微成型加工面临的技术挑战

【编者按】医疗器械、电子产品和生物制药制造商需要更先进的微制造系统，这些系统需要将微加工与自动化解决方案集成到一起，以确保能成功制造出尺度更小、更不易损坏、更节省空间的微型器件。在组装而成的产品中，尺寸最小的零件往往是最容易出问题的零件，通常也是整个装置的关键部件。在微成型加工及其系统中，存在许多技术挑战，其中包括以下几方面。

(1) 微器件建模

目前，人们对微观尺度基本物理学原理的认识还相当有限，必须更好地理解和掌握这些原理，才能开发出可靠的微器件模型。为了完善用于微型注塑件模流分析的建模软件、材料技术规范、可靠性模型和仿真模型，还需要进行大量研究。

(2) 工作环境

在亚微米级尺度进行加工时，很小的温度变化都可能会影响加工精度。因此，许多微型注塑件制造商和微加工专家都采取将整个加工区和/或检测区封闭隔离的方法，以形成一个可调控气候的工作环境。

(3) 微型模具加工刀具的制造

制造微型刀具需要采用相应的微尺度加工工艺，包括激光加工、化学铣削加工、电火花蚀刻/线切割加工、超声加工、等离子加工、CNC数控加工、电化学加工、照相化学加工等。目前，X射线成像加工和离子束加工还未在模具制造中广泛采用。随着微加工的不断发展，这两种微加工技术的重要性将日益显现。

高速微铣削加工的缺点是加工时产生的高热可能会引起微裂纹，导致钢制模具失效。采用激光束在铣削加工前和加工中对工件进行预热，可以减少高速加工引起的工件裂纹。

等离子加工利用聚焦离子束轰击刀具毛坯，刻蚀加工出亚微米级的刀具形貌和小至100 nm 的刀尖圆弧半径。该工艺还能与化学加工方法结合使用，以提高材料去除率。

电火花蚀刻加工(EDM)是一种应用广泛的无应力加工方法，但加工速度较慢，而且需要制造电极。线切割加工速度较快，采用最细的电极丝可加工出小至001 mm 的刀尖圆弧半径，但其应用仅局限于贯通形状加工和二维加工。

(4) 测量/检测技术

测量尺寸极小的微型注塑零件的检测方法需要使用特制的虎钳、镊子和夹具。通过对检测用钢制零件的测量，通常可以提供一个平直而牢固的基准面，该表面可用非接触测量法(某些情况下也可用接触测量法)进行测量。用于制造注塑零件的这些基准面也能用于尺寸“验证”，其重复性和再现性要求比在微型注塑零件上尝试进行相同的对应测量严格得多。首件检测需要耗费大量时间——如果不比整个微型模具制造和微成型项目所花时间更多的话——的情况并不少见。此外，为了精确捕捉到微型注塑件的特征图像，需要有低振动、低噪音的良好检测环境。

(5) 质量认证

从用户到供应商，在对测量系统进行重复性和再现性(R&R)评价时，都需要采用完全相同的夹具和精确的检测方法，以再现公差达亚微米级的检测结果。目前，只有很少几个机构提供的检测设备能够达到亚微米级公差的检测能力，而且为了保证测量重复性，检测工作必须在高效微粒空气过滤器控制的超净计量室中进行。虽然在宏观零部件(尤其是医疗用器件)的制造中，要求对图纸尺寸和公差的测量能力指数Cpk达到1.33或更高是相当常见的，但在考虑Gage R&R(测量重复性和再现性)和Operator R&R(操作重复性和再现性)时，对于0.0025mm 的公差，要达到Cpk＝1.33几乎是不可能的。此外，零部件制造商和微型注塑件制造商需要有相似的检测仪器，这些仪器具有相同的夹持机构，以验证微型零部件的尺寸公差。

(6) 尺寸适当的注塑机

通常，微型注塑零件的浇口和流道系统占到总注塑量75%(或更多)的情况十分常见。许多微制造商常常采用一种“权宜之计”― 用注塑尺寸较大和／或具有多个模腔的注塑机来制造微型注塑件。虽然这种尝试取得了不同程度的成功，但许多尺度极小的微型零件由于滞留时间长、采用尺寸过大的螺杆和料筒时会发生相应的树脂降解，因此无法采用这种方式进行加工。此外，也不推荐用常规尺寸的辅助设备(如干燥机、水分测定仪、热流道歧管、温度控制器等)来加工微型零件。在设备制造商开发出用于干燥、运送、称重、分析、定量给料以及控制微注塑过程的微型设备之前，有必要采用专门定制的辅助设备。

(7) 标准化

在宏观尺度零部件成型加工中公认的许多技术标准并不适用于微成型加工。在微成型加工中，材料要承受额外的剪切应力以及极高的注塑压力和速度，而这会改变注塑材料的熔体粘度，我们以前在理论上和实践中所熟知的许多常规成型加工的“规则”和可预测的参数值也会发生变化。

(8) 工件运送／静电干扰

微型工件的运送可能是一个极具挑战性的任务。许多微成型制造商利用侧浇口流道将微型工件从一个位置运送到另一个位置，而且许多流道被用作自动化加工的组成部分。如果工件无法采用侧浇注方式注塑成型，则可相应地采用特制的机械臂端工具、真空吸附系统、卷轴式拾取设备和铝塑包装来运送工件。

静电干扰是微成型制造商共同的“噩梦”。如果工件收集系统、机器人、包装系统和检测系统不能使工件正确落位，这些小如尘粒的工件就很容易丢失。静电枪、静电棒、气帘和底垫等都是微成型加工中常用的设备。

(9) 微制造工艺

微加工和微型模具对于微型注塑加工和其他基于严格公差的微制造工艺的发展至关重要。这些工艺包括液态硅树脂成型(LIM)工艺、金属注射成型(MIM)工艺和陶瓷注射成型(CIM)工艺。这些微制造工艺对模具的精度要求极高。微型LIM工艺要求模具具有适当的排气口，不会造成溢料。微型MIM工艺要求加工时金属材料能充满模腔中的每个微小特征。微型CIM工艺要求毛坯状态的零部件能从模具中顺利取出。虽然这些微制造工艺的加工过程千差万别，但微型模具都是其工艺开发最关键的组成部分。由于微型零部件的尺寸如此之小，因此其在模腔内的双向收缩量也极小，塑料、硅树脂或金属零件的尺寸与原始模腔尺寸之间几乎不存在误差。

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