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注塑機在規格上正向兩個截然相反的方向發展——大噸位的注塑機和微型注塑機,本文著重介紹筆者對於微型注塑工藝的理解,包括應用行業及巿場,加工過程對模具、物料、設備及工藝的要求。
Injection molding machinery is developing towards two areas: large scale machines and micro injection technology. The author shares his knowledge in micro injection technology in this article, including market and applications, process and equipment, etc.

注塑工業在當前巿場越發多樣化的大前提下,也在不斷的發展拓寬,出現了比如多色注塑、氣體輔助、模內貼膜、共注射成型等新的工藝。同樣在注塑機的規格上,也在向兩個方向發展——大噸位的注塑機和微型注塑機都在不斷地更新換代,本文著重介紹筆者對於微型注塑工藝的看法。

近年來,微型製品的需求越來越多,無論是電子行業,鐘錶業還是軍工行業中,都有大量的微小注塑件的需求,這些注塑製品在尺寸和精度上的要求都非常高。

在這樣的前提下,微型注塑工藝也就面臨著巨大的挑戰,如何才能讓注塑件滿足微米級的尺寸要求,同時還要具備良好的外觀和性能呢?以下我們針對微型注塑在模具、設備、材料、工藝等方面與傳統注塑的差別做一簡單介紹。

模具加工及要點

在模具方面,微型注塑對於加工設備的要求相對傳統注塑要高很多。

微型注塑在模具加工方面通常有兩種趨勢:第一種是採用鏡面火花機加工,為了確保高精密度,最好要使用石墨電極進行電火花加工,因為石墨電極的損耗比普通的銅電極要小很多。

第二種比較常用的加工方式是採用電鑄模,採用電鑄工藝可以確保非常高的精度,但缺點是加工週期長,每一穴都要獨立加工,還有在生產中如果有輕微損傷無法修復,只能重新更換損壞的穴位。

在模具方面,模溫也是微型注塑的一個很重要的參數。面對高端需求的客戶,目前比較常用的做法是借用高光注塑領域的理念,導入快速加熱與冷卻系統。

理論上,高模溫對於微型注塑很有幫助,比如可以防止薄壁填充困難、缺料,但是過高的模具溫度又會帶來新的問題,比如週期加長以及開模後收縮變形等。所以導入新的模具溫控系統顯得相當的重要,在注塑的過程中模具溫度可以提高(可以超過所用塑料的熔點),使得熔體能快速充滿型腔,防止熔體在充填過程中溫度降低過快而造成充填不全;而當脫模時,模具溫度又能迅速的降低,保持在比塑料熱變形溫度稍低的溫度內,然後再開模頂出。

除此之外,由於微型注塑成型的是質量為毫克級的製品,如果採用普通澆注系統來注塑製品,即使是在作了最優化改進後,製品和澆注系統內的物料質量比仍為1:10。只有不到10%的物料被注塑成微型製品,產生大量澆注系統凝料,所以微型注塑應該採用熱流道澆注系統。

材料選擇要點

在材料選擇方面,建議在開發前期就能夠選擇一些粘度低、熱穩定性好的通用工程塑料。

選擇低粘度的材料是因為在充填過程中熔體的粘度低,整個澆注系統的阻力就相對小,填充速度較快,能保證熔體順利充滿型腔,熔體溫度也不會有明顯的降低,否則在製品上容易形成冷接縫,而且在充填過程中分子取向少,所得製品的性能比較均勻。

如果選擇高粘度塑料,不僅填充較慢,而且補料時間較長,由於補料引起的剪切流動容易使鏈狀分子沿剪切流動方向取向,在這樣情況下冷卻到軟化點以下時取向狀態被凍結,而這種在一定程度上的凍結取向容易造成製品的內應力,甚至引起製品的應力開裂或翹曲變形。

要求塑料的熱穩定性好的理由則是由於物料長時間停留在熱流道內或受螺桿剪切作用容易造成熱降解,尤其是對熱敏性塑料,即使在很短的循環時間內,也會因為物料注射量小,在澆注系統內的停留時間相對較長,造成塑料相當程度的降解,因此熱敏性塑料不適合微型注塑。

設備選用要點

在設備選用方面,由於微型注塑件尺寸大小為微米級別的製品,宜選用注射量為毫克級的注射機。

這類注射機的注射單元一般採用螺桿-柱塞組合式,由螺桿部分完成對物料的塑化,並由柱塞將熔體注人到型腔。螺桿柱塞式注塑機可以結合螺桿的高精度與柱塞設備的高速度,可以確保生產過程的精度和填充速度。

此外,這種注射機通常由合模導向機構、注射系統、氣動脫模機構、質量檢測機構和自動包裝系統組成。良好的質量檢測系統可保證微型精密注塑製品的成品率,監控整個過程中的參數波動情況。

注塑工藝要點

最後,我們看下微型注塑在注塑工藝方面的要求。在注塑工藝上,我們需要考慮澆口的氣痕與應力問題,通常需要採用多級注塑,確保材料能夠處於穩流的狀態填充。

除此之外,還需要考慮保壓時間的大小,太小的保壓壓力會導致產品的收縮,但是過大的保壓又會導致應力集中,以及尺寸變大等問題。

另外,材料在料管中停留的時間也是需要嚴格監控的,材料在料管中停留時間太長,會導致材料的降解影響產品的功能。建議在工藝參數管理上要進行標準參數管控,每個產品在量產前最好能夠做DOE驗證,生產中所有的改動都要重新進行尺寸和功能的測試。

微型注塑作為注塑領域中的一個分支,正朝著高尺寸精度,高功能需求,高外觀要求的方向發展,只有通過模具、設備、材料、工藝等各個流程的嚴格控制和技術不斷提高才能滿足巿場的發展。
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