本文介紹了一種基于精密齒輪泵的微分注射機(jī)，詳細(xì)地闡述了微分注射成型機(jī)理，對比了微注射和微分注射基本成型工藝的不同，并通過實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：微分注射成型可高效率地實(shí)現(xiàn)微制品的成型。
近些年來，微機(jī)電系統(tǒng)（MEMS）發(fā)展迅速。據(jù)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(fā)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(dá)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(chǎn)中占有重要地位。同時(shí)與其他材料相比，塑料微型制品更能滿足微機(jī)電系統(tǒng)制造過程中對成本的控制。
阿博格雙螺桿微注射模塊
微型注射機(jī)是塑料微型制品主要的成型設(shè)備，其設(shè)計(jì)、加工通常是在小尺度下進(jìn)行的，所采用的螺桿或者柱塞一般都小於20mm，加工難度大，成本高，使其價(jià)格居高不下。
微型注射機(jī)的注射單元
與傳統(tǒng)注射機(jī)相比，微型注射機(jī)的設(shè)計(jì)關(guān)鍵是實(shí)現(xiàn)對微注射量的精密控制。柱塞式注射結(jié)構(gòu)更有利於高精密的注射量控制，這使得柱塞式的注射結(jié)構(gòu)在微型注射機(jī)上得到廣泛的應(yīng)用。現(xiàn)有的微型注射機(jī)主要采用直接、雙階和三階式的注射單元實(shí)現(xiàn)物料的塑化和精密計(jì)量。
部分微型注射機(jī)
直接式注射單元沿用傳統(tǒng)螺桿式注射單元的塑化和注射方式，通過小直徑的螺桿（通常小於20mm）配合高精密的位移傳感器實(shí)現(xiàn)物料的塑化與精確計(jì)量。此情況下，小直徑的螺桿加工精度及其機(jī)械強(qiáng)度的提高是螺桿式微注射機(jī)注射單元的核心。
隨著微型注射機(jī)的發(fā)展，螺桿與柱塞相結(jié)合的雙階法逐漸被采用。在這種注射單元中，螺桿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。通過螺桿旋轉(zhuǎn)對物料進(jìn)行預(yù)塑化，在壓力的作用下將熔體輸送到柱塞室中。塑化結(jié)束後，螺桿與柱塞連接處的閥門關(guān)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(shí)現(xiàn)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(yīng)用較廣泛，已形成成熟的商業(yè)化產(chǎn)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(dú)特的雙螺桿形式的注射單元。兩支螺桿呈45°空間布置。伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)15mm或者18mm的螺桿進(jìn)行預(yù)塑化，并將熔體輸送到注射腔內(nèi)，利用8mm的螺桿進(jìn)行注射。為了防止物料的回流，注射單元設(shè)計(jì)了止逆閥和密封系統(tǒng)。值得一提的是，該微注射成型模塊可快速裝卸運(yùn)用於阿博格其它型號的注射機(jī)上。
三階式微注射單元是由著名注射機(jī)生產(chǎn)商Battenfeld首次提出的，并成功應(yīng)用於其微型注射機(jī)Microsystem50。該微型注射機(jī)的注射單元采用單螺桿雙柱塞的新型結(jié)構(gòu)，塑料顆粒由螺桿旋轉(zhuǎn)進(jìn)行預(yù)塑化，塑化的物料進(jìn)入到計(jì)量室，由一個(gè)帶有壓力傳感器的柱塞進(jìn)行計(jì)量。預(yù)塑螺桿與計(jì)量室間的通道有一旋轉(zhuǎn)閥來控制計(jì)量室的入口啟閉。計(jì)量完成後，旋轉(zhuǎn)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(jìn)入到模具型腔內(nèi)。
雖然微型注射機(jī)發(fā)展日趨成熟，但是由於其零部件加工困難、價(jià)格昂貴，采用普通注射機(jī)進(jìn)行微制品成型成為一個(gè)研究的方向。
臺灣地區(qū)國立成功大學(xué)機(jī)械工程系張智仁等開發(fā)了一套外掛式微射出單元。該單元將柱塞射出機(jī)構(gòu)與模具設(shè)計(jì)為一體。采用伺服電機(jī)帶動(dòng)滾珠絲杠的方式實(shí)現(xiàn)熔體的精確計(jì)量和注射。利用此外掛式微射出單元便可在一般往復(fù)式螺桿成型機(jī)上實(shí)現(xiàn)微注射的功能。國立成功大學(xué)機(jī)械工程系張沛欣對外掛式微注射成型模組不足之處進(jìn)行了進(jìn)一步的優(yōu)化。
Battenfeld三階式微注射單元
Battenfeld三階式微注射單元
微分注射機(jī)的研制
1）微分注射機(jī)微分系統(tǒng)
以下將介紹的是一種創(chuàng)新性的基於精密齒輪泵的微分注射機(jī)，通過微型制品的微分注射成型實(shí)驗(yàn)，初步檢驗(yàn)了微分注射成型的效果；微分注射機(jī)其可控注射量的多噴嘴可高效地實(shí)現(xiàn)微型制品的成型。
微分注射基本工藝流程
本文研制的微分注射機(jī)是在普通注射機(jī)主機(jī)的基礎(chǔ)上匹配微分注射單元。微分注射單元主要由微分系統(tǒng)和成型模具組成。微分注射機(jī)的主機(jī)采用合模力為600KN的海天注射機(jī)的基本配置，注射部件和合模機(jī)構(gòu)采用直角式的空間布置。微分系統(tǒng)采用獨(dú)立的控制器進(jìn)行對微分泵及其驅(qū)動(dòng)電機(jī)地轉(zhuǎn)角等相關(guān)參數(shù)進(jìn)行設(shè)置和控制。
物料通過注射螺桿旋轉(zhuǎn)塑化，熔融的物料在注射壓力的作用下進(jìn)入到微分系統(tǒng)并維持熔體壓力的恒定。熔體壓力達(dá)到設(shè)定值，觸發(fā)伺服電機(jī)旋轉(zhuǎn)；伺服電機(jī)通過聯(lián)軸器帶動(dòng)齒輪泵旋轉(zhuǎn)，通過齒輪泵的精密計(jì)量、增壓將塑料熔體通過噴嘴注射到模具型腔中。通過設(shè)定齒輪泵的旋轉(zhuǎn)角度，可控制進(jìn)入到模具型腔內(nèi)的物料體積。
注射機(jī)的微分系統(tǒng)設(shè)定三個(gè)熱電偶進(jìn)行齒輪泵、分流板、噴嘴的溫度控制。對應(yīng)齒輪泵的每個(gè)出口都配備一個(gè)噴嘴，每一個(gè)噴嘴均可獨(dú)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(shè)計(jì)，便於成型制品型腔的快速更換。
微分注射機(jī)的工藝控制
微分注射機(jī)基本采用與普通注射機(jī)基本相同的工藝流程，但也會隨注射單元的不同而有所不同。
與微型注射機(jī)相比，微分注射機(jī)采用微分系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)熔體的精確計(jì)量、分流，這也決定了在注射成型工藝控制方面有其自身的特點(diǎn)。其中齒輪泵的精密控制是確保微制品成型的關(guān)鍵，也是微分注射與常規(guī)的微注射最大的區(qū)別所在。
在微分注射過程中，物料經(jīng)過螺桿的旋轉(zhuǎn)塑化形成熔體，螺桿將熔體經(jīng)分流板低壓注射到齒輪泵中，齒輪泵的入口壓力作為微分注射控制的觸發(fā)信號，在齒輪泵旋轉(zhuǎn)注射過程中始終檢測熔體壓力并確保壓力的恒定。與常規(guī)注射成型設(shè)定螺桿的終止位置相似，微分注射通過設(shè)定泵內(nèi)齒輪的旋轉(zhuǎn)角度實(shí)現(xiàn)注射量的控制。
微分注射成型實(shí)驗(yàn)
為了驗(yàn)證微分注射機(jī)的成型效果，本文進(jìn)行了初步的微分注射成型實(shí)驗(yàn)。通過成型制品發(fā)現(xiàn)：微分注射可高效率地實(shí)現(xiàn)微型制品成型。
微分注射基本工藝流程
微分注射基本工藝流程
在小圓片（圖a）的成型試驗(yàn)中，可一次成型6個(gè)注射量僅為0.196cm3的小圓片。而本成型采用的快速換型芯方法便於不同制品之間的更換。厚度僅為0.5mm的方形薄片（圖b）成型采用兩腔式結(jié)構(gòu)的型芯，一次可成型12個(gè)微型制品。隨著微型制品的市場需求量與日俱增，微型注射機(jī)的發(fā)展也異常迅猛。本文著重介紹微型注射機(jī)的直接式、雙階式和三階式微注射單元的機(jī)構(gòu)形式及其特點(diǎn)；研發(fā)了一臺基於精密齒輪泵的首臺微分注射機(jī)，對微分注射機(jī)的微分系統(tǒng)進(jìn)行了較詳細(xì)的介紹。本文利用微分注射機(jī)成型初步開展了小圓片、小薄片等微型制品的成型實(shí)驗(yàn)；實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)：采用普通注射機(jī)作為主體構(gòu)成的微分注射機(jī)可成型微型制品。微分注射機(jī)的微分系統(tǒng)通過采用多噴嘴的結(jié)構(gòu)形式可高效率的成型制品。
微分注射成型制品
微分注射成型方法雖然經(jīng)試驗(yàn)初步驗(yàn)證其在材料成型方面尤其自身優(yōu)勢，但是在微分泵機(jī)構(gòu)形式、微分系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)優(yōu)化以及成型工藝優(yōu)化等方面仍存在巨大的提升空間，探索微分注射成型工藝設(shè)置以及成型規(guī)律將成為微分注射成型技術(shù)研究的重點(diǎn)。
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