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隨著(zhù)科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，產(chǎn)品不斷向微型化方向發(fā)展，因而產(chǎn)生了新世紀產(chǎn)業(yè)需求的微機電系統技術(shù)。2002年全世界在這一領(lǐng)域創(chuàng )造出450億美元的產(chǎn)值，其主要產(chǎn)品在光電通訊、影像傳輸、生化醫療、信息存儲、精密機械等應用領(lǐng)域扮演著(zhù)重要角色。為了能夠生產(chǎn)具有實(shí)用價(jià)值的微細組件，許多新興制造技術(shù)隨之產(chǎn)生，包括光刻，電鑄及脫模技術(shù)(LIGA)、紫外光蝕刻技術(shù)(UV)、放電加工(EDM)、微注射成型、精密磨削和精密切削等。其中，微注射成型技術(shù)以容易實(shí)現低成本大規模生產(chǎn)具有精密微細結構零件的優(yōu)點(diǎn)成為世界制造技術(shù)的研究熱點(diǎn)之一。
成品質(zhì)量以毫克為計算單位，成品幾何尺寸以微米為度量單位的微注射成型技術(shù)，始于20世紀80年代末，是一門(mén)新興先進(jìn)制造技術(shù)，同傳統的、常規的注射成型技術(shù)相比，其對成型材料、成型工藝及成型設備等方面都提出了不同要求。許多現有的、成熟的注射成型技術(shù)和理論并不適用于微注射成型技術(shù)，必須在理論和實(shí)踐上對微注射成型工藝的技術(shù)特點(diǎn)進(jìn)行系統和徹底的研究與探討。
1 微注射成型機的特殊要求
微注射成型技術(shù)發(fā)展之初，并未有專(zhuān)用注射成型機用于微型零件制造。生產(chǎn)實(shí)際中，通常采用傳統的中、大型注射成型機配合多模腔模具設計實(shí)現零件制備，這不僅對模具的流道平衡設計要求很高，而且零件的成型品質(zhì)也難以控制。因此，需要專(zhuān)用的注射成型機適應零件微型化和高精度的要求，與傳統注射成型技術(shù)相比，微注射成型技術(shù)對生產(chǎn)設備有許多特殊要求，主要表現為以下幾個(gè)方面：
(1)高注射速率：微注射成型零件質(zhì)量、體積微小，注射過(guò)程要求在短時(shí)間內完成，以防止熔料凝固而導致零件欠注，因此成型時(shí)要求注射速度高。傳統的液壓驅動(dòng)式注射成型機的注射速度為200mm/s，電氣伺服馬達驅動(dòng)式注射成型機的注射速度為600mm/s，而微注射成型工藝通常要求聚合物熔體的注射速度達到 800mm/s以上，利用聚合物熔體的剪切變稀原理，以高注射速度降低熔體的黏度，使其順利充填微尺度型腔。
(2)精密注射量計量：微注射成型零件的質(zhì)量?jì)H以毫克計量，因此微注射成型機需要具備精密計量注射過(guò)程中一次注射的控制單元，其質(zhì)量控制精度要求達到毫克級，螺桿行程精度要達到微米級。而傳統注射成型機通常采用直線(xiàn)往復螺桿式注射結構，注射控制量誤差相對較大，無(wú)法滿(mǎn)足微注射成型的微量控制要求，對零件成型品質(zhì)的影響較大。
(3)快速反應能力：微注射成型過(guò)程中注射量相當微小，相應注射設備的螺桿/柱塞的移動(dòng)行程也相當微小，因此要求微注射成型機的驅動(dòng)單元必須具備相當快的反應速度，從而保證設備能在瞬間達到所需注射壓力。
2 微注射成型機的分類(lèi)
針對傳統注射成型機在微注射成型領(lǐng)域中的應用局限性，進(jìn)入20世紀90年代，歐洲、日本和美國的一些公司與科研機構合作開(kāi)發(fā)了各類(lèi)型專(zhuān)用微注射成型機(通常鎖模力＜15t＝，目前國外主要設備供應廠(chǎng)商包括Nissei、Dr.Boy、Battenfeld、MCP、Babyplast、高橋等。微注射成型機的主要功能通常包括塑化、計量和注射三部分，可以通過(guò)各部分的驅動(dòng)方式分類(lèi)，也可以通過(guò)各部分的機構設計分類(lèi)。
按驅動(dòng)方式分類(lèi)，可分為液壓 /氣壓式驅動(dòng)、全電式驅動(dòng)和電液復合式驅動(dòng)。液壓/氣壓式驅動(dòng)即塑化單元和注射單元的旋轉/往復運動(dòng)均靠液壓/氣壓系統來(lái)驅動(dòng)，其優(yōu)點(diǎn)是所能達到的注射壓力和注射速度高，可以滿(mǎn)足微注射成型工藝的要求；缺點(diǎn)是控制精度較差。全電式驅動(dòng)即設備所有單元均采用伺服電機驅動(dòng)，其優(yōu)點(diǎn)是控制精度高，反應速度快，對環(huán)境污染��；缺點(diǎn)是伺服電機輸出的推力有限，所能達到的注射壓力和速度不高。電液復合式驅動(dòng)即將液壓式驅動(dòng)的高注射壓力、注射速度與全電工驅動(dòng)的精確控制和快速反應相結合，作為系統的驅源。
按塑化和注射單元的機構設計分類(lèi)，可分為螺桿式、柱塞式、螺桿柱塞混合式及其他特殊形式。
2.1螺桿式
微注射成型機的塑化、計量和注射均由一組螺桿完成，各單元旋轉和往復運動(dòng)均在一條軸線(xiàn)上，構造簡(jiǎn)單，容易控制。但是由于螺桿前端的止逆環(huán)結構，設備對一次注射量的控制精度較差。此類(lèi)微注射成型機的代表型號有德國Dr.BOY公司的BOY12A，日精樹(shù)脂工業(yè)株式會(huì )社的HM7-DENKEY，樹(shù)研工業(yè)的JMW -015S-5T及東芝的EC5。
2.2 柱塞式
微注射成型機包括單一柱塞型和柱塞-柱塞型兩種，單一柱塞型將粒狀或粉狀的塑料向前推送，繞經(jīng)一魚(yú)雷狀分流梭，經(jīng)由噴嘴注入模腔，分流梭的功能是將塑料分散于管內部表層，使塑料更容易塑化；而柱塞-柱塞型是由兩組柱塞分別完成塑化和計量注射功能。該型微注射成型機通常塑化量較小，塑化的品質(zhì)不高，混料性能也較差。其代表機型有西班牙Cronoplast公司的 Babyplast6/10，英國MCP公司的Rabbit2/3和美國Medical Murray公司的Sesame。
2.3 螺桿柱塞混合式
微注射成型機以螺桿作為塑化單元，完成混料與塑化，以小直徑柱塞配合伺服馬達與控制器作為微注射單元，完成精密計量與注射，該微注射成型機又可按塑化計量機構設計分為二段計量式和三段計量式兩種。
(1) 二段計量式：塑化螺桿先將塑料塑化并進(jìn)行粗計量，然后送至注射室中，再由小直徑柱塞進(jìn)行精密計量和注射，此類(lèi)微注射成型機的代表型號有英國MCP公司的 12/90HSP，日本Sodick公司的TR18S3A，日精樹(shù)脂株式會(huì )社的Au3E和田瑞公司的EPOCH SHOT7。
(2)三段計量式：塑化螺桿將塑料塑化并進(jìn)行粗計量后，送入第一段計量室，由第一段計量柱塞計量后，注射送入第二段計量室，再由第二段計量柱塞作精密計量后進(jìn)行注射。該型微注射成型機的代表機型有Battenfeld公司的Microsystem50和德國Ferromatik Milacron公司與亞琛大學(xué) IKV研究所合作改進(jìn)的FX25。
2.4 其他特殊形式
德國Ettlinger公司的注射機有一個(gè)同軸螺桿/柱塞復合式注射單元，可以生產(chǎn)0.1-5.0g的塑料零件，該型機構的突出特點(diǎn)是采用直接注射成型，通過(guò)特殊結構設計的針式噴嘴將熱流道系統集成到注射機中，使得微注射成型過(guò)程能夠采用無(wú)流道模具，節省了材料，縮短了成型周期。
3 微注射成型機的發(fā)展趨勢
微注射成型機是注射成型設備發(fā)展的一個(gè)新方向，開(kāi)創(chuàng )了微細結構零件和系統制造研究的新途徑，其突出優(yōu)點(diǎn)就是能夠實(shí)現高精度、高精細零件的大批量、低成本生產(chǎn)。對于螺桿式微注射成型機，其塑化、計量和注射均由一組螺桿完成，所以結構簡(jiǎn)單，易于控制。其不足之處在于由于螺桿前端的止逆環(huán)結構，使得設備對一次注射量的控制精度較差，并且增加了材料在注射料筒中降解的幾率，影響零件成型質(zhì)量的穩定性。對于柱塞式微注射成型機，雖然其對注射量的控制精度較螺桿式高，但是其塑化量小，混料性能差，材料的塑化品質(zhì)較螺桿式差，不利于成型表面質(zhì)量和光學(xué)特性要求較高的零件。而螺桿柱塞混合式微注射成型機，則綜合了柱塞式和螺桿式的優(yōu)點(diǎn)，以螺桿作為塑化單元，柱塞作為計量和注射單元，使微注射成型的控制精度和零件的成型品質(zhì)均有明顯提高，但是通常其結構較為復雜，控制和維護較柱塞式和螺桿式繁瑣。
上述各種不同原理的微注射成型機有著(zhù)不同的性能指標，適合不同微細結構零件的需求。因此要根據具體的微細結構零件的成本、尺寸和質(zhì)量等各方面因素綜合考慮選擇配置適當的微注射成型機。但是，由于微注射成型技術(shù)是新興的技術(shù)領(lǐng)域，許多基礎理論還不夠完善，微注射成型工藝也不夠成熟，還需要進(jìn)一步探索和研究。同時(shí)，隨著(zhù)機電一體化技術(shù)、計算機網(wǎng)絡(luò )技術(shù)等相關(guān)技術(shù)的不斷發(fā)展，為微注射成型機的開(kāi)展提供許多新思路和新方向。因此，微注射成型機的進(jìn)一步發(fā)展還面臨著(zhù)許多挑戰，主要表現在如下幾方面：
(1)驅動(dòng)方式：目前，大多數微注射成型機采用高頻高扭矩伺服電機配合高精度機械傳動(dòng)裝置的方式實(shí)現微注射成型技術(shù)要求的精密計量和高速高壓注射，但是這種方式由于采用了機械傳動(dòng)裝置，存在傳動(dòng)間隙誤差和機械累計變形誤差，影響了設備的精密控制和快速反應性。而采用直線(xiàn)電機驅動(dòng)則存在推力較小和成本較高的問(wèn)題，目前僅有美國的Medical Murray公司和日本的FANUC公司采用了這種驅動(dòng)方式。
(2) 塑化方式：微注射成型機的塑化單元均采用螺桿式或柱塞式，由于柱塞式塑化效果欠佳，未成為當前發(fā)展的主流，而螺桿式雖然塑化效果較好，但是仍然存在著(zhù)小尺寸螺桿加工難度大，使用壽命有限和塑化時(shí)間較長(cháng)等問(wèn)題。因此，新的環(huán)保高效的塑化方式還有待進(jìn)一步的探索，如超聲波塑化、微波塑化及激光塑化等。目前德國 IKV研究中心對注射成型機的超聲波塑化方式進(jìn)行了研究并取得了可喜的進(jìn)展。
(3)注射材料：多數微注射成型機以聚合物作為注射對象，而微注射成型技術(shù)所涵蓋的成型范圍不僅包括聚合物而且包括粉末喂料。由于粉末喂料與聚合物熔體在材料物性和工藝要求上存在較大差異，因此隨著(zhù)微粉末注射成型技術(shù)的日益成熟，針對粉末喂料的專(zhuān)用微注射成型機的研究有待進(jìn)一步的深入。
(4)產(chǎn)品性能測試：微注射成型產(chǎn)品尺寸微小，很少有合適的測試儀器能對產(chǎn)品的成型性能進(jìn)行全面準確的測試，而且測試效率也很低。而成型產(chǎn)品的性能是對成型機性能和穩定性的重要評價(jià)指標，所以完善微注射成型機中產(chǎn)品性能檢測模塊的功能也是微注射成型機發(fā)展面臨的主要挑戰之一。
(5)設備智能化：當前微注射成型機主要擔任產(chǎn)品生產(chǎn)的角色，而隨著(zhù)計算機和機電一體化的發(fā)展，微注射成型機不僅要完成產(chǎn)品生產(chǎn)的任務(wù)，還要通過(guò)計算機將產(chǎn)品設計、計算機仿真分析、生產(chǎn)管理及客戶(hù)服務(wù)等系統有效的整合，進(jìn)行智能化的生產(chǎn)操作。
(6) 網(wǎng)絡(luò )化：隨著(zhù)計算機網(wǎng)絡(luò )技術(shù)的發(fā)展，微注射成型機將發(fā)展具備網(wǎng)絡(luò )通訊能力的控制系統和檢測系統，使生產(chǎn)管理及控制網(wǎng)絡(luò )化。通過(guò)微注射成型專(zhuān)家系統可以在線(xiàn)操作微注射成型機，對成型零件在線(xiàn)監視并自動(dòng)調整成型工藝參數，提高零件成型精度和穩定性，并有效降低操作人員的技術(shù)依賴(lài)性，有利于多元生產(chǎn)及行銷(xiāo)網(wǎng)點(diǎn)的掌控。
4 結論與展望
微注射成型機的發(fā)展建立在機電技術(shù)和注射成型技術(shù)的發(fā)展基礎上，以微注射成型產(chǎn)品的需求為驅動(dòng)力。從目前微注射成型機研究狀態(tài)看，未來(lái)一段時(shí)間關(guān)于微注射成型的研究發(fā)展趨勢可能體現在以下方面：
(1)對設備的驅動(dòng)方式進(jìn)行進(jìn)一步研究，開(kāi)發(fā)高精度、高靈敏度和高推力、低成本的驅動(dòng)設備和方式；
(2)探索新的材料塑化方式，解決現有塑化方式帶來(lái)的諸多問(wèn)題，達到整潔、高效塑化注射材料的目的；
(3)進(jìn)一步完善新材料的微注射成型工藝研究，發(fā)展適用于多種成型材料的微注射成型機；
(4)微注射成型機的高精度、高效率產(chǎn)品檢測單元的探索，為微注射成型機提供可靠的性能測試和評價(jià)標準；
(5)智能化和網(wǎng)絡(luò )化微注射成型要的開(kāi)發(fā)應用研究，使微注射成型機在計算機和網(wǎng)絡(luò )的幫助下實(shí)現多元控制和遠程在線(xiàn)控制生產(chǎn)。
綜上所述，微注射成型機的研制發(fā)展歷史并不長(cháng)，但它是一個(gè)極具發(fā)展潛力的技術(shù)領(lǐng)域，開(kāi)展這一領(lǐng)域的研究不僅可以帶動(dòng)傳統注射成型技術(shù)的發(fā)展，同時(shí)也可以促進(jìn)精細微結構制品的制造和應用。隨著(zhù)各國致力于微機電系統(MEMS)及精細CAD/CAE/CAM制品開(kāi)發(fā)的力度不斷加強，精細微結構制品的市場(chǎng)將持續增長(cháng)，對精密微注射成型機的需求也會(huì )相應逐年增加， 微注射成型機在先進(jìn)制造領(lǐng)域必將發(fā)揮日益
