微分注塑成型創(chuàng)新技術(shù)及裝備*

王小華 安 瑛 張攀攀 謝鵬程 楊衛(wèi)民

(北京化工大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，北京 100029)

1 概述

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，尤其是在航空航天、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。近年來(lái)，產(chǎn)生了新世紀(jì)產(chǎn)業(yè)需求的微機(jī)電系統(tǒng)(MEMS)技術(shù)。微機(jī)電系統(tǒng)技術(shù)一直是備受矚目的研究方向，在光通訊、3C、生化等產(chǎn)業(yè)的快速進(jìn)步中已可看出，產(chǎn)品體積持續(xù)小型化、輕量化、功能更多樣化，加上現(xiàn)代化加工制造技術(shù)的高速發(fā)展，微細(xì)化零組件的生產(chǎn)需求日益增加。產(chǎn)品微型化涉及高端系統(tǒng)集成、高功能性、可靠性、合理性等方面，其主要產(chǎn)品在汽車工業(yè)、信息技術(shù)、精密機(jī)械、生物工藝學(xué)和醫(yī)藥工業(yè)等應(yīng)用領(lǐng)域扮演著重要角色，如圖1所示。

1985年，世界上首臺(tái)專門用于加工微型塑料制品的注射裝置Micromelt在德國(guó)問(wèn)世后，其他國(guó)家緊隨其后，先后開(kāi)發(fā)出了各種不同類型的微型注塑機(jī)，這為微注塑成型技術(shù)的發(fā)展以及微型塑料制品的工業(yè)化生產(chǎn)提供了強(qiáng)有力的支持和有效的保證，微注塑成型技術(shù)從此進(jìn)入發(fā)展的黃金時(shí)期。經(jīng)過(guò)近10年的研究開(kāi)發(fā)，于20世紀(jì)90年代，德國(guó)、日本、美國(guó)的一些公司與科研機(jī)構(gòu)合作開(kāi)發(fā)了各種類型的專用微型注塑機(jī)［1］，如圖2所示。

微型制品主要體現(xiàn)在3個(gè)方面:(1)重量少于1 mg的微制品，縱橫比范圍在10～50之間;(2)具有微特征結(jié)構(gòu)的制品;(3)具有嚴(yán)格的微量公差要求的制品。微注塑成型技術(shù)是用于成型微型制品的一種工藝方法，其工藝有別于傳統(tǒng)注塑成型工藝，其制品的重復(fù)精度、尺寸精度的要求達(dá)到μm級(jí)別，從而對(duì)設(shè)備的塑化、計(jì)量、注射精度提出了更高的要求，傳統(tǒng)注射成型工藝無(wú)法滿足其成型工藝要求。針對(duì)國(guó)外先進(jìn)微型注塑成型裝備價(jià)格高昂，微型化和精密化制造難度增加、性價(jià)比低的缺陷，筆者提出了微分注塑成型創(chuàng)新技術(shù)及裝備。微分注塑成型技術(shù)結(jié)合了常規(guī)注塑成型技術(shù)、微注塑成型技術(shù)、熱流道技術(shù)和熔體齒輪泵技術(shù)的優(yōu)勢(shì)，可實(shí)現(xiàn)塑化量大效果好、混料性能高、注射壓力和速度高等優(yōu)點(diǎn)，滿足微注塑成型工藝的要求。不存在微注塑成型機(jī)的小尺寸螺桿加工難度大、使用壽命有限和塑化時(shí)間長(zhǎng)等缺點(diǎn)，且可實(shí)現(xiàn)精密計(jì)量，最終實(shí)現(xiàn)高精度微型零件的大批量、低成本生產(chǎn)［2］。

2 微分注塑成型裝備的研發(fā)

2.1 技術(shù)難點(diǎn)

微注塑成型技術(shù)的技術(shù)難點(diǎn)主要表現(xiàn)在以下3個(gè)方面:

(1)如何保證制品的重復(fù)精度、尺寸精度?，F(xiàn)有微型注塑機(jī)在注射系統(tǒng)上進(jìn)行結(jié)構(gòu)改進(jìn)，滿足了微制品的成型精度要求。最傳統(tǒng)的結(jié)構(gòu)形式是將塑化、計(jì)量、注射單元進(jìn)行分離，該結(jié)構(gòu)同時(shí)保留了螺桿塑化質(zhì)量高、柱塞計(jì)量精度高、注射量易于控制等優(yōu)點(diǎn)。提高設(shè)備的計(jì)量、注射精度既是保證微制品尺寸精度的主要方法，也是解決原料浪費(fèi)的有效措施。

(2)如何保證設(shè)備的快速反應(yīng)能力?？焖俜磻?yīng)能力是微型注塑機(jī)關(guān)鍵的性能指標(biāo)。微注塑成型過(guò)程中注射量相當(dāng)微小，相應(yīng)注塑設(shè)備的螺桿/柱塞的移動(dòng)行程也相當(dāng)微小，因此要求微型注塑機(jī)的驅(qū)動(dòng)單元必須具備相當(dāng)快的反應(yīng)速度，以保證設(shè)備能在瞬間達(dá)到所需的注射壓力。

(3)如何保證高注射速率。微型塑料制品的體積小，型腔阻力較大，因此在成型過(guò)程中塑料熔體需要保證足夠的注射速率以滿足制品最終幾何形狀的完整性。

微分注塑成型創(chuàng)新技術(shù)及裝備的研發(fā)旨在解決上述難題，推動(dòng)塑料加工行業(yè)的進(jìn)一步發(fā)展，擺脫工業(yè)發(fā)達(dá)國(guó)家壟斷國(guó)內(nèi)高端微注塑成型領(lǐng)域的被動(dòng)局面［3］。

2.2 微分注塑成型創(chuàng)新技術(shù)

微分注塑成型技術(shù)是在傳統(tǒng)的注塑成型設(shè)備中增加微分系統(tǒng)，微分系統(tǒng)主要由熔體泵構(gòu)成，熔體泵安裝在注塑機(jī)的合模系統(tǒng)之間，將注射方向產(chǎn)生的波動(dòng)與模具設(shè)備隔離。無(wú)論熔體泵入口處的壓力是否發(fā)生波動(dòng)，只要進(jìn)入熔體泵的熔體能充分地充滿齒槽，就能以穩(wěn)定的壓力和流量向模具輸送物料，從而提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性和制品精度。微分系統(tǒng)的主要功能是實(shí)現(xiàn)熔體分流、輸送、增壓和計(jì)量的功能。圖3所示為熔體微分原理。

2.3 微分注塑成型裝備

2.3.1 微分注塑成型裝備的工作原理

微分注塑成型設(shè)備主要由注塑系統(tǒng)、合模系統(tǒng)和微分系統(tǒng)組成。注塑系統(tǒng)和合模系統(tǒng)與常規(guī)注塑成型機(jī)的相同;微分系統(tǒng)包括熔體微分泵(熔體泵)、聯(lián)軸器、驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)、控制器和加熱裝置，微分泵主要采用行星齒輪泵的基本原理實(shí)現(xiàn)。驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)輸出軸通過(guò)聯(lián)軸器與行星齒輪泵的主動(dòng)齒輪軸相連，熔體齒輪泵含1個(gè)主進(jìn)口與多個(gè)出口，主進(jìn)口與多個(gè)進(jìn)口分支相連，每個(gè)分支經(jīng)過(guò)齒輪泵后有相應(yīng)的1個(gè)出口;微分系統(tǒng)一端設(shè)置在合模系統(tǒng)的定模板上，另一端與模具緊密相連。加熱裝置對(duì)熔體齒輪泵進(jìn)行加熱并控制其溫度，以保證熔體能夠在泵中的順暢流通，計(jì)量分流系統(tǒng)主要用于高溫熔體的輸送、分流、增壓和計(jì)量。微分泵需要具有高精度計(jì)量的行星齒輪泵，其在各種溫度、粘度、壓力的條件下，可保證穩(wěn)定的可重復(fù)流量，實(shí)現(xiàn)高精度計(jì)量的目的［4］。微分注塑成型裝備結(jié)構(gòu)如圖4所示。

2.3.2 微分注塑成型裝備的主要特點(diǎn)

微分注塑成型裝備具有以下3個(gè)特點(diǎn):

(1)在傳統(tǒng)注塑機(jī)的基礎(chǔ)上進(jìn)行改造，加入微分計(jì)量系統(tǒng)即可滿足微制品的成型工藝要求，極大地縮短了設(shè)備研發(fā)的周期、節(jié)約了研發(fā)整套設(shè)備所需的昂貴費(fèi)用。該特點(diǎn)迎合了目前迫切的市場(chǎng)需求態(tài)勢(shì)。

(2)結(jié)構(gòu)原理簡(jiǎn)單、易于實(shí)現(xiàn)工業(yè)化。微分計(jì)量系統(tǒng)與國(guó)外先進(jìn)的微型注塑機(jī)相比，具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本投入低等優(yōu)點(diǎn)。

(3)生產(chǎn)效率高。國(guó)外微型注塑機(jī)受到塑化單元結(jié)構(gòu)的限制，模具的型腔數(shù)無(wú)法滿足成型效率的要求。而微分注塑機(jī)以傳統(tǒng)注塑機(jī)為平臺(tái)，保留了傳統(tǒng)注塑機(jī)塑化量大的優(yōu)點(diǎn)，通過(guò)微分計(jì)量系統(tǒng)的多流道分流設(shè)計(jì)，完全可以滿足一模多件微型制品的成型要求，從而可以獲得極高的生產(chǎn)效率。

2.3.3 微分注塑成型工藝控制

微分注塑成型裝備由微分系統(tǒng)(如圖5所示)實(shí)現(xiàn)熔體的精確計(jì)量、分流，因此決定其在成型工藝控制方面與微型注塑機(jī)相比較具有獨(dú)到之處。在微分注塑成型工藝過(guò)程中，根據(jù)成型制品的注射容積設(shè)定伺服電動(dòng)機(jī)旋轉(zhuǎn)的角度，以實(shí)現(xiàn)注射量的精確控制。常規(guī)塑化系統(tǒng)(螺桿、機(jī)筒)完成成型物料的均勻塑化，螺桿將塑料熔體由噴嘴經(jīng)微分系統(tǒng)的分流板低壓注射至熔體齒輪泵中，熔體齒輪泵的入口壓力作為伺服電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)微分系統(tǒng)的觸發(fā)信號(hào)，檢測(cè)到熔體壓力，伺服電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)熔體齒輪泵旋轉(zhuǎn)，熔體在齒輪泵的一定壓力下充填至模具型腔中，經(jīng)保壓補(bǔ)縮、冷卻定型后，開(kāi)模頂出微型制品。圖6所示為微分注塑成型工藝流程圖。

3 微分注塑成型裝備的實(shí)驗(yàn)研究

首臺(tái)微分注塑成型裝備樣機(jī)在浙江寧波海天塑機(jī)集團(tuán)試制成功，現(xiàn)處于實(shí)驗(yàn)研究階段，初步的微分注塑成型實(shí)驗(yàn)證實(shí)了微分注塑成型裝備的可行性。微分注塑成型裝備采用角式結(jié)構(gòu)布局，為了滿足微分系統(tǒng)的工藝參數(shù)要求，注射系統(tǒng)的最高壓力為14 MPa，采用主機(jī)和微分系統(tǒng)分離的雙控制器操作界面。伺服電動(dòng)機(jī)的額定轉(zhuǎn)速為40 r/min，額定扭矩為250 N·m，熔體微分泵的規(guī)格參數(shù)是0.6 cm3/r，即伺服電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)熔體微分泵每旋轉(zhuǎn)一圈泵6個(gè)出口的排量各為0.6 cm3。圖7所示為微分注塑成型裝備。

為了驗(yàn)證微分注塑成型裝備的成型可行性，設(shè)計(jì)2組模具型腔塊，型腔結(jié)構(gòu)對(duì)應(yīng)注射容積分別為0.196 cm3和0.247 cm3的微型制品，制品結(jié)構(gòu)如圖8所示。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，微分注塑成型裝備應(yīng)用于微型制品的成型驗(yàn)證了熔體微分原理的可行性，整機(jī)動(dòng)作協(xié)調(diào)一致性好，成型效率高，滿足基本的成型工藝要求。

4 結(jié)語(yǔ)

基于熔體齒輪泵的微分注塑成型裝備作為一種創(chuàng)新型微型制品成型設(shè)備，立足于熔體微分原理，旨在打破國(guó)內(nèi)高端微注塑成型領(lǐng)域受制于人的不利局面。實(shí)驗(yàn)研究結(jié)果表明，熔體微分原理具有可行性，微分注塑成型裝備具有開(kāi)發(fā)成本低、研發(fā)周期短、生產(chǎn)效率高等特點(diǎn)。微分注塑成型裝備的研發(fā)是我國(guó)塑料機(jī)械行業(yè)的一大突破，高分子制品微分注塑成型創(chuàng)新技術(shù)及裝備將實(shí)現(xiàn)注塑成型領(lǐng)域的新時(shí)代變革，引領(lǐng)精密注塑成型技術(shù)的發(fā)展。

［1］CHANG Peichi，HWANG Shengjye，LEE Hueihuang，et al.Development of an external－type microinjection molding module for thermoplastic polymer［J］.Journal of Materials Processing Technology，2007，184:163－172.

［2］楊衛(wèi)民.高分子材料先進(jìn)制造的微積分思想［J］.中國(guó)塑料，2010(7).

［3］王雷剛，倪雪峰，黃瑤，等.微注射成型技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀與展望［J］.現(xiàn)代塑料加工應(yīng)用，2007，19(1).

［4］楊衛(wèi)民，王建，謝鵬程，等.熔體微分式精密注射成型機(jī):中國(guó)，ZL 200820124126.X［P］.2008 －11 －26.