微型齿轮注塑成型工艺实验研究
研制，攻克了多个微注塑成型过程中的难题。例如，不经济的流道与制件的体积比，较高的能量损失，过长的加工周期等问题均有所改善。此外，该注塑机还专门设置了质量控制模块，可以实现塑件质量的在线控制。
图１．１ＢａｔｔｅｎｆｅｌｄＭｉｃｒｏｓｙｓｔｅｎ６０注塑机
Ｆｉｇ．１．１ＢａｔｔｅｎｆｅｌｄＭｌｃｒｏｓｙｓｔｅｍＳＯｉ码ｊｅｃｔｉｏｎｍａｃｈｉｎｅ
在２００１年的欧洲Ｋ’Ｏｌ展览会上，Ｂａｔｔｅｎｆｅｌｄ推出了其最新的Ｍｉｃｒｏｓｙｓｔｅｍ系列微注塑机ＭｉｃｒｏｓｙｓｔｅｍＳ０，见图１．１１５１。ＭｉｃｒｏｓｙｓｔｅｍＳ０是专门为生产精密微型塑件设计的一种全电子驱动的注塑机，区别于以前的液压驱动方式．该注塑机采用塑化、计量、注射单元分离式设计，通过模块化的组装完成整机装配。塑化的熔体通过塑化螺杆压入计量单元，再由计量单元压入注射单元。计量单元包括一个高精度位置控制活塞和一个压力传感器，该传感器是用来严格控制熔体体积和回流压力的。注射单元是一个直径为５ｍｍ的推杆，其由一个电动伺服控制的凸轮机构驱动。凸轮机构的应用可以保证推杆在很短时间内获得较高的速度，并且保持足够的压力将熔体压入型腔。为了满足熔体快速充模的需要，ＭｉｃｒｏｓｙｓｔｅｍＳ０可以提供超过７５０ｍｍ／ｓ的注射速度。ＭｉｃｒｏｓｙｓｔｅｍＳ０系列微型注塑机集塑件成型、检测、包装功能于一体，该系统的注射量在０．２５ｍｇ～ｌｇ之间，可以成型重量小于０．０８９的塑件。它的研制成功，代表了已商业化的微型注塑机的最高水平。
ＩＫＶ研究所一直在从事微型注塑机方面的前沿研究，该研究所设计并制造了一种新型的微型注塑概念机，获得了比ＭｉｃｒｏｓｙｓｔｅｍＳ０更小的注射量。但是该注塑机属于研究性质，并未达到商业化水平。其仍采用预塑化和注射分离式设计，只是注射推杼由
一４－?
大近理工大学硕士学位论文
Ｍｉｃｒｏｓｙｓｔｅｍ５０的５ｍｍ减小到２ｍｍ，这样注射量可以从５～３００ｍｇ变化。这台概念机不同于其他微型注塑机的最重要部分，是它有一个单独控温并且和机器的其他部分良好绝缘的锥形喷嘴，它用电加热并且可以通过注入液体Ｃ０２（Ｔ００ＬｖＡｃ技术）来快速的冷却，使浇口在注射和保压阶段完成后就能立即封闭。既可避免喷嘴的泄漏，节省原材料，又可缩短成型周期。这种工艺技术将流道质量减小到大约５～１５ｍｇ。
在全球有十几家公司开展了微型注塑机的开发与研制，具有代表性的有Ａｒｂｕｒｇ，Ｂａｔｔｅｎｆｅｌｄ，Ｂｏｙ，ＤｅｍａｇＥｒｇｏｔｅｃｈ，Ｅｔｔｌｉｎｇｅｒ，ＦｅｒｒｏｍａｔｉｋＭｉｌａｅｒｏｎＥｕｒｏｐ，Ｎｉｓｓｅｉ，Ｓｏｄｉｃｋ，Ｓｕｍｉｔｏｍｏ，ＴｏｍｋｅｎＴｏｏｌ，ＶａｎＤｏｒａＤｅｍｇ等【６】。微成型要求注射量小，因此螺杆直径要相应地减小，目前最小螺杆直径为１４ｍｍ，更小的螺杆在注射过程中容易扭断。注射单元还可以采用柱塞／螺杆复合式。锁模力可小至７０ｋＮ。德国Ｂｏｙ公司的Ｂｏｙｌ２Ａ注塑机采用液压系统，螺杆直径１４ｍｍ（１６ｍｍ，１８ｒａｍ），Ｌ／Ｄ为１８：１，注射量在０．１～５９。日本Ｓｏｄｉｃｋ公司的ＴＲ２０ＥＨ注塑机是电液混合驱动式的，柱塞直径１４ｍｍ，行程５ｍｍ，注射量Ｏ．２９。德国Ｅｔｔｌｉｎｇｅｒ公司的注塑机有一个同轴螺杆／柱塞复合式注塑单元，可以生产０．１～５９的塑件。美国Ｍｕｒｒａｙ公司是一家设计和生产医疗设备零部件的公司，它也设计制造了微型注塑机。由于它可制造尺寸只有“芝麻”大小的塑件，因此把它称为“芝麻”系列。它可制造壁厚只有０．０２５ｍｍ，表面积Ｏ．２６１ｍｎ２～２６ｍｍ２，质量只有０．０１ｍｇ的塑件【７】。其微注射单元结构如图１．２所示。
图１．２徽注射单元结构
Ｆｉｇ．１．２Ｓｔｒｕｅｔｕｍｏｆｍｉｃｒｏ－ｉｎｊｅｃｔｉｏｎｕｎｉｔ
近年来，我们国家在微型注塑机的研发上也取得了一定进展。香港奥克兰有限公司与深圳奥克兰机械有限公司，于２００３年下半年，开始了我国第一台微型精密注塑机的
大连理工大学硕士学位论文
缘材料。可实现选择性刻蚀，所用设备复杂，刻蚀速度慢，适用于线宽小于３＃ｍ的细微图形刻蚀。根据刻蚀速率是否与硅的晶向有关可以将所有的刻蚀方法分为各向同性和各向异性两种。各向同性刻蚀是指对材料的各个方向具有相同的刻蚀速度，无方向选择性。各向异性刻蚀是指对材料的不同晶面具有不同的刻蚀速度，基于这种特性，可以加工出各种形状的微结构。它的不足是刻蚀速率比各向同性刻蚀慢，仅仅达到１＃ｍ／ｍｉｎ，且受温度影响很大，在刻蚀过程中需要将温度升高到１００。Ｃ左右，从而又会影响到许多光刻胶的使用【８】。
（２）ＬＩＧＡ工艺
ＬＩＧＡ工艺已成为当今微制造甚至是即将到来的纳米制造的关键技术，与其他微制造技术相比有以下优点：①深宽比大，准确度高。所加工的图形准确度小于０．５微米，表面粗糙度仅１０ｎｍ；②用材广泛。从塑料（ＰＭＭＡ、ＰＯＭ、ＰＡ、ＰＣ等）到金属（Ａｕ，Ａｇ，Ｎｉ，Ｃｕ）及陶瓷（ｚｎ０２）等，都可以用ＬＩＧＡ技术实现三维微结构；③能利用模具来进行微复制加工，可降低成本，进行批量生产。随着ＬＩＧＡ技术的不断发展和完善，其在微细加工领域的优势会迸一步的显现出来。
ＬＩＧＡ工艺的工艺流程图如图１．３所示【９】，图１．４为利用同步射线光刻后得到的光刻胶结构，随后进行微电铸得到的金属镍结构如图１．５所示【１０１。
图１．３ＬＩＧＡＩ艺步骤
Ｆｉｇ．１．３ＬＩＧＡｐＩｏ∞辐
微型齿轮注塑成型工艺实验研究
图１．４ＰＭＭＡ胶模的ＳＥＭ照片
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Ｆｉｇ．１．４ＳＥＭｉｍａｇｅ
图１．５Ｎｊ微结构的ＳＥＭ照片
ＳＥＭｉｍａｇｅｏｆＮｉｍｉｃｒｏｓｔｒｕｃｔｕｒｅｓ
Ｆｉｇ．１．５
ＬＩＧＡ技术虽然具有突出的优点，但是它的工艺步骤比较复杂，成本高。为了获得ｘ光源，需要复杂而又昂贵的同步加速器；同时用于ｘ光光刻的掩膜版本身就是３Ｄ微结构，需要先用ＬＩＧＡ技术制备出来，费时又复杂，可用的光刻胶种类又少，这使得ＬＩＧＡ技术的发展在一定程度上受到限制，阻碍了它工业化应用的进程。为此，人们开始寻找廉价光源来替代昂贵的ｘ光源，其中有紫外光（ｕＶ）ＬＩＧＡ、深等离子体蚀刻、激光（Ｌａｓｅｒ）ＬＩＧＡ等，同时把这一系列技术称为准ＬＩＧＡ技术，准ＬＩＧＡ技术不需要象ＬＩＧＡ技术那样的昂贵设备，制作方便，必将成为影响本世纪微机械加工的一项重要技术。其中利用紫外光源和简单的铬掩膜版的ＵＶ．ＬＩＧＡ技术得到了广泛的应用¨ｕ；
本课题实验中所用到的模具镶块，就是先通过ｕＶ－ＬＩＧＡＴ艺得到光刻胶结构，随后进行微电铸生成的微型齿轮型腔。
（３）激光熔除
作为机械加工和电加工的备选方法，宏观范围的金属激光熔除工艺也大量用于生产铸造模、注射模、压铸模。
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