微分注射高效實現微制品成型

近些年來，微機電系統（MEMS）發展迅速。據NEXUS的市場分析，MEMS的市場從2005年的330億美元增長到2009年的570億美元。MEMS的迅猛發展對微型制品的需求量激增。眾多塑料都可以通過改性等方式達到微型制品所要求的使用性能，使得塑料在微型制品的生產中占有重要地位。同時與其他材料相比，塑料微型制品更能滿足微機電系統制造過程中對成本的控制。
微型注射機是塑料微型制品主要的成型設備，其設計、加工通常是在塑膠射出小尺度下進行的，所采用的螺杆或者柱塞一般都小於20mm，加工難度大，成本高，使其價格居高不下。
微型注射機的注射單元
與傳統注射機相比，微型注射機的設計關鍵是實現對微注射量的精密控制。柱塞式注射結構更有利於高精密的注射量控制，這使得柱塞式的注射結構在微型注射機上得到廣泛的應用。現有的微型注射機主要采用直接、雙階和三階式的注射單元實現物料的塑化和精密計量。
直接式注射單元沿用傳統螺杆式注射單元的塑化和注射方式，通過塑膠模具小直徑的螺杆（通常小於20mm）配合高精密的位移傳感器實現物料的塑化與精確計量。此情況下，小直徑的螺杆加工精度及其機械強度的提高是螺杆式微注射機注射單元的核心。
隨著微型注射機的發展，螺杆與柱塞相結合的雙階法逐漸被采用。在這種注射單元中，螺杆與柱塞可以垂直布置，也可以成一定的角度（一般采用45°）布置方式。通過螺杆旋轉對物料進行預塑化，在壓力的作用下將熔體輸送到柱塞室中。塑化結束後，螺杆與柱塞連接處的閥門關閉，柱塞將塑料熔體注射到模具的型腔中。通過對注射柱塞的精密控制可以實現更精確微型制品的成型。直接式和雙階式的微型注射單元應用較廣泛，已形成成熟的商業化產品。
在2010年德國K展上，德國阿博格（Arburg）公司推出一種新型微注射成型模塊。該微注射成型模塊采用獨特的雙螺杆形式的注射單元。兩支螺杆呈45°空間布置。伺服電機驅動15mm或者18mm的螺杆進行預塑化，並將熔體輸送到注射腔內，利用8mm的塑膠射出成型螺杆進行注射。為了防止物料的回流，注射單元設計了止逆閥和密封系統。值得一提的是，該微注射成型模塊可快速裝卸運用於阿博格其它型號的注射機上。
三階式微注射單元是由著名注射機生產商Battenfeld首次提出的，並成功應用於其微型注射機Microsystem50。該微型注射機的注射單元采用單螺杆雙柱塞的新型結構，塑料顆粒由螺杆旋轉進行預塑化，塑化的物料進入到計量室，由一個帶有壓力傳感器的柱塞進行計量。預塑螺杆與計量室間的通道有一旋轉閥來控制計量室的入口啟閉。計量完成後，旋轉閥閉合、注射柱塞後移打開注射室入口。隨後，已精密定量的塑料熔體被壓力柱塞推出射出室進入到模具型腔內。
雖然微型注射機發展日趨成熟，但是由於其零部件加工困難、價格昂貴，采用普通注射機進行微制品成型成為一個研究的方向。
台灣地區國立成功大學機械工程系張智仁等開發了一套外掛式微射出單元。該單元將柱塞射出機構與模具設計為一體。采用伺服電機帶動滾珠絲杠的方式實現熔體的精確計量和注射。利用此外掛式微射出單元便可在一般往複式螺杆成型機上實現微注射的功能。國立成功大學機械工程系張沛欣對外掛式微注射成型模組不足之處進行了進一步的優化。
微分注射機的研制
1）微分注射機微分系統
以下將介紹的是一種創新性的基於精密齒輪泵的微分注射機，通過微型制品的微分注射成型實驗，初步檢驗了微分注射成型的效果；微分注射機其可控注射量的多噴嘴可高效地實現微型制品的成型。
本文研制的微分注射機是在普通注射機主機的基礎上匹配微分注射單元。微分注射單元主要由微分系統和成型模具組成。微分注射機的主機采用合模力為600KN的海天注射機的基本配置，注射部件和合模機構采用直角式的空間布置。微分系統采用獨立的控制器進行對微分泵及其驅動電機地轉角等相關參數進行設置和控制。
物料通過注射螺杆旋轉塑化，熔融的物料在注射壓力的作用下進入到微分系統並維持熔體壓力的恒定。熔體壓力達到設定值，觸發伺服電機旋轉；伺服電機通過聯軸器帶動齒輪泵旋轉，通過齒輪泵的精密計量、增壓將塑料熔體通過噴嘴注射到模具型腔中。通過設定齒輪泵的旋轉角度，可控制進入到模具型腔內的物料體積。
注射機的微分系統設定三個熱電偶進行齒輪泵、分流板、噴嘴的溫度控制。對應齒輪泵的每個出口都配備一個噴嘴，每一個噴嘴均可獨立成型微小制品。為了便於不同制品的成型，微分成型模具采用模塊化型腔設計，便於成型制品型腔的快速更換。