不經(jīng)意間，微型塑料部件已日益滲入到我們的生活之中——無論是汽車、醫(yī)療技術(shù)、手機(jī)還是可穿戴設(shè)備。目前，這些微型部件越來越多的采用硅樹脂制成，但是，微注射成型又會給加工商們帶來哪些挑戰(zhàn)呢？與熱塑性塑料相比，目前應(yīng)用日益廣泛的液態(tài)硅膠，是否會使加工變得更加復(fù)雜呢？我們又會走向何方呢？

近年來，向微型化方向發(fā)展的趨勢日益強(qiáng)勁，許多產(chǎn)品正在變得更小、更精致、更復(fù)雜且更緊湊。這些復(fù)雜、精致的部件，許多都是采用微注射成型工藝被生產(chǎn)出來的。在醫(yī)療技術(shù)領(lǐng)域中，微型部件的例子包括越來越多的微創(chuàng)手術(shù)或新的分析方法。微注射成型的另一個目標(biāo)領(lǐng)域是采用極小電子組件的消費(fèi)類電子產(chǎn)品以及用于智能手機(jī)的光學(xué)精密組件。

就連手表這類奢侈品，也越來越多地采用了由熱塑性塑料制成的微小零件，如手表機(jī)芯中的齒輪——其中的小型密封件由硅樹脂制成。尤其是硅這種材料，由于其特殊的性能，正在獲得越來越大的市場份額。基于電氣化和自動駕駛的發(fā)展趨勢，未來，汽車行業(yè)也將需要更多由液態(tài)硅膠（lsr）制成的微型部件。

是什么讓微注射成型充滿挑戰(zhàn)？

微注射成型意味著所生產(chǎn)部件的重量明顯低于1g?，F(xiàn)在，一些制造商已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了1mg以下的重量——盡管采用低比重的熱塑性塑料或者采用更高密度（密度通常是1.1～1.5g/cm3）的液態(tài)硅膠會有很大的不同。由硅制成的微型部件通常比熱塑性塑料制成的微型部件要重， 但它們卻可以做得更小，因而在尺寸上更具挑戰(zhàn)性。

但是，在我們討論加工LSR與加工熱塑性塑料存在哪些不同之前，有必要先對微注射成型所面臨的特殊挑戰(zhàn)做一個全面的了解，這些挑戰(zhàn)與所使用的原材料無關(guān)，因?yàn)槲⒆⑸涑尚偷囊恍┕こ屉y題僅來自于部件——以及部件的尺寸特征和超低量的加工。

如圖1所示，這是一個長1.7mm、直徑0.9mm、重0.0005g的LSR部件，如果采用一副32腔的模具，含澆口在內(nèi)，其總的注射量是0.125g，相當(dāng)于大約125顆糖粒，為比較起見，一塊方糖中含有的糖粒數(shù)量大約是20000～30000顆。

圖1 作為眼科診斷儀器中的連接元件，這些LSR微型部件長1.7mm，直徑0.9mm，每個僅重0.0005g，它們在一副32腔的模具中被成型出來

作為眼科診斷儀器中的連接元件，該案例如此小的注射量必須均勻且可重復(fù)地分配到所有的型腔中，對此，微注射單元、主流道和熱管理對于確保質(zhì)量、精度和可重復(fù)性都至關(guān)重要。

僅主流道就足以說明微注射成型究竟需要多少技術(shù)訣竅，其流量必須與成型部件的體積保持平衡的比例關(guān)系，對此，必須對幾個邊界條件進(jìn)行相互權(quán)衡并優(yōu)化整個工藝過程，關(guān)鍵要素是過程管理、對廢料和能耗的統(tǒng)計、材料價格以及循環(huán)時間。所有這些，都給設(shè)備制造商和微型部件的生產(chǎn)商帶來了極大的挑戰(zhàn)。

精度和可重復(fù)性至關(guān)重要

在實(shí)驗(yàn)室條件下進(jìn)行的微注射過程可能會運(yùn)行得良好，但是，在擴(kuò)大產(chǎn)量以及大批量的生產(chǎn)過程中，成型商和設(shè)備供應(yīng)商都會面臨全新的挑戰(zhàn)，這首先涉及部件的尺寸精度。對大型部件幾乎沒有影響的因素，對于精密微型部件的廢品產(chǎn)生卻起著決定性的作用。千分之幾毫米或十分之幾毫克的偏差，都會對這些微小部件的質(zhì)量帶來很大的影響，進(jìn)而影響它們在使用中的可靠性。

對此，系統(tǒng)中所有單元之間的相互作用達(dá)到最大精度是必不可少的。Engel推薦使用其為此而訂制的e-motion TL系列的全電動、無拉桿注射機(jī)，如圖2所示，該機(jī)不僅適用于部件的開發(fā)、實(shí)驗(yàn)室加工和原型生產(chǎn)，或者適用于短期運(yùn)行的生產(chǎn)，而且還可用于大批量的生產(chǎn)。這些精密機(jī)器配備了一種新型的柔性微注射單元，它是為LSR微注射成型而開發(fā)的專用解決方案。

圖2 這臺全電動、無拉桿的Engel e-motion TL注射機(jī)專為微注射成型而訂制，它采用了Engel與ACH Solution公司聯(lián)合開發(fā)的特殊的LSR微注射單元，所用的計量泵系統(tǒng)也由ACH Solution公司提供

注射運(yùn)動的可重復(fù)性對注射結(jié)果的精度和可重復(fù)性有很大的影響，但高質(zhì)量的微注射成型不只是注射單元的問題，鎖模定位和橫向精度對于微型部件的精密成型也至關(guān)重要。因此，無論是微注射成型LSR還是熱塑性塑料，全電動的伺服驅(qū)動注射機(jī)都是明智的選擇。

這種無拉桿機(jī)器的特殊特征，對于注射成型微型部件具有積極的影響?；谄湓O(shè)計，這些機(jī)器從根本上確保了模板的平行度和鎖模力的均勻分布。此外，許多微型部件通常需要在潔凈室環(huán)境中生產(chǎn)，對此，一臺緊湊的大鎖模力的機(jī)器設(shè)計減少了占地空間，而采用封裝曲肘和直線導(dǎo)軌、無液壓系統(tǒng)的潔凈室機(jī)器概念，也為加工商們滿足GMP（FDA的優(yōu)良制造規(guī)范）要求提供了支撐。

特殊的自動化方法

在操作這些微型部件時，還必須考慮到一些特殊要素，如機(jī)器上的自動化系統(tǒng)以及質(zhì)量控制等。用夾持器取出部件就像讓敏感部件簡單地從模具中掉出一樣不可思議。

靜電意味著部件像磁鐵一樣粘在光滑的表面上，即使用手指也很難抓住。為此，微注射成型的部件通常是由真空吸入，然后吹入一個小的收集容器中。而用攝像頭檢測質(zhì)量，可以在部件從型腔進(jìn)入收集容器的過程中完成，甚至可以在部件脫模前直接在型腔中完成。為此，需要將攝像頭安裝在夾持器上，夾持器停靠在模具上的特定位置，以使攝像頭能夠檢測到多個型腔中的部件。Engel與市場領(lǐng)先的自動化和質(zhì)量檢測技術(shù)公司合作，提供這種一站式的交鑰匙生產(chǎn)單元。

微注射成型LSR與微注射成型熱塑性塑料的區(qū)別

加工LSR與加工熱塑性塑料，最重要的不同來自對兩種材料的溫度控制，直至固化或硫化過程。在注射成型LSR時，兩個原料組分在室溫下在料筒中混合，這兩個原料組分沿小截面的通道以最短的路徑被送入料筒中，然后閥式澆口和分流道對混合好的材料進(jìn)行分配。在170～190℃的溫度下，LSR在模內(nèi)發(fā)生硫化反應(yīng)，形成彈性體部件，為此，模具及其溫度控制必須要為高溫應(yīng)用而設(shè)計。此外，還必須在料筒與模具之間采取嚴(yán)格的熱隔離措施，以防止料筒中預(yù)混好的液相LSR在無意間硫化。

LSR微型部件在脫模過程中仍然很熱，因此，在設(shè)計用于操作部件的自動化系統(tǒng)時，必須考慮到這一點(diǎn)，特別需要注意的是，要使用耐熱材料和測量技術(shù)。

對于LSR部件，還需要改變氣流以反射溫度。由于熱量的產(chǎn)生，會在部件脫模時導(dǎo)致氣體主要向上逸出，因此，在潔凈室環(huán)境中注射成型LSR時，必須從模具上方抽出氣體。相比之下，用于成型熱塑性塑料的抽氣裝置通常位于模具下方，而來自模具上方的新鮮空氣能夠以層流的方式對模內(nèi)部件作進(jìn)一步的冷卻。

雖然如此，硅膠在脫模和部件設(shè)計方面卻具有優(yōu)勢：這種彈性體部件可以在脫模過程中變形而不影響其質(zhì)量，因而增加了LSR 微型部件的設(shè)計自由度，甚至可以實(shí)現(xiàn)小的凹槽。但對于熱塑性塑料部件而言，為確保部件脫模時不受損，只有當(dāng)部件冷卻變硬后才能取出，為此，必須提前規(guī)劃好部件的冷卻問題。

向注射機(jī)提供原材料是微注射成型LSR和熱塑性塑料的另一個不同之處。為實(shí)現(xiàn)微注射成型，應(yīng)將液態(tài)硅膠的兩個組分儲存在容量不超過0.5～0.7L的容器中。為了更好地保護(hù)材料，與料筒連接的軟管還要盡可能得短且橫截面要小。在為成型系統(tǒng)選擇計量泵時，Engel優(yōu)先考慮的是其裝置具備OPC UA能力的合作伙伴，以確保能夠?qū)⒂嬃勘孟到y(tǒng)集成到其機(jī)器的控制系統(tǒng)之中。

而熱塑性塑料的微注射成型過程卻沒有表現(xiàn)出任何與眾不同之處：粒料被送入螺桿和加熱的料筒中，螺桿和溫度管理確保了形成均勻的熔體，熔體通過分流道和閥式澆口被一槍一槍地送入型腔中。

一臺機(jī)器同時適用于LSR和熱塑性塑料

因此，微注射成型LSR與微注射成型熱塑性塑料，對生產(chǎn)單元的要求從一開始似乎就有著根本性的區(qū)別，然而，它們卻可以在一臺注射機(jī)上成型，這為加工商提供了更大的靈活性，從而可以更好地利用其機(jī)器。這是如何做到的呢？

Engel將其無拉桿的全電動e-motion TL機(jī)型作為微注射成型LSR的基礎(chǔ)設(shè)備，該機(jī)器采用了一種新型的LSR微注射單元來生產(chǎn)微型硅膠部件。利用一個快速連接系統(tǒng)，可以用不到30min的時間將該機(jī)器轉(zhuǎn)換成適合熱塑性塑料注射成型的機(jī)器，甚至可以在注射單元中采用15或18規(guī)格的料筒，使同一臺機(jī)器從微注射成型切換成小型部件的生產(chǎn)?？傊?，無論是哪種情況，通過標(biāo)準(zhǔn)接口（OPC-UA）就可以順利地將送料單元集成到機(jī)器的控制系統(tǒng)中，這樣就能將一臺標(biāo)準(zhǔn)機(jī)器轉(zhuǎn)變成既適合采用LSR也適合采用熱塑性塑料生產(chǎn)小型和微型部件的高度靈活的生產(chǎn)單元。

多組分成型的雙重能力

如圖3所示，奧地利專業(yè)的微技術(shù)公司Sei Woo Hi-Tech Polymer在一臺注射機(jī)上通過綜合使用聚酰胺（尼龍）和LSR而成型出了一種微型部件，這些部件是汽車座椅中起按摩作用的進(jìn)氣閥中的一部分。他們首先在一臺帶有轉(zhuǎn)臺的搭載一副16+16腔模具的Engel e-victory 140 combi注射機(jī)上成型出聚酰胺（PA）的殼體，然后轉(zhuǎn)臺轉(zhuǎn)到第二工位，注射LSR，與此同時，生產(chǎn)出16個以上的殼體，而特殊配制的PA與LSR則形成了化學(xué)鍵。但是，由于接觸面積非常小，為安全起見，成型后還需要在200℃對成品部件進(jìn)行退火處理，以確保熱塑性塑料與硅膠的永久粘接。然后，讓這些部件通過攝像頭以進(jìn)行100%的質(zhì)量檢測。

圖3 在汽車座椅中起按摩作用的進(jìn)氣閥只有4mm×3mm的大小，在包覆成型中使用了LSR和尼龍材料（圖片來自Sei Woo）

在此使用的Engel e-victory注射機(jī)配有一個電動注射單元和一個伺服液壓、無拉桿的鎖模單元。由于無拉桿的鎖模單元可以充分利用模板直到模板的邊緣，因此，甚至可以在相對小型的機(jī)器上安裝帶有轉(zhuǎn)臺的大型模具。

為實(shí)現(xiàn)更高精度而提供的更細(xì)致的解決方案

微注射成型要求在注射成型的各個階段都要達(dá)到最高的精度，包括注射量的一致性。一個正在進(jìn)行中的商業(yè)化的成型項(xiàng)目，是采用液晶聚合物（LCP）成型一種連接器，其注射量僅為0.484g，注射時間0.018s。憑借“智能閉合”的滑環(huán)止回閥（如圖4所示），這家Engel的客戶得到了很好的結(jié)果：每次注射的最大偏差量是±0.0005g，即大約0.1%的偏差。

圖4 由Engel開發(fā)的這種“智能閉合”的滑環(huán)止回閥可用于極低粘度的熔體或LSR以及短循環(huán)時間的成型，它有助于確保注射量的最大一致性，這對于微型部件的成型至關(guān)重要

針對極低粘度的熔體（或LSR）以及短循環(huán)時間的成型，Engel提供這種“智能閉合”的滑環(huán)止回閥，它為確保注射量達(dá)到最大的一致性提供了支撐。這種止回閥在注射行程極短和注射速度極慢的應(yīng)用中特別有效，其基本原理是，通過螺桿的反轉(zhuǎn)，主動啟動閥門的閉合，意味著在注射過程開始時，止回閥已完全閉合。

新型微注射單元

Engel與同在奧地利的ACH Solution公司聯(lián)合開發(fā)的新型LSR微注射單元，使得采用明顯低于0.1g的注射量來制造LSR的精密部件成為可能。該裝置由活塞而不是螺桿構(gòu)成，但ACH Solution公司在進(jìn)料系統(tǒng)中加入了動態(tài)的混合器而非普通的靜態(tài)混合器，這確保了硅膠的A、B組分與顏料（如果有）的良好混合。從技術(shù)上講，可以將其看成是一個兩級注射系統(tǒng)，因?yàn)榛旌系囊后w組分在進(jìn)入注射階段之前有一個保持階段?；钊闹睆绞?mm，最大注射量是2.26cm3。針對極小的部件，Engel建議采用該系統(tǒng)及其iQ weight控制軟件。

該系統(tǒng)的另一個特點(diǎn)是料筒編碼選項(xiàng)，它允許用標(biāo)準(zhǔn)螺桿塑化裝置替換ACH Solution公司的微注射裝置而用于LSR或熱塑性塑料的成型。為采用ACH Solution公司的計量泵而在傳統(tǒng)的螺桿上加工LSR，這種料筒編碼軟件禁用螺桿旋轉(zhuǎn)，這樣，它就可以像活塞一樣工作，根據(jù)料筒的直徑調(diào)整注射壓力和注射量。

自2020年底推向市場以來，該微注射單元被用于在采用閥式澆口的32腔冷流道模具中成型醫(yī)療器械的連接件。這些精致的部件長1.7mm，直徑0.9mm，32個部件加起來只有16mg重。該注射單元在一臺全電動、無拉桿的Engel e-motion 50/30 TL注射機(jī)上運(yùn)行，ACH Solution公司的LSR計量泵為其供料。一臺Engel viper 6線性機(jī)械手取出部件并將其放到傳送帶上接受基于攝像頭的質(zhì)量檢測。

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