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技術專欄
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發布日期:2019-09-22
如: 型腔尺寸微小, 比表面積增大; 熔料流經微流道、型腔時凝結速度加快, 易導致填充不完全, 需要高的模具溫度等。普通模具模溫一般設置在 20~ 50℃,, 而微注射成形模具模溫可達 60~ 180℃。為了滿足高模 溫的要求,同時盡量提高升溫速率, 采用電熱棒加熱。熱電偶( 鐵/ 康銅) 、電熱棒( 6mm) 與微注射成形機內部控制軟件組成調溫系統。如此高的模具溫度,自然冷卻勢必會增大生產周期, 因此采用多通道水循環冷卻。 
微注射成形模具的微型腔多為盲孔結構, 并且加工與配合精度很高, 依靠傳統的分型面、 
結構間隙已無法充分排氣。型腔里的氣體如不能及時排出, 會造成熱點、充填不足等缺陷, 為此設置了抽真空通路及相應的密封結構。另外, 由于微零件體積小、質量輕、壁薄, 其頂出不宜采用常規的機械頂出, 因而采用吸附裝置來完成微型零件的脫模。 
2.2微模具型腔鑲塊的設計與制作 
圖 2 為 微結 構 零 件 模 具 鑲 塊的 局 部 結 構cad 圖, 其 微 結 構 型 腔 直 徑 為 50 μm, 深 度 約250 μm 。微結構零件主體結構為常規尺寸, 因此其流道、澆口為常規尺寸。圖 3 是微型零件模具鑲塊的局部結構 cad 圖, 將型腔、流道與澆口置于同一硅片上。其最小型腔直徑為 300 μm , 厚約300 μm 。微型零件是獨立的微小零件, 需要微流道及澆口。該模具采用 500 μm * 300 μm 的矩形流道和30 μm * 300 μm * 100 μm 的矩形澆口。 
微型腔鑲塊制作工藝如下: ①根據零件 cad圖制作掩模版, 在玻璃上鍍一層 10nm 厚的鉻薄膜, 根據原圖定義出透光與不透光部分; ②硅片前處理, 通過脫脂、拋光、酸洗、水洗凈化等方法加工硅表面, 提高光刻膠與硅片的黏著力; ③蒸鋁, 在硅片上蒸鍍一層厚 1μm 左右的金屬鋁薄膜; ④甩膠, 在附有鋁薄膜的硅片上均勻涂敷一層正性光刻膠; ⑤曝光, 在涂 有光刻膠的硅片上覆蓋掩模版, 利用波長為 350 m 的紫外光透過掩模版對光刻膠進行選擇性照射; ⑥顯影, 將曝光后的硅片浸泡于顯影液中, 光刻膠被照部分溶于顯影液而除 
去, 得到與掩模版相同的圖形; ⑦去膠; ⑧icp 刻蝕, 利用等離子進行深槽刻蝕; ⑨去鋁, 將鋁保護膜腐蝕去除, 最終制得微型腔鑲塊局部結構。 
3 微注射成形實驗與結果 
采用 babyplast 6/ 10 微注射成形機進行注射成形實驗。成形機結構為雙柱塞式, 塑化 
室內置大量鋼球以提高塑化速率及塑化均勻性。合模力為 50kn, 最大注射壓力為 265m pa, 注射柱塞直徑為 10mm , 最大注射量為 4cm 。利用本實驗設計制造的微型模具進行微注射成形實驗,實驗材料選用聚丙烯 
安裝模具前對硅微型腔鑲塊進行超聲清洗,去除加工過程中殘留的污物, 尤其是模腔內部; 再用無水乙醇清洗硅片并吹干, 以免微型模腔內殘留水分; 不要涂敷脫模劑。以上操作的目的除了防止注塑件被污染外, 主要是防止雜質進入微小型腔造成填充不足。 
熔融的聚丙烯粘度小、流動性好, 這是采用聚丙烯的主要原因之一。實驗工藝參數與常規注射成形不同之處有: 注射壓力較大, 模具溫度較高,高的模具溫度需要更長的加熱、保壓及冷卻時間; 模具需要抽真空來滿足微小型腔的填充。由于微結構型腔直徑微小, 且為盲孔結構, 如果注射前不抽真空, 熔料充填微小模腔時空氣被急速壓迫而溫度升高, 易導致底部熔料燒蝕, 并且微型腔填充不完全。為驗證這種燒蝕現象, 同時分析模具溫度、注射壓力對微注射成形的影響, 注射前未進行抽真空, 并設定熔料溫度不變, 模具溫度與注射壓力變化如表 1 所示。 
圖 7 所示為微結構注塑件。材料聚丙烯, 注射熔 料溫 度 220℃ , 模 具溫 度 100℃ , 注 射 壓力100m pa, 保壓 10s, 微結構 部分為直徑 50.4 μm、高度約 200 μm 的微圓柱。實驗測得不同工藝參數下最小微圓柱徑向尺寸偏差在- 1~ 0.5 μm 范圍內, 微圓柱最大高度小于 220 μm, 高度方向偏差較大。其中模具溫度低于 50℃時微圓柱徑向尺寸小于型腔直徑, 這是由于熔料在微小型腔內快速冷凝, 產生的收縮無法通過保壓來彌補。這種模具溫度下微圓柱最大高度約 150 μm , 除了熔料的快速冷凝外, 微型腔內的殘余空氣是導致填充不足的主 要原 因。當模 具溫 度在 100 ℃左右時, 無保壓或保壓時間較短時微圓柱徑向收縮; 當保壓時間大于 10s、注射壓力大于 100m pa 時, 微圓柱脫模后有微小的膨脹, 這是由于熔料是在較大的壓力 下凝結 的; 這種模 溫下微 圓柱高 度在200 μm 左 右, 仍沒 有得到 完全 的填 充。實 驗發現, 在模具溫度、注射壓力、保壓時間都較大時, 容易出現脫模困難的現象, 其中一個原因就是上述膨脹現象, 另一個主要原因是微型腔沒有脫模斜度, 因為 l iga、準 liga、離子蝕刻工藝加工的微型腔垂直度都很好, 很難使型腔壁產生斜度。 
對微圓柱高度填充情況進行了實驗分析, 如圖8 所示。模具溫度對微圓柱高度影響較大, 微圓柱高度隨模具溫度的升高明顯增加。注射壓力對微圓柱高度的影響受模具溫度的制約, 當模具溫度較低時( 小于 50 ℃) , 微圓柱高度隨注射壓力的增加略有增大; 中等模具溫度下( 80℃ ) , 隨注射壓力的增加 微 圓 柱 高 度 明 顯 增 大; 在 高 模 具 溫 度 下 
( 100℃ ) , 熔料流動性好且凝結速度較慢, 該壓力范圍幾乎都可以達到極限高度, 因此注射壓力對其影響也很小。 
圖 9 所示 為 微型注塑件。材 料為 聚丙烯, 熔 料 溫 度 220℃ ,模具 溫度 100℃,壓力 80m pa, 塑 件 為直徑約 295 μm 、厚度約294 μm 的微圓片, 澆口寬 30 μm。對最小微圓片徑向尺寸統計分析知, 其尺寸偏 差在 - 10~3 μm 范圍內。其中徑向收縮除了前面提到的原因外, 微小的澆口也是一個主要原因, 即冷卻過程中微小澆口中的熔料較型腔熔料冷凝較快, 因此型腔中熔料冷凝收縮后不能得到繼續填充。可以通過提高模具溫度, 降低模具冷卻速度來減小徑向收縮。微圓片模具可以通過分型面來排氣, 填充完成后型腔內無殘留氣體, 因此厚度方向可以得到完全的填充。實驗中應當避免前面提到的脫模后的膨脹現象, 因為微結構塑件的微小部分是固定在基片上的, 可以通過頂出基片帶動微結構部分脫出, 而如果微型圓片與型腔壁間存在較大的壓力, 將導致無法脫模。實驗發現, 模具溫度低于 50℃時熔料在微小流道中冷凝過快, 易造成無法繼續填充, 如圖 10 所示, 靠增加注射壓力是無法保證微圓片填充完全的。 
結論 
本實驗注射成形了微結構零件及微型零件, 通過分析不同工藝參數下微圓柱及微圓片的填充情況, 發現模具溫度、注射壓力及保壓時間是影響微零件注射成形的關鍵因素。實驗材料選用聚丙烯, 模具溫度 在 80 ~ 100℃之間,注射壓力在120m pa 以上時微圓柱填充較好。微圓片的流道及澆口微小, 型腔填充需較長時間, 因此需要更長的保壓時間。模具溫度 100 ℃, 注射壓力在 80mpa 以上時微圓片填充完好。微圓柱型腔的深寬比較大且為盲孔結構, 注射前模腔沒有抽真空, 出現了填充不完全、微結構頂端部分燒蝕等缺陷。
  
拓展
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