微分注塑成型創新技術及裝備*

王小華 安 瑛 張攀攀 謝鵬程 楊衛民

(北京化工大學機電工程學院，北京 100029)

1 概述

隨著科學技術的進步，產品不斷向微型化方向發展，尤其是在航空航天、光電通訊、影像傳輸、生化醫療、信息存儲、精密機械等應用領域。近年來，產生了新世紀產業需求的微機電系統(MEMS)技術。微機電系統技術一直是備受矚目的研究方向，在光通訊、3C、生化等產業的快速進步中已可看出，產品體積持續小型化、輕量化、功能更多樣化，加上現代化加工制造技術的高速發展，微細化零組件的生產需求日益增加。產品微型化涉及高端系統集成、高功能性、可靠性、合理性等方面，其主要產品在汽車工業、信息技術、精密機械、生物工藝學和醫藥工業等應用領域扮演著重要角色，如圖1所示。

1985年，世界上首臺專門用于加工微型塑料制品的注射裝置Micromelt在德國問世后，其他國家緊隨其后，先后開發出了各種不同類型的微型注塑機，這為微注塑成型技術的發展以及微型塑料制品的工業化生產提供了強有力的支持和有效的保證，微注塑成型技術從此進入發展的黃金時期。經過近10年的研究開發，于20世紀90年代，德國、日本、美國的一些公司與科研機構合作開發了各種類型的專用微型注塑機［1］，如圖2所示。

微型制品主要體現在3個方面:(1)重量少于1 mg的微制品，縱橫比范圍在10～50之間;(2)具有微特征結構的制品;(3)具有嚴格的微量公差要求的制品。微注塑成型技術是用于成型微型制品的一種工藝方法，其工藝有別于傳統注塑成型工藝，其制品的重復精度、尺寸精度的要求達到μm級別，從而對設備的塑化、計量、注射精度提出了更高的要求，傳統注射成型工藝無法滿足其成型工藝要求。針對國外先進微型注塑成型裝備價格高昂，微型化和精密化制造難度增加、性價比低的缺陷，筆者提出了微分注塑成型創新技術及裝備。微分注塑成型技術結合了常規注塑成型技術、微注塑成型技術、熱流道技術和熔體齒輪泵技術的優勢，可實現塑化量大效果好、混料性能高、注射壓力和速度高等優點，滿足微注塑成型工藝的要求。不存在微注塑成型機的小尺寸螺桿加工難度大、使用壽命有限和塑化時間長等缺點，且可實現精密計量，最終實現高精度微型零件的大批量、低成本生產［2］。

2 微分注塑成型裝備的研發

2.1 技術難點

微注塑成型技術的技術難點主要表現在以下3個方面:

(1)如何保證制品的重復精度、尺寸精度。現有微型注塑機在注射系統上進行結構改進，滿足了微制品的成型精度要求。最傳統的結構形式是將塑化、計量、注射單元進行分離，該結構同時保留了螺桿塑化質量高、柱塞計量精度高、注射量易于控制等優點。提高設備的計量、注射精度既是保證微制品尺寸精度的主要方法，也是解決原料浪費的有效措施。

(2)如何保證設備的快速反應能力。快速反應能力是微型注塑機關鍵的性能指標。微注塑成型過程中注射量相當微小，相應注塑設備的螺桿/柱塞的移動行程也相當微小，因此要求微型注塑機的驅動單元必須具備相當快的反應速度，以保證設備能在瞬間達到所需的注射壓力。

(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。

微分注塑成型創新技術及裝備的研發旨在解決上述難題，推動塑料加工行業的進一步發展，擺脫工業發達國家壟斷國內高端微注塑成型領域的被動局面［3］。

2.2 微分注塑成型創新技術

微分注塑成型技術是在傳統的注塑成型設備中增加微分系統，微分系統主要由熔體泵構成，熔體泵安裝在注塑機的合模系統之間，將注射方向產生的波動與模具設備隔離。無論熔體泵入口處的壓力是否發生波動，只要進入熔體泵的熔體能充分地充滿齒槽，就能以穩定的壓力和流量向模具輸送物料，從而提高系統的穩定性和制品精度。微分系統的主要功能是實現熔體分流、輸送、增壓和計量的功能。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

微分注塑成型設備主要由注塑系統、合模系統和微分系統組成。注塑系統和合模系統與常規注塑成型機的相同;微分系統包括熔體微分泵(熔體泵)、聯軸器、驅動電動機、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現。驅動電動機輸出軸通過聯軸器與行星齒輪泵的主動齒輪軸相連，熔體齒輪泵含1個主進口與多個出口，主進口與多個進口分支相連，每個分支經過齒輪泵后有相應的1個出口;微分系統一端設置在合模系統的定模板上，另一端與模具緊密相連。加熱裝置對熔體齒輪泵進行加熱并控制其溫度，以保證熔體能夠在泵中的順暢流通，計量分流系統主要用于高溫熔體的輸送、分流、增壓和計量。微分泵需要具有高精度計量的行星齒輪泵，其在各種溫度、粘度、壓力的條件下，可保證穩定的可重復流量，實現高精度計量的目的［4］。微分注塑成型裝備結構如圖4所示。

2.3.2 微分注塑成型裝備的主要特點

微分注塑成型裝備具有以下3個特點:

(1)在傳統注塑機的基礎上進行改造，加入微分計量系統即可滿足微制品的成型工藝要求，極大地縮短了設備研發的周期、節約了研發整套設備所需的昂貴費用。該特點迎合了目前迫切的市場需求態勢。

(2)結構原理簡單、易于實現工業化。微分計量系統與國外先進的微型注塑機相比，具有結構簡單、成本投入低等優點。

(3)生產效率高。國外微型注塑機受到塑化單元結構的限制，模具的型腔數無法滿足成型效率的要求。而微分注塑機以傳統注塑機為平臺，保留了傳統注塑機塑化量大的優點，通過微分計量系統的多流道分流設計，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(如圖5所示)實現熔體的精確計量、分流，因此決定其在成型工藝控制方面與微型注塑機相比較具有獨到之處。在微分注塑成型工藝過程中，根據成型制品的注射容積設定伺服電動機旋轉的角度，以實現注射量的精確控制。常規塑化系統(螺桿、機筒)完成成型物料的均勻塑化，螺桿將塑料熔體由噴嘴經微分系統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機驅動微分系統的觸發信號，檢測到熔體壓力，伺服電動機驅動熔體齒輪泵旋轉，熔體在齒輪泵的一定壓力下充填至模具型腔中，經保壓補縮、冷卻定型后，開模頂出微型制品。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驗研究

首臺微分注塑成型裝備樣機在浙江寧波海天塑機集團試制成功，現處于實驗研究階段，初步的微分注塑成型實驗證實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構布局，為了滿足微分系統的工藝參數要求，注射系統的最高壓力為14 MPa，采用主機和微分系統分離的雙控制器操作界面。伺服電動機的額定轉速為40 r/min，額定扭矩為250 N·m，熔體微分泵的規格參數是0.6 cm3/r，即伺服電動機驅動熔體微分泵每旋轉一圈泵6個出口的排量各為0.6 cm3。圖7所示為微分注塑成型裝備。

為了驗證微分注塑成型裝備的成型可行性，設計2組模具型腔塊，型腔結構對應注射容積分別為0.196 cm3和0.247 cm3的微型制品，制品結構如圖8所示。實驗結果表明，微分注塑成型裝備應用于微型制品的成型驗證了熔體微分原理的可行性，整機動作協調一致性好，成型效率高，滿足基本的成型工藝要求。

4 結語

基于熔體齒輪泵的微分注塑成型裝備作為一種創新型微型制品成型設備，立足于熔體微分原理，旨在打破國內高端微注塑成型領域受制于人的不利局面。實驗研究結果表明，熔體微分原理具有可行性，微分注塑成型裝備具有開發成本低、研發周期短、生產效率高等特點。微分注塑成型裝備的研發是我國塑料機械行業的一大突破，高分子制品微分注塑成型創新技術及裝備將實現注塑成型領域的新時代變革，引領精密注塑成型技術的發展。

［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］楊衛民.高分子材料先進制造的微積分思想［J］.中國塑料，2010(7).

［3］王雷剛，倪雪峰，黃瑤，等.微注射成型技術的發展現狀與展望［J］.現代塑料加工應用，2007，19(1).

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