Микролитье (литье под давлением микроизделий, Micro-Injection molding) дает возможность изготавливать изделия, чьи эксплуатационные размеры, функциональные особенности и требования связаны с размерами порядка нескольких миллиметров или даже микронов. Из-за миниатюрных параметров отливок требуется использование специальных литьевых машин и дополнительного оборудования, чтобы выполнять такие задачи, как регулирование объема дозы, вакуумирование формующей полости, впрыск, извлечение, проверка, разделение, перемещение, ориентация и упаковка готовых изделий. Необходимо применять специальную технологию при работе с оформляющими деталями литьевой формы.
Описание технологического процесса
Необходимость производства изделий миниатюрных размеров и выпуска оборудования, которое было бы в состоянии производить их с нужной точностью, возникла в середине 1980-х гг., и с тех пор спрос на такие изделия постоянно растет. Среди множества способов получения микроизделий процессы литья под давлением имеют преимущества из-за уже большой практики их применения, а также высокого уровня автоматизации и короткого времени цикла.
Классификация процессов микролитья
Поскольку нет ясности, каким образом дать определение микролитью, предпримем попытку классификации на основе изделий, получаемых по этой технологии:
– миниатюрные отливки, которые весят несколько миллиграммов и могут иметь размеры в несколько микронов (например, микрошестерни, микрокнопки);
– изделия обычного размера, но имеющие микроструктурные участки или функциональные особенности (например, компакт-диски, оптические линзы с микроструктурой на поверхности и матрицы для изготовления миниатюрных шестеренок для точной механики);
– прецизионные микроизделия, которые могут иметь любые размеры, но допустимые отклонения для них составляют микроны (например, разъемы для оптоволоконной технологии).
Требования к оборудованию
Рассматриваемая технология литья требует особого отношения к оборудованию, технологическому процессу, изготовлению литьевых форм и т. д. С помощью современных литьевых машин можно добиваться впечатляющих результатов, но здесь они должны быть адаптированы под соответствие специальным требованиям при литье миниатюрных деталей:
– небольшие узлы пластикации, шнеки диаметром от 12 до 18 мм и укороченной длины с соотношением L/D около 15, чтобы избежать деструкции из-за продолжительного времени задержки;
– прецизионное управление объемом дозы впрыска и желаемой скоростью впрыска;
– многократный контроль процесса, например, переключения от стадии заполнения к стадии уплотнения по положению шнека или давлению в полости (второе предпочтительнее);
– возможность повышения температуры стенок литьевой формы до такого уровня (иногда температура должна быть несколько выше температуры расплава полимера), чтобы избежать преждевременного затвердевания расплава в сверхтонких местах изделия;
– вакуумирование литьевой формы, если толщина стенок изделия становится меньше 5 мкм (порядок сечения вентиляционного канала);
– использование последовательных запирающихся сопел ГКС, чтобы избежать просачивания материала через сопло из-за высокой температуры расплава;
– точное совмещение деталей формы и плавные скорости смыкания и размыка¬ния литьевой формы, чтобы избежать деформации тонких мест изделий;
– применение специальной технологии извлечения литых изделий для провер¬ки и упаковки;
– установка кожухов или размещение оборудования в боксах с обдувом ламинарным воздушным потоком, чтобы избежать загрязнения миниатюрных литых деталей («чистая комната»).
Очевидно, что уменьшение размеров изделия и дозы впрыска делает использование обычных литьевых машин экономически неоправданным для технологии микролитья. В результате было разработано много специализированных машин. Кроме различных особенностей, которые были описаны выше, эти машины иногда комплектуются отдельным поршневым дозирующим компрессором для впрыска и имеют шнек специальной конструкции. Все это дополнительное оборудование предназначено для точного измерения объема дозы и устранения проблем, связанных с деструкцией материала, являющейся следствием наличия зон застоя в шнеках обычной конструкции.
Поскольку размер и вес миниатюрных литых деталей сильно отличаются от таких же характеристик обычных деталей, то следует выполнить несколько определенных операций, чтобы гарантировать правильное извлечение изделия. Например, на литьевую машину может быть установлена система видеонаблюдения, чтобы регистрировать ход процесса. Наряду с этим извлечение изделий может осуществляться с помощью вакуумных присосок, которые позволяют разделять изделия и ориентировать их в пространстве для контроля качества и упаковки. Есть также устройства, использующие электростатический принцип или продувку формы. Для миниатюрных деталей нельзя применять традиционные методы контроля, например, измерение веса (здесь также используется видеосистема). Поскольку миниатюрные изделия очень часто используются в каких-либо блоках, их специально ориентируют таким образом, чтобы они были готовы для сборки.
Изготовление литьевых форм
В изготовлении литьевых форм для миниатюрных отливок могут быть использованы различные технологии, такие, как механическая обработка или обработка коронным разрядом. Однако размеры очень быстро выходят за пределы ограничений из-за износа поверхностей оформляющих деталей и формующих полостей. Для изготовления знаков и полостей для микролитья используют технологии из области микроэлектроники (например, LIGA — это аббревиатура немецкого названия технологии, которая включает в себя литографию, гальванопластику и дублирование методом литья под давлением). Для этих целей применяются также ультрапрецизионная механическая обработка, лазерная резка и обработка коронным разрядом.
Процесс литья
Для литьевой формы необходима специальная система нагрева и охлаждения. Было разработано несколько систем, обеспечивающих желаемое динамическое управление температурой в литьевой форме. Например, система «вариотерм» (vario therm) имеет два масляных контура, масло в которых находится при разных температурах, чтобы обеспечить подогрев и охлаждение литьевой формы на стадиях заполнения и охлаждения, соответственно. С другой стороны, система индукционного подогрева создает максимум подогрева литьевой формы перед впрыском. Кроме этого, сообщается об успешном использовании патронных нагревателей для управления температурой литьевой формы. Следует также отметить использование термодатчиков в литьевой форме, высокоточных направляющих, систем вакуумирования формы, встроенных систем подрезания литников, роботизированных систем извлечения изделия и систем очистки литьевых форм, которые срабатывают после каждого цикла. Все эти факторы играют важную роль в управлении процессами производства, эффективным перемещением и упаковкой изделий.
Для того чтобы гарантировать правильное заполнение формующей полости, высокие скорости впрыска и высокое давление, максимально допустимые температуры плавления, необходимо управление температурой стенок литьевой формы. Литниковая система большого диаметра используется, чтобы создать достаточно большую дозу впрыска, надежное переключение и избежать деструкции материала.
Особенности микролитья
Технология микролитья предназначена для производства миниатюрных деталей. Она не составляет конкуренции другим технологиям литья под давлением.
Поскольку миниатюрные детали не имеют достаточного веса, чтобы система управления машиной была в состоянии его регистрировать, некоторые машины имеют литники повышенного размера для того, чтобы машина могла точно выдерживать параметры и осуществлять мониторинг производства изделий. При этих условиях в литниках может находиться до 90% общего веса дозы впрыска. Это приводит к существенному росту отходов, поскольку материал, оставшийся в литниках, не может быть утилизирован в большинстве применений. Наконец, из-за обычно высокого со¬отношения поверхности к объему в изделиях литьевая форма в процессе впрыска должна быть нагрета до температуры, которая выше точки плавления материала, чтобы предотвратить преждевременное затвердевание, а такой подогрев приводит к увеличению времени цикла.
Почти все материалы, пригодные для литья изделий обычного размера, также могут быть использованы в микролитье. Сообщалось об использовании следующих материалов: ПК, ПММА, ПА, полиэфиримид и силиконовый каучук. Можно также применять технологию реакционного литья под давлением, используя материалы на базе акрилатов, амидов и силиконов.
Типичные варианты применения
На рынке наблюдается быстрый рост потребления изделий, полученных микро¬литьем, особенно это заметно в таких секторах, как оптические телекоммуникации, хранение компьютерных данных, медицинские и биотехнологии, а также в изготовлении оборудования и машиностроении. К изделиям, полученным микролитьем, относятся детали часов и видеокамер, автомобильные датчики, головки для чтения/записи жестких дисков и приводов компакт-дисков, медицинские датчики, микронасосы, прецизионные шестерни, шкивы и шнеки, оптоволоконные переключатели, микромоторы, хирургические инструменты, а также компоненты телекоммуникационного оборудования.
