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隨著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，產(chǎn)品不斷向微型化方向發(fā)展，因而產(chǎn)生了新世紀(jì)產(chǎn)業(yè)需求的微機(jī)電系統(tǒng)技術(shù)。2002年全世界在這一領(lǐng)域創(chuàng)造出450億美元的產(chǎn)值，其主要產(chǎn)品在光電通訊、影像傳輸、生化醫(yī)療、信息存儲(chǔ)、精密機(jī)械等應(yīng)用領(lǐng)域扮演著重要角色。為了能夠生產(chǎn)具有實(shí)用價(jià)值的微細(xì)組件，許多新興制造技術(shù)隨之產(chǎn)生，包括光刻，電鑄及脫模技術(shù)(LIGA)、紫外光蝕刻技術(shù)(UV)、放電加工(EDM)、微注射成型、精密磨削和精密切削等。其中，微注射成型技術(shù)以容易實(shí)現(xiàn)低成本大規(guī)模生產(chǎn)具有精密微細(xì)結(jié)構(gòu)零件的優(yōu)點(diǎn)成為世界制造技術(shù)的研究熱點(diǎn)之一。
成品質(zhì)量以毫克為計(jì)算單位，成品幾何尺寸以微米為度量單位的微注射成型技術(shù)，始于20世紀(jì)80年代末，是一門(mén)新興先進(jìn)制造技術(shù)，同傳統(tǒng)的、常規(guī)的注射成型技術(shù)相比，其對(duì)成型材料、成型工藝及成型設(shè)備等方面都提出了不同要求。許多現(xiàn)有的、成熟的注射成型技術(shù)和理論并不適用于微注射成型技術(shù)，必須在理論和實(shí)踐上對(duì)微注射成型工藝的技術(shù)特點(diǎn)進(jìn)行系統(tǒng)和徹底的研究與探討。
1 微注射成型機(jī)的特殊要求
微注射成型技術(shù)發(fā)展之初，并未有專(zhuān)用注射成型機(jī)用于微型零件制造。生產(chǎn)實(shí)際中，通常采用傳統(tǒng)的中、大型注射成型機(jī)配合多模腔模具設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)零件制備，這不僅對(duì)模具的流道平衡設(shè)計(jì)要求很高，而且零件的成型品質(zhì)也難以控制。因此，需要專(zhuān)用的注射成型機(jī)適應(yīng)零件微型化和高精度的要求，與傳統(tǒng)注射成型技術(shù)相比，微注射成型技術(shù)對(duì)生產(chǎn)設(shè)備有許多特殊要求，主要表現(xiàn)為以下幾個(gè)方面：
(1)高注射速率：微注射成型零件質(zhì)量、體積微小，注射過(guò)程要求在短時(shí)間內(nèi)完成，以防止熔料凝固而導(dǎo)致零件欠注，因此成型時(shí)要求注射速度高。傳統(tǒng)的液壓驅(qū)動(dòng)式注射成型機(jī)的注射速度為200mm/s，電氣伺服馬達(dá)驅(qū)動(dòng)式注射成型機(jī)的注射速度為600mm/s，而微注射成型工藝通常要求聚合物熔體的注射速度達(dá)到 800mm/s以上，利用聚合物熔體的剪切變稀原理，以高注射速度降低熔體的黏度，使其順利充填微尺度型腔。
(2)精密注射量計(jì)量：微注射成型零件的質(zhì)量?jī)H以毫克計(jì)量，因此微注射成型機(jī)需要具備精密計(jì)量注射過(guò)程中一次注射的控制單元，其質(zhì)量控制精度要求達(dá)到毫克級(jí)，螺桿行程精度要達(dá)到微米級(jí)。而傳統(tǒng)注射成型機(jī)通常采用直線往復(fù)螺桿式注射結(jié)構(gòu)，注射控制量誤差相對(duì)較大，無(wú)法滿(mǎn)足微注射成型的微量控制要求，對(duì)零件成型品質(zhì)的影響較大。
(3)快速反應(yīng)能力：微注射成型過(guò)程中注射量相當(dāng)微小，相應(yīng)注射設(shè)備的螺桿/柱塞的移動(dòng)行程也相當(dāng)微小，因此要求微注射成型機(jī)的驅(qū)動(dòng)單元必須具備相當(dāng)快的反應(yīng)速度，從而保證設(shè)備能在瞬間達(dá)到所需注射壓力。
2 微注射成型機(jī)的分類(lèi)
針對(duì)傳統(tǒng)注射成型機(jī)在微注射成型領(lǐng)域中的應(yīng)用局限性，進(jìn)入20世紀(jì)90年代，歐洲、日本和美國(guó)的一些公司與科研機(jī)構(gòu)合作開(kāi)發(fā)了各類(lèi)型專(zhuān)用微注射成型機(jī)(通常鎖模力＜15t＝，目前國(guó)外主要設(shè)備供應(yīng)廠商包括Nissei、Dr.Boy、Battenfeld、MCP、Babyplast、高橋等。微注射成型機(jī)的主要功能通常包括塑化、計(jì)量和注射三部分，可以通過(guò)各部分的驅(qū)動(dòng)方式分類(lèi)，也可以通過(guò)各部分的機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)分類(lèi)。
按驅(qū)動(dòng)方式分類(lèi)，可分為液壓 /氣壓式驅(qū)動(dòng)、全電式驅(qū)動(dòng)和電液復(fù)合式驅(qū)動(dòng)。液壓/氣壓式驅(qū)動(dòng)即塑化單元和注射單元的旋轉(zhuǎn)/往復(fù)運(yùn)動(dòng)均靠液壓/氣壓系統(tǒng)來(lái)驅(qū)動(dòng)，其優(yōu)點(diǎn)是所能達(dá)到的注射壓力和注射速度高，可以滿(mǎn)足微注射成型工藝的要求；缺點(diǎn)是控制精度較差。全電式驅(qū)動(dòng)即設(shè)備所有單元均采用伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)，其優(yōu)點(diǎn)是控制精度高，反應(yīng)速度快，對(duì)環(huán)境污染小；缺點(diǎn)是伺服電機(jī)輸出的推力有限，所能達(dá)到的注射壓力和速度不高。電液復(fù)合式驅(qū)動(dòng)即將液壓式驅(qū)動(dòng)的高注射壓力、注射速度與全電工驅(qū)動(dòng)的精確控制和快速反應(yīng)相結(jié)合，作為系統(tǒng)的驅(qū)源。
按塑化和注射單元的機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)分類(lèi)，可分為螺桿式、柱塞式、螺桿柱塞混合式及其他特殊形式。
2.1螺桿式
微注射成型機(jī)的塑化、計(jì)量和注射均由一組螺桿完成，各單元旋轉(zhuǎn)和往復(fù)運(yùn)動(dòng)均在一條軸線上，構(gòu)造簡(jiǎn)單，容易控制。但是由于螺桿前端的止逆環(huán)結(jié)構(gòu)，設(shè)備對(duì)一次注射量的控制精度較差。此類(lèi)微注射成型機(jī)的代表型號(hào)有德國(guó)Dr.BOY公司的BOY12A，日精樹(shù)脂工業(yè)株式會(huì)社的HM7-DENKEY，樹(shù)研工業(yè)的JMW -015S-5T及東芝的EC5。
2.2 柱塞式
微注射成型機(jī)包括單一柱塞型和柱塞-柱塞型兩種，單一柱塞型將粒狀或粉狀的塑料向前推送，繞經(jīng)一魚(yú)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；而柱塞-柱塞型是由兩組柱塞分別完成塑化和計(jì)量注射功能。該型微注射成型機(jī)通常塑化量較小，塑化的品質(zhì)不高，混料性能也較差。其代表機(jī)型有西班牙Cronoplast公司的 Babyplast6/10，英國(guó)MCP公司的Rabbit2/3和美國(guó)Medical Murray公司的Sesame。
2.3 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，該微注射成型機(jī)又可按塑化計(jì)量機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)分為二段計(jì)量式和三段計(jì)量式兩種。
(1) 二段計(jì)量式：塑化螺桿先將塑料塑化并進(jìn)行粗計(jì)量，然后送至注射室中，再由小直徑柱塞進(jìn)行精密計(jì)量和注射，此類(lèi)微注射成型機(jī)的代表型號(hào)有英國(guó)MCP公司的 12/90HSP，日本Sodick公司的TR18S3A，日精樹(shù)脂株式會(huì)社的Au3E和田瑞公司的EPOCH SHOT7。
(2)三段計(jì)量式：塑化螺桿將塑料塑化并進(jìn)行粗計(jì)量后，送入第一段計(jì)量室，由第一段計(jì)量柱塞計(jì)量后，注射送入第二段計(jì)量室，再由第二段計(jì)量柱塞作精密計(jì)量后進(jìn)行注射。該型微注射成型機(jī)的代表機(jī)型有Battenfeld公司的Microsystem50和德國(guó)Ferromatik Milacron公司與亞琛大學(xué) IKV研究所合作改進(jìn)的FX25。
2.4 其他特殊形式
德國(guó)Ettlinger公司的注射機(jī)有一個(gè)同軸螺桿/柱塞復(fù)合式注射單元，可以生產(chǎn)0.1-5.0g的塑料零件，該型機(jī)構(gòu)的突出特點(diǎn)是采用直接注射成型，通過(guò)特殊結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的針式噴嘴將熱流道系統(tǒng)集成到注射機(jī)中，使得微注射成型過(guò)程能夠采用無(wú)流道模具，節(jié)省了材料，縮短了成型周期。
3 微注射成型機(jī)的發(fā)展趨勢(shì)
微注射成型機(jī)是注射成型設(shè)備發(fā)展的一個(gè)新方向，開(kāi)創(chuàng)了微細(xì)結(jié)構(gòu)零件和系統(tǒng)制造研究的新途徑，其突出優(yōu)點(diǎn)就是能夠?qū)崿F(xiàn)高精度、高精細(xì)零件的大批量、低成本生產(chǎn)。對(duì)于螺桿式微注射成型機(jī)，其塑化、計(jì)量和注射均由一組螺桿完成，所以結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，易于控制。其不足之處在于由于螺桿前端的止逆環(huán)結(jié)構(gòu)，使得設(shè)備對(duì)一次注射量的控制精度較差，并且增加了材料在注射料筒中降解的幾率，影響零件成型質(zhì)量的穩(wěn)定性。對(duì)于柱塞式微注射成型機(jī)，雖然其對(duì)注射量的控制精度較螺桿式高，但是其塑化量小，混料性能差，材料的塑化品質(zhì)較螺桿式差，不利于成型表面質(zhì)量和光學(xué)特性要求較高的零件。而螺桿柱塞混合式微注射成型機(jī)，則綜合了柱塞式和螺桿式的優(yōu)點(diǎn)，以螺桿作為塑化單元，柱塞作為計(jì)量和注射單元，使微注射成型的控制精度和零件的成型品質(zhì)均有明顯提高，但是通常其結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，控制和維護(hù)較柱塞式和螺桿式繁瑣。
上述各種不同原理的微注射成型機(jī)有著不同的性能指標(biāo)，適合不同微細(xì)結(jié)構(gòu)零件的需求。因此要根據(jù)具體的微細(xì)結(jié)構(gòu)零件的成本、尺寸和質(zhì)量等各方面因素綜合考慮選擇配置適當(dāng)?shù)奈⒆⑸涑尚蜋C(jī)。但是，由于微注射成型技術(shù)是新興的技術(shù)領(lǐng)域，許多基礎(chǔ)理論還不夠完善，微注射成型工藝也不夠成熟，還需要進(jìn)一步探索和研究。同時(shí)，隨著機(jī)電一體化技術(shù)、計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)等相關(guān)技術(shù)的不斷發(fā)展，為微注射成型機(jī)的開(kāi)展提供許多新思路和新方向。因此，微注射成型機(jī)的進(jìn)一步發(fā)展還面臨著許多挑戰(zhàn)，主要表現(xiàn)在如下幾方面：
(1)驅(qū)動(dòng)方式：目前，大多數(shù)微注射成型機(jī)采用高頻高扭矩伺服電機(jī)配合高精度機(jī)械傳動(dòng)裝置的方式實(shí)現(xiàn)微注射成型技術(shù)要求的精密計(jì)量和高速高壓注射，但是這種方式由于采用了機(jī)械傳動(dòng)裝置，存在傳動(dòng)間隙誤差和機(jī)械累計(jì)變形誤差，影響了設(shè)備的精密控制和快速反應(yīng)性。而采用直線電機(jī)驅(qū)動(dòng)則存在推力較小和成本較高的問(wèn)題，目前僅有美國(guó)的Medical Murray公司和日本的FANUC公司采用了這種驅(qū)動(dòng)方式。
(2) 塑化方式：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。目前德國(guó) IKV研究中心對(duì)注射成型機(jī)的超聲波塑化方式進(jìn)行了研究并取得了可喜的進(jìn)展。
(3)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(zhuān)用微注射成型機(jī)的研究有待進(jìn)一步的深入。
(4)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，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。
(5)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)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(hù)服務(wù)等系統(tǒng)有效的整合，進(jìn)行智能化的生產(chǎn)操作。
(6) 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(zhuān)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(lài)性，有利于多元生產(chǎn)及行銷(xiāo)網(wǎng)點(diǎn)的掌控。
4 結(jié)論與展望
微注射成型機(jī)的發(fā)展建立在機(jī)電技術(shù)和注射成型技術(shù)的發(fā)展基礎(chǔ)上，以微注射成型產(chǎn)品的需求為驅(qū)動(dòng)力。從目前微注射成型機(jī)研究狀態(tài)看，未來(lái)一段時(shí)間關(guān)于微注射成型的研究發(fā)展趨勢(shì)可能體現(xiàn)在以下方面：
(1)對(duì)設(shè)備的驅(qū)動(dòng)方式進(jìn)行進(jìn)一步研究，開(kāi)發(fā)高精度、高靈敏度和高推力、低成本的驅(qū)動(dòng)設(shè)備和方式；
(2)探索新的材料塑化方式，解決現(xiàn)有塑化方式帶來(lái)的諸多問(wèn)題，達(dá)到整潔、高效塑化注射材料的目的；
(3)進(jìn)一步完善新材料的微注射成型工藝研究，發(fā)展適用于多種成型材料的微注射成型機(jī)；
(4)微注射成型機(jī)的高精度、高效率產(chǎn)品檢測(cè)單元的探索，為微注射成型機(jī)提供可靠的性能測(cè)試和評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)；
(5)智能化和網(wǎng)絡(luò)化微注射成型要的開(kāi)發(fā)應(yīng)用研究，使微注射成型機(jī)在計(jì)算機(jī)和網(wǎng)絡(luò)的幫助下實(shí)現(xiàn)多元控制和遠(yuǎn)程在線控制生產(chǎn)。
綜上所述，微注射成型機(jī)的研制發(fā)展歷史并不長(zhǎng)，但它是一個(gè)極具發(fā)展?jié)摿Φ募夹g(shù)領(lǐng)域，開(kāi)展這一領(lǐng)域的研究不僅可以帶動(dòng)傳統(tǒng)注射成型技術(shù)的發(fā)展，同時(shí)也可以促進(jìn)精細(xì)微結(jié)構(gòu)制品的制造和應(yīng)用。隨著各國(guó)致力于微機(jī)電系統(tǒng)(MEMS)及精細(xì)CAD/CAE/CAM制品開(kāi)發(fā)的力度不斷加強(qiáng)，精細(xì)微結(jié)構(gòu)制品的市場(chǎng)將持續(xù)增長(zhǎng)，對(duì)精密微注射成型機(jī)的需求也會(huì)相應(yīng)逐年增加， 微注射成型機(jī)在先進(jìn)制造領(lǐng)域必將發(fā)揮日益
