微型成型 | 14分钟阅读

微成型应对挑战

用一种颗粒的塑料来成型多个零件是越来越多的成型者想要解决的挑战。它正在推动注塑机,工装,零件处理和检查中新技术的开发。

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对于服务于电子,医疗,电信和汽车市场领域的模具制造商而言,重量仅为几克的零件的注塑成型正成为一个巨大的机遇。新的应用正在将可成型产品的极限降低到仅灰尘斑点—零件轻至0.0003 g,壁薄至0.0004 in。,尺寸公差为±0.0005英寸。所有这些都是通过1.3或更高的CpK来完成的,即每100,000个零件不超过六个缺陷。

今天正在模制的一些新的罂粟籽大小的零件包括齿轮和齿轮箱,助听器,模制的互连设备(MID),线轴,开关,传感器,透镜,导管,垫圈,辊子和光纤组件。这些微小的零件甚至具有更微小的关键特征,例如针孔,销,通道和卡扣式闩锁。其中一些零件涉及嵌件或两组分成型。"我们已经为这类零件提供了许多系统,"德国Battenfeld小型注射机总经理Gregor Goebel说。他列举了用于消费电子产品的集成MID和微动开关的案例。它仅重几毫克,但采用两次注射两种材料的工艺制成。

微成型对传统成型概念提出了许多挑战。一方面,成型者看到浇口和流道系统达到射出量的75%或更多时,应该不会感到惊讶。此外,压力机需要更高的注射速度和压力才能将熔体推过微小的喷嘴和流道。"Van Dorn Demag产品经理Glenn Frohring Jr.表示,普通成型的压力约为20,000 psi,而某些微成型应用的压力则高达40,000 psi。较高的注射速度有助于通过剪切稀化来降低粘度,并确保材料在冷却之前将填充零件。零件成型后,处理,检查和包装面临着自己的挑战。 (例如,在处理蝇斑大小的零件时,需要控制吃水和静电荷。)

通常不建议在20吨以上的机器上模制此类零件,因为很难控制如此小的注射量。另外,超大尺寸(即正常尺寸)的桶会发生长停留时间和材料降解。实验室机器虽然很小,但由于通常不是为大批量生产而设计的,因此不适合用于微成型。"工艺稳定性至关重要。如果零件很小,那么过程或材料上的任何变化都将意味着零件损坏,"印第安纳州哥伦布市模具制造商Makuta Technics总裁Stuart Kaplan说,过去18个月中,其微型零件业务增长了两倍。"精确的螺杆和机筒设计以及注射控制至关重要,"Ferromatik Milacron Europe董事总经理Herman Plank表示同意。"即使在模制一克材料时,也必须注意不要使模具短切或产生毛边。"由于这些原因,机械制造商开始开发用于微成型的专用系统。

除了增加挑战之外,这些高性能微型零件通常还需要工程材料,例如聚酰胺酰亚胺,液晶聚合物,聚醚酰亚胺,PEEK,PPS和新型环烯烃(COC)树脂,以及更标准的ABS,尼龙,乙缩醛和TP聚酯。许多工作还涉及填料,例如PTFE,芳纶,碳纤维和玻璃纤维或珠。

 

机器设计不断发展

为了说明这一市场的增长,在过去的两到三年中,有11家机器供应商已经开发或改进了用于20吨及以下吨位微成型的机器设计。他们包括Arburg,Battenfeld,Boy,Demag Ergotech,Ettlinger,Ferromatik Milacron Europe,Nissei,Sodick,Sumitomo,Tomken Tool和Van Dorn Demag。很难获得微型机器的销售数字,但是一家公司报告说去年的出货量为120台。其他许多公司也提供不专门用于微成型的小型机器。

机械供应商在微型成型市场是否最好使用基于大型常规设计的小型设备上获得优势还是是否需要新型机器的问题上存在分歧。"对于小型传统机器,浇口必须相对于零件尺寸过大,"Boy 机s的应用程序和流程工程师Shawn Schnee说。 "当使用更传统的螺杆技术在小型机器上生产微成型零件时,浇口重量占射料重量的90%以上并不罕见,"Schnee说。他补充说,由于浇口较厚,周期时间更长。

巴滕费尔德的Goebel补充说,使用非专业化系统进行微成型的模塑商可能需要超过一年的R&D寻找最佳的零件成型方法,对于这些新型微型零件的市场寿命来说太长了。"有一些可以生产小零件的常规机器,但我认为它们正处于这个市场的边缘," Goebel says. "市场一直在寻找更小的零件。我相信,下一代机器必须能够使零件比现在所能处理的零件小30%且更复杂,"他说。公差也可能会更严格。"我希望它们会从今天的3微米缩小到1微米,然后再缩小到0.3微米," Goebel says.

传统机器的制造商回答说,专用机器必须是专用机器,这可能不适合许多定制成型商。另外,足够熟练使用常规机器的模塑者可以利用较大压力机所允许的较高的气穴。

微成型机的样式包括柱塞,往复式螺杆和多级注射技术。它们还涵盖了全电动,液压和混合液压/电动驱动系统的范围。尽管存在这些变化,但是当前方法仍存在三个方面的一致性:

  • 微成型需要一个与注射量成正比的小螺丝,但是小螺丝有一个限制。"通常,要使用的最小根直径为14毫米螺钉," says Boy's Schnee. "任何较小的行程都有剪切螺钉的机会。它不能承受注射过程中的压力,"他说。而且,较小直径的螺杆也可能会给喂入颗粒带来困难。一些供应商建议使用带有微成型螺钉的微丸。
  • 设计用于微成型的流道系统往往是冷流道类型的,主要是因为热流道系统尚未针对此类小零件进行设计。
  • 对于机器控制,人们一致认为,更新的32位微处理器为实现微成型中的严格操作控制提供了最佳机会。

 

集成解决方案

巴滕费尔德的5吨全电机被称为Microsystem,是专门为微成型设计的首批商业机型之一。它是1999年10月推出的,是当今市场上唯一的一种模型,设计为将注射,加工,零件处理和检查集成到具有自己的洁净室环境的一台机器中的完整的自动成型单元。它的注射重量为0.25 mg至1 g,部件重量小于0.008 g。

不寻常的三阶段注射系统(参见示意图)从固定的14毫米直径挤出机开始。和14:1 L / D,倾斜45度°角度。它连续供入垂直计量室。腔室直径为5毫米。当进入的熔池在其前面时将其推回。压力传感器检测活塞的位置何时达到预设的注射量。 巴滕费尔德声称,非常精确的,伺服驱动和压力控制的计量可以将注射量控制在0.001 cc之内。

接下来,气动活塞将熔体输送到注入室。注射柱塞由伺服驱动器和机械凸轮共同驱动,以760毫米/秒的速度注射熔体。

熔体流过内部加热的喷嘴,该喷嘴通过固定的压板突出到模具的分割线。带有两个半模的旋转模具台允许同时注射和弹出前一个注射。模具中包含可互换的型腔嵌件,这些嵌件采用德国开发的称为LIGA(X射线光刻和电沉积)的技术制成。

巴滕费尔德说,无拉杆夹具的精度在0.01 mm以内。特殊的腔定心技术可确保零件的精度。直径仅为0.2毫米的顶针。推出零件。侧面安装的机器人抓住带有吸盘的零件,然后将它们传送到检查站,该检查站最多可以有四个摄像头。

Boy 机s首选往复式螺杆而不是多级喷射,以避免熔体可能垂挂的死点。 Boy的微成型螺杆具有一个代替标准止回阀的球阀。对于微成型,Boy提供了其全液压双模板12 M和12 A模型(14.2吨)。该公司表示,在12 A上使用更高级别的Procan CT控制装置更适合于微成型。 14毫米,18:1往复螺杆提供的注射量从0.1 g以下到5 g。也可以使用16或18毫米螺钉。熔体以9.4英寸/秒的速度注入,注入压力高达26,034 psi。"我们使用放大器对泵进行预加载。我们尝试加大微成型应用的压力," says Schnee.

其他功能包括用于零件检查的视觉系统和用于输送零件的负压输送机系统。

Ferromatik Milacron Europe开发了其微型注射生产线,可生产0.001至3 g的零件。它的预塑螺钉固定在45°与注射柱塞成一定角度。 18毫米15:1螺钉可容纳标准尺寸的药丸。它通过球形止回阀计量熔体到注射柱塞,注射柱塞有三种尺寸,注射重量为2.263至5.588 g。根据Ferromatik的Plank,直径为7毫米。柱塞提供的冲程分辨率是14毫米螺钉的四倍,因此压射尺寸精度更高。"柱塞设计还提供了更好的峰值压力控制,因此我们在传输过程中获得了更低的峰值压力,"普朗克说。注射单元设计避免了边缘或尖角,从而消除了树脂降解。该单元可设计用于两组分成型。

在该装置上制成的最小零件中,有一个模制在八个腔中的0.08克缩醛医疗零件。注射总重量为1.6克。

MCP Minimolder系列取代了Tomken Tool和West Coast Mold发行的Rabit和Butler系列,是一台9.9吨机器,具有两级螺杆/柱塞注射功能。它是由英国MCP设备设计和制造的。它具有16毫米,2:1或4:1的螺钉,并带有直径仅为7.5毫米的注射柱塞。 Tomken销售经理Kevin Undem说,"我们使用各种工程热塑性塑料(例如PEEK和PPS)成型的零件重量可低至0.02 g。我们在注射行程上使用了先进的传感器,实现了极其精确的计量和最小的材料停留时间。"他说,最近的2小时生产运行实现了0.0001英寸的尺寸精度和0.23%的可重复性。

TR20EH是来自沙迪克的新型20吨电动混合机,用于微成型。它使用14毫米直径的模具,可将小至0.2 g的胶丸成型。柱塞。柱塞的行程为5毫米,最后1.0-1.5毫米可提供填充压力。区域销售经理Taekkyu Lee说,注射速度可以达到1500 mm / sec。异常夹紧使用伺服电机进行打开和关闭,并使用少量油进行夹紧(请参阅PT,00年2月,第11页)。两级注射装置使用伺服驱动的倾斜式挤出机和液压柱塞。

德国Ettlinger生产一种无拉杆的在线螺杆/柱塞系统,能够生产0.1g至5g的零件。直接注射成型(D-I-M)机将塑化缸和柱塞连接到一个往复单元中。螺钉前面的专利断针喷嘴是热流道系统的组成部分(PT,00年1月,第41页)。热流道—今天在微成型中很少见—喷嘴使生产几乎无浇口的零件成为可能。据说其他好处还包括减少压力损失,缩短材料停留时间以及降低模具成本。

日精美国公司的PN系列中的新型45吨和66吨液压夹具可以完成电子零件和其他精密零件的成型。这些装置取代了日精长期销售的PS系列的类似吨位机器,并且对机器进行了许多改进(请参阅本期第13页)。日精还在其HM超紧凑单元生产线中提供了三种7吨模型,用于微型零件生产。

住友最近以20吨的型号SE18S扩展了其全电机的标准生产线。该装置处理的螺杆直径小至14 mm,注射能力低至0.38 cu in。无皮带直接驱动马达提供500 mm / sec的注射速度和高达34,130 psi的注射压力。其他标准功能包括将模具的开/关位置数字设置在0.1 mm之内,将低压模具保护设置在0.3 mm,这对于微成型很重要。

Meiki America提供了一台配备50吨蓄能器的机器,可大批量生产重量仅为0.1 g且壁厚仅为0.3 mm的微型零件。"我们的M50C-AS-DM装置可以使用标准的夹紧吨位和型腔压力来模制20个1克零件,"助理经理张振兴说。

该公司的70吨装置已用于制造重量小于1克的电子连接器。这种高速,高压液压装置可生产成对的0.3毫米箱 ABS / PC在7-8秒内。大型压力机的功能包括蓄能器辅助,伺服阀喷射单元,特殊的长喷嘴以及对喷嘴温度的灵敏控制—Chang说,这是小零件精密成型的重要特征。据报道,六级夹紧压力可在快速填充过程中增强分型线的排气性能。

可以在Demag Ergotech的Microshot 25吨往复式螺杆机上生产小至0.1 g的零件。这种液压钳型号包括新的螺杆和枪管设计(14 mm,18:1 L / D),新的止动环和最大0.5盎司的注射量。它的注射速度为10-12英寸/秒,注射压力为30,000 psi。对于小零件成型,夹紧力可调节至5吨。超声波传感器提供0.0001英寸。 Rick Schaffer,v.p.说。 Demag Ergotech的销售和市场营销总监。

Arburg消息人士称,公司的新型Allrounder 220 S全液压17吨机器已成功用于微成型。一个可选的包装包括一个新开发的15毫米直径的螺丝和枪管。产生高达36,250 psi的压力。据报道,它可以控制仅3 mm的螺杆行程,以提供精确的射丸重量,低至0.5 cc(50 mg)。微型模具套件还包括伺服阀和螺杆位置控制,以实现快速响应以及精确的计量和背压,这对于微型模具至关重要。

Van Dorn Demag凭借其新的28吨Cadence卧式液压机和30吨的Newbury立式肘节装置服务于微成型市场。这两台机器都使用14毫米20:1螺钉具有0.5盎司的注射量。卧式Cadence压力机的注射压力为20,000 psi(标准),或者使用可选的性能套件,接近40,000 psi。垂直单元具有30,000 psi的标准压力能力。

 

‘Micro' pioneers

尽管微成型是相对较新的,但已有数年的美国模塑商在该领域扎根了多年。其中之一是加利福尼亚州里弗赛德市的Micromold Inc.公司,该公司自1979年以来就从事微模具加工。这家年收入500万美元的公司每年生产7500万个零件,通常不超过0.375英寸。±0.0005英寸,CpK为1.3或更高。它拥有28台4吨至34吨的压力机,其中大多数来自Boy。

Micromold了解到,将零件尺寸保持在0.0002英寸以内的秘诀之一是使用空化程度低的工具,即使这项工作需要数百万个零件。"其他公司之所以失败,是因为他们选择了更大的气蚀工具,"总统罗伯特·奥斯特(Robert Aust)说。谨慎的零件处理,特殊的零件运输夹具以及多步质量控制流程是公司成功的其他关键。 (有关详细信息,请参阅PT,00年5月,第35页。)

"Lights-out"总裁Stuart Kaplan表示,微成型是精密微零件成型机Makuta Technics(印第安纳州哥伦布)的一个方面,该公司每年生产4500万个零件,零缺陷。此三班制/七天的操作在下午4:00后的工作日无人值守。在周末。 Makuta的17台15-18吨的Sumitomo机器(包括一台新的SE18S全电单元和6台两连拍的Minimat型号)由于该公司24名员工设计的自动化零件处理设备而可以无人值守。他们的发明之一是文丘里系统,其设计目的是将5-10微米的浇口和流道与微小的零件轻轻地分开。另一个是装袋传送带,该传送带会按预设的时间间隔自动索引,以防止容器溢出零件。

Makuta保持了严格的工艺窗口,并经常进行模具维护,以使总废料率保持在1%以下。其最有价值的部件之一是尺寸为1.11 x 0.96 x 0.64 mm且重量为0.3 mg的缩醛线圈骨架。它是在两腔模具中以4.8秒的周期生产的。

由纽约州罗切斯特市经QS 9000认证的定制模塑商Empire Precision Plastics生产的工作中,有25%以上的重量不到1克。"我们拥有400多个零件,每年生产和制造超过2.5亿个零件。我们的最小零件重量为0.0052克,并在八腔模具中运行,"总裁Neal Elli说。该公司相信大型汽蚀,并使用来自Arburg,Sumitomo和Van Dorn Demag的25吨,35吨和50吨机器。

Empire的项目中大约有10%使用16到32腔模具,60%是八腔模具,20%有四个腔,最后10%只是两个腔。它们都使用通用的模具基座和可互换的型腔插件。即使有如此多的空洞,Empire仍然可以容忍±0.001 in.

成立三年的Micro Molding Technologies LLC位于佛罗里达州博因顿海滩(Boynton Beach),致力于通过型腔压力控制来保护其微零件的精密模芯。它最小的部件之一是0.03 g的连接器,客户可以从另一台成型机上更换该连接器。"以前的制模商在维持零件质量时遇到了麻烦,无法弄清原因,"总统迈克尔·本茨说。失败的制模商尝试使用视觉系统监控模具以检测发生的情况。当Micro Moulding Technologies接手工作时,它使用型腔压力感应来确定材料的冷块会在高速和高压下通过喷嘴,从而损坏精密的芯销。"这使我们能够找到问题的根本原因,而不是在寻找答案时运行不良零件。"本茨说。该公司在所有工作中均使用RJG Inc.的型腔压力控制器。

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