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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、微型注射的工藝過程,,7、微型注射的發(fā)展趨勢,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,人類社會對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。 上述方法往往對微零件的結(jié)構(gòu)、成型過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法比擬的優(yōu)勢,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)對原材料的限制相對
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,德國亞琛工業(yè)大學(xué)IKV研究所總結(jié)出微注塑技術(shù)對于注塑機(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,且無泄漏;(2)驅(qū)動單元須準(zhǔn)確性高、無污染且噪音低;(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間;(4)配料單元要求進(jìn)料過程中不吸入空氣,并有自動進(jìn)料、干燥及計量等功能。,,,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, 完成精密計量與注射.右圖為英國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、過低的模具溫度,會使微型注射成型過程變得困難,而過高的模具溫度又會延長成型周期,同時,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)全自動質(zhì)量檢測裝置和篩選系統(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,同時也能提高整個模具的使用壽命。,,,微型加工的成型模具,對于微型模具的加工,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)性能的要求卻越來越高;③極高的精度。由于聚合物材料收縮率波動較大,會導(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,總的來說,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,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,微型加工的工藝過程,05,,,,,微型加工的成型工藝過程,(1)成型周期注射成型注塑機(jī)動作過程: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程,(2)壓力隨注射時間的變化1.注射活塞開始運(yùn)動;2.熔體到達(dá)分流道;3.熔體經(jīng)分流道開始向澆口流動;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程,(3)注射過程工藝控制 實(shí)驗(yàn)表
13、明,模具溫度、料筒溫度、注射時間、保壓壓力、保壓時間、冷卻時間等工藝參數(shù)對產(chǎn)品質(zhì)量都有或多或少的影響。 保壓壓力對產(chǎn)品翹曲變形量的貢獻(xiàn)率最大,其次為注射時間,其他工藝參數(shù)對翹曲變形量的影響不大,,,微型加工的成型工藝過程,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,會造成填充不足,并產(chǎn)生一系列微塑件缺陷
14、。這可以通過提高模具溫度、降低熔體與壁面溫度梯度的方式來解決。 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程,1)溫度 料筒溫度 要能使聚合物材料微型注射成型過程順利完成,必須獲得低的熔體黏度,而提高料筒溫度是簡便而可行的措施。 溫度是微注射成型過程中聚合物結(jié)晶的最敏感因素,溫度場的變化影響結(jié)晶度的變化,結(jié)晶度
15、對微制品力學(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,溫度場變化影響結(jié)晶度的變化,結(jié)晶度對力學(xué)性能的影響較為顯著,,,微型加工的成型工藝過程,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過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程,3)對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:增加模腔溫度會導(dǎo)致熔體本體溫度升高
17、,導(dǎo)致熔體粘度下降,流動性增強(qiáng),熔體在充填微型模腔過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程,3)對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)峰值的時間(I段)明顯減少,熔體保壓階段(IV段)結(jié)束的時間也相應(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,同時兩者的響應(yīng)時間明顯縮短,即I時間
18、段減小,導(dǎo)致整個峰前移。,,,微型加工的成型工藝過程,3)對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,模腔壓力隨注射時間的變化趨勢基本一致,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,增加熔體流動性,有效減小注射活塞在注射過程中的阻力,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程
19、,3)對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注塑溫度對復(fù)合材料體系熔體充填率的影響右圖可見,隨注塑溫度的增加,充填率亦增加,只有當(dāng)溫度增至270 ℃時,微型樣品模腔才被充填完全。普通PA11加工溫度僅為221 到 274,可見其微型注塑對料溫需求更高。,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,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,還可能在這種極端的成型過程中形成特殊的、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 填料會明顯影響微型制件的物理機(jī)械性能和加工性,如流動性、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、斷裂伸長率
21、等,但會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, 流動充模后熔體固化所需的時間越短。 4)高溫穩(wěn)定性的影響 物料在微小流
22、道流動時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准壍? 所以剪切對粘度的影響比溫度大 ;同時, 若用升高溫度來降低熔體粘度勢必延長成型時間, 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尺寸上的收縮量大于其允許的公差時, 就應(yīng)規(guī)定一個最大收縮率。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的, 且有很大的長寬比;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法脫模, 給制品的生產(chǎn)和使用帶來極大的不利。,微型加工的發(fā)展趨勢,07,,,,,微型加工的發(fā)展趨勢,(1)注射材料 多數(shù)微注射成型機(jī)以聚合物作為注射對象, 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間較長等問題。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,(3)產(chǎn)品性能測試 微注射成型產(chǎn)品尺寸微小, 很少有合適的測試儀器能對產(chǎn)品的成型性能進(jìn)行全面準(zhǔn)確的測試,
26、而且測試效率也很低。而成型產(chǎn)品的性能是對成型機(jī)性能和穩(wěn)定性的重要評價指標(biāo), 所以完善微注射成型機(jī)中產(chǎn)品性能檢測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), 還要通過計算機(jī)將產(chǎn)品設(shè)計、計算機(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,(5)網(wǎng)絡(luò)化 隨著計算機(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)和檢測系統(tǒng), 使生產(chǎn)管理及控制網(wǎng)絡(luò)化。通過微注射成型專家系統(tǒng)可以在線操作微注射成型機(jī), 對成型零件在線監(jiān)視并自動調(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
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