微分注塑成型创新技术及装备*

王小华 安 瑛 张攀攀 谢鹏程 杨卫民

(北京化工大学机电工程学院，北京 100029)

1 概述

随着科学技术的进步，产品不断向微型化方向发展，尤其是在航空航天、光电通讯、影像传输、生化医疗、信息存储、精密机械等应用领域。近年来，产生了新世纪产业需求的微机电系统(MEMS)技术。微机电系统技术一直是备受瞩目的研究方向，在光通讯、3C、生化等产业的快速进步中已可看出，产品体积持续小型化、轻量化、功能更多样化，加上现代化加工制造技术的高速发展，微细化零组件的生产需求日益增加。产品微型化涉及高端系统集成、高功能性、可靠性、合理性等方面，其主要产品在汽车工业、信息技术、精密机械、生物工艺学和医药工业等应用领域扮演着重要角色，如图1所示。

1985年，世界上首台专门用于加工微型塑料制品的注射装置Micromelt在德国问世后，其他国家紧随其后，先后开发出了各种不同类型的微型注塑机，这为微注塑成型技术的发展以及微型塑料制品的工业化生产提供了强有力的支持和有效的保证，微注塑成型技术从此进入发展的黄金时期。经过近10年的研究开发，于20世纪90年代，德国、日本、美国的一些公司与科研机构合作开发了各种类型的专用微型注塑机［1］，如图2所示。

微型制品主要体现在3个方面:(1)重量少于1 mg的微制品，纵横比范围在10～50之间;(2)具有微特征结构的制品;(3)具有严格的微量公差要求的制品。微注塑成型技术是用于成型微型制品的一种工艺方法，其工艺有别于传统注塑成型工艺，其制品的重复精度、尺寸精度的要求达到μm级别，从而对设备的塑化、计量、注射精度提出了更高的要求，传统注射成型工艺无法满足其成型工艺要求。针对国外先进微型注塑成型装备价格高昂，微型化和精密化制造难度增加、性价比低的缺陷，笔者提出了微分注塑成型创新技术及装备。微分注塑成型技术结合了常规注塑成型技术、微注塑成型技术、热流道技术和熔体齿轮泵技术的优势，可实现塑化量大效果好、混料性能高、注射压力和速度高等优点，满足微注塑成型工艺的要求。不存在微注塑成型机的小尺寸螺杆加工难度大、使用寿命有限和塑化时间长等缺点，且可实现精密计量，最终实现高精度微型零件的大批量、低成本生产［2］。

2 微分注塑成型装备的研发

2.1 技术难点

微注塑成型技术的技术难点主要表现在以下3个方面:

(1)如何保证制品的重复精度、尺寸精度。现有微型注塑机在注射系统上进行结构改进，满足了微制品的成型精度要求。最传统的结构形式是将塑化、计量、注射单元进行分离，该结构同时保留了螺杆塑化质量高、柱塞计量精度高、注射量易于控制等优点。提高设备的计量、注射精度既是保证微制品尺寸精度的主要方法，也是解决原料浪费的有效措施。

(2)如何保证设备的快速反应能力。快速反应能力是微型注塑机关键的性能指标。微注塑成型过程中注射量相当微小，相应注塑设备的螺杆/柱塞的移动行程也相当微小，因此要求微型注塑机的驱动单元必须具备相当快的反应速度，以保证设备能在瞬间达到所需的注射压力。

(3)如何保证高注射速率。微型塑料制品的体积小，型腔阻力较大，因此在成型过程中塑料熔体需要保证足够的注射速率以满足制品最终几何形状的完整性。

微分注塑成型创新技术及装备的研发旨在解决上述难题，推动塑料加工行业的进一步发展，摆脱工业发达国家垄断国内高端微注塑成型领域的被动局面［3］。

2.2 微分注塑成型创新技术

微分注塑成型技术是在传统的注塑成型设备中增加微分系统，微分系统主要由熔体泵构成，熔体泵安装在注塑机的合模系统之间，将注射方向产生的波动与模具设备隔离。无论熔体泵入口处的压力是否发生波动，只要进入熔体泵的熔体能充分地充满齿槽，就能以稳定的压力和流量向模具输送物料，从而提高系统的稳定性和制品精度。微分系统的主要功能是实现熔体分流、输送、增压和计量的功能。图3所示为熔体微分原理。

2.3 微分注塑成型装备

2.3.1 微分注塑成型装备的工作原理

微分注塑成型设备主要由注塑系统、合模系统和微分系统组成。注塑系统和合模系统与常规注塑成型机的相同;微分系统包括熔体微分泵(熔体泵)、联轴器、驱动电动机、控制器和加热装置，微分泵主要采用行星齿轮泵的基本原理实现。驱动电动机输出轴通过联轴器与行星齿轮泵的主动齿轮轴相连，熔体齿轮泵含1个主进口与多个出口，主进口与多个进口分支相连，每个分支经过齿轮泵后有相应的1个出口;微分系统一端设置在合模系统的定模板上，另一端与模具紧密相连。加热装置对熔体齿轮泵进行加热并控制其温度，以保证熔体能够在泵中的顺畅流通，计量分流系统主要用于高温熔体的输送、分流、增压和计量。微分泵需要具有高精度计量的行星齿轮泵，其在各种温度、粘度、压力的条件下，可保证稳定的可重复流量，实现高精度计量的目的［4］。微分注塑成型装备结构如图4所示。

2.3.2 微分注塑成型装备的主要特点

微分注塑成型装备具有以下3个特点:

(1)在传统注塑机的基础上进行改造，加入微分计量系统即可满足微制品的成型工艺要求，极大地缩短了设备研发的周期、节约了研发整套设备所需的昂贵费用。该特点迎合了目前迫切的市场需求态势。

(2)结构原理简单、易于实现工业化。微分计量系统与国外先进的微型注塑机相比，具有结构简单、成本投入低等优点。

(3)生产效率高。国外微型注塑机受到塑化单元结构的限制，模具的型腔数无法满足成型效率的要求。而微分注塑机以传统注塑机为平台，保留了传统注塑机塑化量大的优点，通过微分计量系统的多流道分流设计，完全可以满足一模多件微型制品的成型要求，从而可以获得极高的生产效率。

2.3.3 微分注塑成型工艺控制

微分注塑成型装备由微分系统(如图5所示)实现熔体的精确计量、分流，因此决定其在成型工艺控制方面与微型注塑机相比较具有独到之处。在微分注塑成型工艺过程中，根据成型制品的注射容积设定伺服电动机旋转的角度，以实现注射量的精确控制。常规塑化系统(螺杆、机筒)完成成型物料的均匀塑化，螺杆将塑料熔体由喷嘴经微分系统的分流板低压注射至熔体齿轮泵中，熔体齿轮泵的入口压力作为伺服电动机驱动微分系统的触发信号，检测到熔体压力，伺服电动机驱动熔体齿轮泵旋转，熔体在齿轮泵的一定压力下充填至模具型腔中，经保压补缩、冷却定型后，开模顶出微型制品。图6所示为微分注塑成型工艺流程图。

3 微分注塑成型装备的实验研究

首台微分注塑成型装备样机在浙江宁波海天塑机集团试制成功，现处于实验研究阶段，初步的微分注塑成型实验证实了微分注塑成型装备的可行性。微分注塑成型装备采用角式结构布局，为了满足微分系统的工艺参数要求，注射系统的最高压力为14 MPa，采用主机和微分系统分离的双控制器操作界面。伺服电动机的额定转速为40 r/min，额定扭矩为250 N·m，熔体微分泵的规格参数是0.6 cm3/r，即伺服电动机驱动熔体微分泵每旋转一圈泵6个出口的排量各为0.6 cm3。图7所示为微分注塑成型装备。

为了验证微分注塑成型装备的成型可行性，设计2组模具型腔块，型腔结构对应注射容积分别为0.196 cm3和0.247 cm3的微型制品，制品结构如图8所示。实验结果表明，微分注塑成型装备应用于微型制品的成型验证了熔体微分原理的可行性，整机动作协调一致性好，成型效率高，满足基本的成型工艺要求。

4 结语

基于熔体齿轮泵的微分注塑成型装备作为一种创新型微型制品成型设备，立足于熔体微分原理，旨在打破国内高端微注塑成型领域受制于人的不利局面。实验研究结果表明，熔体微分原理具有可行性，微分注塑成型装备具有开发成本低、研发周期短、生产效率高等特点。微分注塑成型装备的研发是我国塑料机械行业的一大突破，高分子制品微分注塑成型创新技术及装备将实现注塑成型领域的新时代变革，引领精密注塑成型技术的发展。

［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］杨卫民.高分子材料先进制造的微积分思想［J］.中国塑料，2010(7).

［3］王雷刚，倪雪峰，黄瑶，等.微注射成型技术的发展现状与展望［J］.现代塑料加工应用，2007，19(1).

［4］杨卫民，王建，谢鹏程，等.熔体微分式精密注射成型机:中国，ZL 200820124126.X［P］.2008 －11 －26.