,,微型加工的成型模具,模具結(jié)構(gòu) 模具一般采用主體結(jié)構(gòu)和微型型腔鑲塊結(jié)構(gòu)相結(jié)合的模

9、式，其中模具主體結(jié)構(gòu)包括調(diào)溫裝置、抽真空結(jié)構(gòu)、基本的模板、導(dǎo)柱等。 首先在金屬塊上進(jìn)行微細(xì)加工，然后將金屬塊嵌入模板進(jìn)行裝配，這樣不僅便于微小結(jié)構(gòu)的加工和鑲塊更換，同時(shí)也能提高整個(gè)模具的使用壽命。,,,微型加工的成型模具,對(duì)于微型模具的加工，普通的加工方法已經(jīng)不能滿足其要求，必須采用一些先進(jìn)的微／納米制造技術(shù)：（1）光制作技術(shù)（2）微機(jī)械加工技術(shù)（3）電化學(xué)微型成型加工技術(shù),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(duì)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(yīng)等，易導(dǎo)致微型高分子器件難以實(shí)現(xiàn)填充，嚴(yán)重影響微型制件的質(zhì)量；②很高的力學(xué)強(qiáng)度。 由于微注射制品整體或局部尺寸很小，其力學(xué)性能必然下降。但很多領(lǐng)域?qū)ξ⑿椭破妨W(xué)性能的要求卻越來(lái)越高；③極高的精度。由于聚合物材料收縮率波動(dòng)較大，會(huì)導(dǎo)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(lái)說(shuō)，要求聚合物必須具備物

11、理機(jī)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(diǎn)。 同時(shí)，根據(jù)注塑制件的不同需求，還應(yīng)考慮其他特殊性能，如力學(xué)性能和光學(xué)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(guò)程,05,,,,,微型加工的成型工藝過(guò)程,（1）成型周期注射成型注塑機(jī)動(dòng)作過(guò)程：合?！A(yù)塑→注射機(jī)前進(jìn)→注射→保壓→注射機(jī)后退→冷卻

12、→開?！敵觥_門→取工件→關(guān)門→合模。,,,微型加工的成型工藝過(guò)程,（2）壓力隨注射時(shí)間的變化1.注射活塞開始運(yùn)動(dòng)；2.熔體到達(dá)分流道；3.熔體經(jīng)分流道開始向澆口流動(dòng)；4.熔體到達(dá)澆口；5.熔體從澆口進(jìn)入微型樣品型腔；6.熔體到達(dá)型腔末端；7.熔體充滿型腔直8.注射壓力轉(zhuǎn)為保壓壓力9.熔體保壓結(jié)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(guò)程,（3）注射過(guò)程工藝控制 實(shí)驗(yàn)表

13、明，模具溫度、料筒溫度、注射時(shí)間、保壓壓力、保壓時(shí)間、冷卻時(shí)間等工藝參數(shù)對(duì)產(chǎn)品質(zhì)量都有或多或少的影響。 保壓壓力對(duì)產(chǎn)品翹曲變形量的貢獻(xiàn)率最大，其次為注射時(shí)間，其他工藝參數(shù)對(duì)翹曲變形量的影響不大,,,微型加工的成型工藝過(guò)程,1）溫度 模具溫度 在常規(guī)注塑成型中，模具溫度遠(yuǎn)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(huì)造成填充不足，并產(chǎn)生一系列微塑件缺陷

14、。這可以通過(guò)提高模具溫度、降低熔體與壁面溫度梯度的方式來(lái)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(zhuǎn)變溫度( Tg) 。,,,微型加工的成型工藝過(guò)程,1）溫度 料筒溫度 要能使聚合物材料微型注射成型過(guò)程順利完成，必須獲得低的熔體黏度，而提高料筒溫度是簡(jiǎn)便而可行的措施。 溫度是微注射成型過(guò)程中聚合物結(jié)晶的最敏感因素，溫度場(chǎng)的變化影響結(jié)晶度的變化，結(jié)晶度

15、對(duì)微制品力學(xué)性能的影響較為顯著。 熔體溫度越高，微流道成型質(zhì)量越好，但表面質(zhì)量越差；溫度是聚合物結(jié)晶最敏感因素，溫度場(chǎng)變化影響結(jié)晶度的變化，結(jié)晶度對(duì)力學(xué)性能的影響較為顯著,,,微型加工的成型工藝過(guò)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(guò)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(dá)數(shù)百至數(shù)千kg/cm2)，料溫在允許范圍內(nèi)盡可能取高的熔體溫度，模具壁溫也應(yīng)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(dòng)過(guò)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(guò)程,3）對(duì)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(huì)導(dǎo)致熔體本體溫度升高

17、，導(dǎo)致熔體粘度下降，流動(dòng)性增強(qiáng)，熔體在充填微型模腔過(guò)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(guò)程,3）對(duì)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(dá)峰值的時(shí)間（Ｉ段）明顯減少，熔體保壓階段（ＩＶ段）結(jié)束的時(shí)間也相應(yīng)提前。解釋：隨注射速度增加，為達(dá)到設(shè)定速率所需的注射壓力增加，模腔壓力亦增加，同時(shí)兩者的響應(yīng)時(shí)間明顯縮短，即Ｉ時(shí)間

18、段減小，導(dǎo)致整個(gè)峰前移。,,,微型加工的成型工藝過(guò)程,3）對(duì)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(shí)間的變化趨勢(shì)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(dòng)性，有效減小注射活塞在注射過(guò)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(nèi)應(yīng)力。,,,微型加工的成型工藝過(guò)程

19、,3）對(duì)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(duì)復(fù)合材料體系熔體充填率的影響右圖可見(jiàn)，隨注塑溫度的增加，充填率亦增加，只有當(dāng)溫度增至270 ℃時(shí)，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(jiàn)其微型注塑對(duì)料溫需求更高。,結(jié)構(gòu)與性能的關(guān)系,06,,,,,微型加工的結(jié)構(gòu)與性能的關(guān)系,1）結(jié)晶性能的影響 相比于高熔點(diǎn)的無(wú)定形聚合物，結(jié)晶聚合物因

20、為力學(xué)強(qiáng)度、耐熱性等方面的優(yōu)勢(shì)，在微注射成型中的應(yīng)用更為廣泛。 更重要的是，在微注射成型過(guò)程中，結(jié)晶聚合物多層次結(jié)構(gòu)的可調(diào)整性非常強(qiáng)，同時(shí)，還可能在這種極端的成型過(guò)程中形成特殊的、高性能的結(jié)晶形態(tài)，進(jìn)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(jié)構(gòu)； 2）填料的影響 填料會(huì)明顯影響微型制件的物理機(jī)械性能和加工性，如流動(dòng)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(zhǎng)率

21、等，但會(huì)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(huì)更明顯。,,,微型加工的結(jié)構(gòu)與性能的關(guān)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(diǎn) ;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(dòng)充模后熔體固化所需的時(shí)間越短。 4）高溫穩(wěn)定性的影響 物料在微小流

22、道流動(dòng)時(shí)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(shí)間很短, 物料在流道內(nèi)也有分解的可能性。,,,微型加工的結(jié)構(gòu)與性能的關(guān)系,5）粘度的影響 因?yàn)槲⒆⑸涑尚偷臐部诩傲鞯莱叽缍际俏⒚准?jí)的, 所以剪切對(duì)粘度的影響比溫度大 ;同時(shí), 若用升高溫度來(lái)降低熔體粘度勢(shì)必延長(zhǎng)成型時(shí)間, 故在物料允許的剪切速率范圍內(nèi), 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(gè)尺寸上的收縮量大于其允許的公差時(shí), 就應(yīng)規(guī)定一個(gè)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(jié)構(gòu)與性能的關(guān)系,7）機(jī)械性能的影響 微制品的局部尺寸都是微米級(jí)的, 且有很大的長(zhǎng)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(qiáng)度等機(jī)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(wú)法脫模, 給制品的生產(chǎn)和使用帶來(lái)極大的不利。,微型加工的發(fā)展趨勢(shì),07,,,,,微型加工的發(fā)展趨勢(shì),（1）注射材料 多數(shù)微注射成型機(jī)以聚合物作為注射對(duì)象, 而微注射成型技術(shù)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(shù)的日益成熟, 針對(duì)粉末喂料的專用微注射成型機(jī)的研究有待進(jìn)一步的深入。 （2）塑化方式

25、 微注射成型機(jī)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(dāng)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(shí)間較長(zhǎng)等問(wèn)題。因此, 新的環(huán)保高效的塑化方式還有待進(jìn)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(shì),（3）產(chǎn)品性能測(cè)試 微注射成型產(chǎn)品尺寸微小, 很少有合適的測(cè)試儀器能對(duì)產(chǎn)品的成型性能進(jìn)行全面準(zhǔn)確的測(cè)試,

26、而且測(cè)試效率也很低。而成型產(chǎn)品的性能是對(duì)成型機(jī)性能和穩(wěn)定性的重要評(píng)價(jià)指標(biāo), 所以完善微注射成型機(jī)中產(chǎn)品性能檢測(cè)模塊的功能也是微注射成型機(jī)發(fā)展面臨的主要挑戰(zhàn)之一。 （4）設(shè)備智能化 當(dāng)前微注射成型機(jī)主要擔(dān)任產(chǎn)品生產(chǎn)的角色, 而隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)和機(jī)電一體化的發(fā)展,微注射成型機(jī)不僅要完成產(chǎn)品生產(chǎn)的任務(wù), 還要通過(guò)計(jì)算機(jī)將產(chǎn)品設(shè)計(jì)、計(jì)算機(jī)仿真分析、生產(chǎn)管理及客戶服務(wù)等系統(tǒng)有效的整合, 進(jìn)行智能化的生產(chǎn)操作。,,,微型

27、加工的發(fā)展趨勢(shì),（5）網(wǎng)絡(luò)化 隨著計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展, 微注射成型機(jī)將發(fā)展具備網(wǎng)絡(luò)通訊能力的控制系統(tǒng)和檢測(cè)系統(tǒng), 使生產(chǎn)管理及控制網(wǎng)絡(luò)化。通過(guò)微注射成型專家系統(tǒng)可以在線操作微注射成型機(jī), 對(duì)成型零件在線監(jiān)視并自動(dòng)調(diào)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(shù)依賴性, 有利于多元生產(chǎn)及行銷網(wǎng)點(diǎn)的掌控。,,,部分參考文獻(xiàn),[1]楊其,李光憲.聚合物及其復(fù)合材料的微成型加工研究進(jìn)展[J].高分子通報(bào)

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