不經意間，微型塑膠部件已日益滲入到我們的生活之中——無論是汽車、醫療技術、手機還是可穿戴裝置。目前，這些微型部件越來越多的採用矽樹脂製成，但是，微注射成型又會給加工商們帶來哪些挑戰呢？與熱塑性塑膠相比，目前應用日益廣泛的液態矽膠，是否會使加工變得更加複雜呢？我們又會走向何方呢？
近年來，向微型化方向發展的趨勢日益強勁，許多產品正在變得更小、更精緻、更復雜且更緊湊。這些複雜、精緻的部件，許多都是採用微注射成型工藝被生產出來的。在醫療技術領域中，微型部件的例子包括越來越多的微創手術或新的分析方法。微注射成型的另一個目標領域是採用極小電子元件的消費類電子產品以及用於智慧手機的光學精密元件。
就連手錶這類奢侈品，也越來越多地採用了由熱塑性塑膠製成的微小零件，如手錶機芯中的齒輪——其中的小型密封件由矽樹脂製成。尤其是矽這種材料，由於其特殊的效能，正在獲得越來越大的市場份額。基於電氣化和自動駕駛的發展趨勢，未來，汽車行業也將需要更多由液態矽膠（LSR）製成的微型部件。
是什麼讓微注射成型充滿挑戰？
微注射成型意味著所生產部件的重量明顯低於1g。現在，一些製造商已經實現了1mg以下的重量——儘管採用低比重的熱塑性塑膠或者採用更高密度（密度通常是1。1～1。5g/cm3）的液態矽膠會有很大的不同。由矽製成的微型部件通常比熱塑性塑膠製成的微型部件要重， 但它們卻可以做得更小，因而在尺寸上更具挑戰性。
但是，在我們討論加工LSR與加工熱塑性塑膠存在哪些不同之前，有必要先對微注射成型所面臨的特殊挑戰做一個全面的瞭解，這些挑戰與所使用的原材料無關，因為微注射成型的一些工程難題僅來自於部件——以及部件的尺寸特徵和超低量的加工。
如圖1所示，這是一個長1。7mm、直徑0。9mm、重0。0005g的LSR部件，如果採用一副32腔的模具，含澆口在內，其總的注射量是0。125g，相當於大約125顆糖粒，為比較起見，一塊方糖中含有的糖粒數量大約是20000～30000顆。
圖1 作為眼科診斷儀器中的連線元件，這些LSR微型部件長1.7mm，直徑0.9mm，每個僅重0.0005g，它們在一副32腔的模具中被成型出來
作為眼科診斷儀器中的連線元件，該案例如此小的注射量必須均勻且可重複地分配到所有的型腔中，對此，微注射單元、主流道和熱管理對於確保質量、精度和可重複性都至關重要。
僅主流道就足以說明微注射成型究竟需要多少技術訣竅，其流量必須與成型部件的體積保持平衡的比例關係，對此，必須對幾個邊界條件進行相互權衡並最佳化整個工藝過程，關鍵要素是過程管理、對廢料和能耗的統計、材料價格以及迴圈時間。所有這些，都給裝置製造商和微型部件的生產商帶來了極大的挑戰。
精度和可重複性至關重要
在實驗室條件下進行的微注射過程可能會執行得良好，但是，在擴大產量以及大批次的生產過程中，成型商和裝置供應商都會面臨全新的挑戰，這首先涉及部件的尺寸精度。對大型部件幾乎沒有影響的因素，對於精密微型部件的廢品產生卻起著決定性的作用。千分之幾毫米或十分之幾毫克的偏差，都會對這些微小部件的質量帶來很大的影響，進而影響它們在使用中的可靠性。
對此，系統中所有單元之間的相互作用達到最大精度是必不可少的。Engel推薦使用其為此而訂製的e-motion TL系列的全電動、無拉桿注射機，如圖2所示，該機不僅適用於部件的開發、實驗室加工和原型生產，或者適用於短期執行的生產，而且還可用於大批次的生產。這些精密機器配備了一種新型的柔性微注射單元，它是為LSR微注射成型而開發的專用解決方案。
圖2 這臺全電動、無拉桿的Engel e-motion TL注射機專為微注射成型而訂製，它採用了Engel與ACH Solution公司聯合開發的特殊的LSR微注射單元，所用的計量泵系統也由ACH Solution公司提供
注射運動的可重複性對注射結果的精度和可重複性有很大的影響，但高質量的微注射成型不只是注射單元的問題，鎖模定位和橫向精度對於微型部件的精密成型也至關重要。因此，無論是微注射成型LSR還是熱塑性塑膠，全電動的伺服驅動注射機都是明智的選擇。
這種無拉桿機器的特殊特徵，對於注射成型微型部件具有積極的影響。基於其設計，這些機器從根本上確保了模板的平行度和鎖模力的均勻分佈。此外，許多微型部件通常需要在潔淨室環境中生產，對此，一臺緊湊的大鎖模力的機器設計減少了佔地空間，而採用封裝曲肘和直線導軌、無液壓系統的潔淨室機器概念，也為加工商們滿足GMP（FDA的優良製造規範）要求提供了支撐。
特殊的自動化方法
在操作這些微型部件時，還必須考慮到一些特殊要素，如機器上的自動化系統以及質量控制等。用夾持器取出部件就像讓敏感部件簡單地從模具中掉出一樣不可思議。
靜電意味著部件像磁鐵一樣粘在光滑的表面上，即使用手指也很難抓住。為此，微注射成型的部件通常是由真空吸入，然後吹入一個小的收集容器中。而用攝像頭檢測質量，可以在部件從型腔進入收集容器的過程中完成，甚至可以在部件脫模前直接在型腔中完成。為此，需要將攝像頭安裝在夾持器上，夾持器停靠在模具上的特定位置，以使攝像頭能夠檢測到多個型腔中的部件。Engel與市場領先的自動化和質量檢測技術公司合作，提供這種一站式的交鑰匙生產單元。
微注射成型LSR與微注射成型熱塑性塑膠的區別
加工LSR與加工熱塑性塑膠，最重要的不同來自對兩種材料的溫度控制，直至固化或硫化過程。在注射成型LSR時，兩個原料組分在室溫下在料筒中混合，這兩個原料組分沿小截面的通道以最短的路徑被送入料筒中，然後閥式澆口和分流道對混合好的材料進行分配。在170～190℃的溫度下，LSR在模內發生硫化反應，形成彈性體部件，為此，模具及其溫度控制必須要為高溫應用而設計。此外，還必須在料筒與模具之間採取嚴格的熱隔離措施，以防止料筒中預混好的液相LSR在無意間硫化。
LSR微型部件在脫模過程中仍然很熱，因此，在設計用於操作部件的自動化系統時，必須考慮到這一點，特別需要注意的是，要使用耐熱材料和測量技術。
對於LSR部件，還需要改變氣流以反射溫度。由於熱量的產生，會在部件脫模時導致氣體主要向上逸出，因此，在潔淨室環境中注射成型LSR時，必須從模具上方抽出氣體。相比之下，用於成型熱塑性塑膠的抽氣裝置通常位於模具下方，而來自模具上方的新鮮空氣能夠以層流的方式對模內部件作進一步的冷卻。
雖然如此，矽膠在脫模和部件設計方面卻具有優勢：這種彈性體部件可以在脫模過程中變形而不影響其質量，因而增加了LSR 微型部件的設計自由度，甚至可以實現小的凹槽。但對於熱塑性塑膠部件而言，為確保部件脫模時不受損，只有當部件冷卻變硬後才能取出，為此，必須提前規劃好部件的冷卻問題。
向注射機提供原材料是微注射成型LSR和熱塑性塑膠的另一個不同之處。為實現微注射成型，應將液態矽膠的兩個組分儲存在容量不超過0。5～0。7L的容器中。為了更好地保護材料，與料筒連線的軟管還要儘可能得短且橫截面要小。在為成型系統選擇計量泵時，Engel優先考慮的是其裝置具備OPC UA能力的合作伙伴，以確保能夠將計量泵系統整合到其機器的控制系統之中。
而熱塑性塑膠的微注射成型過程卻沒有表現出任何與眾不同之處：粒料被送入螺桿和加熱的料筒中，螺桿和溫度管理確保了形成均勻的熔體，熔體透過分流道和閥式澆口被一槍一槍地送入型腔中。
一臺機器同時適用於LSR和熱塑性塑膠
因此，微注射成型LSR與微注射成型熱塑性塑膠，對生產單元的要求從一開始似乎就有著根本性的區別，然而，它們卻可以在一臺注射機上成型，這為加工商提供了更大的靈活性，從而可以更好地利用其機器。這是如何做到的呢？
Engel將其無拉桿的全電動e-motion TL機型作為微注射成型LSR的基礎裝置，該機器採用了一種新型的LSR微注射單元來生產微型矽膠部件。利用一個快速連線系統，可以用不到30min的時間將該機器轉換成適合熱塑性塑膠注射成型的機器，甚至可以在注射單元中採用15或18規格的料筒，使同一臺機器從微注射成型切換成小型部件的生產。總之，無論是哪種情況，透過標準介面（OPC-UA）就可以順利地將送料單元整合到機器的控制系統中，這樣就能將一臺標準機器轉變成既適合採用LSR也適合採用熱塑性塑膠生產小型和微型部件的高度靈活的生產單元。
多組分成型的雙重能力
如圖3所示，奧地利專業的微技術公司Sei Woo Hi-Tech Polymer在一臺注射機上透過綜合使用聚醯胺（尼龍）和LSR而成型出了一種微型部件，這些部件是汽車座椅中起按摩作用的進氣閥中的一部分。他們首先在一臺帶有轉檯的搭載一副16+16腔模具的Engel e-victory 140 combi注射機上成型出聚醯胺（PA）的殼體，然後轉檯轉到第二工位，注射LSR，與此同時，生產出16個以上的殼體，而特殊配製的PA與LSR則形成了化學鍵。但是，由於接觸面積非常小，為安全起見，成型後還需要在200℃對成品部件進行退火處理，以確保熱塑性塑膠與矽膠的永久粘接。然後，讓這些部件透過攝像頭以進行100%的質量檢測。
圖3在汽車座椅中起按摩作用的進氣閥只有4mm×3mm的大小，在包覆成型中使用了LSR和尼龍材料（圖片來自Sei Woo）
在此使用的Engel e-victory注射機配有一個電動注射單元和一個伺服液壓、無拉桿的鎖模單元。由於無拉桿的鎖模單元可以充分利用模板直到模板的邊緣，因此，甚至可以在相對小型的機器上安裝帶有轉檯的大型模具。
為實現更高精度而提供的更細緻的解決方案
微注射成型要求在注射成型的各個階段都要達到最高的精度，包括注射量的一致性。一個正在進行中的商業化的成型專案，是採用液晶聚合物（LCP）成型一種聯結器，其注射量僅為0。484g，注射時間0。018s。憑藉“智慧閉合”的滑環止回閥（如圖4所示），這家Engel的客戶得到了很好的結果：每次注射的最大偏差量是±0。0005g，即大約0。1%的偏差。
圖4 由Engel開發的這種“智慧閉合”的滑環止回閥可用於極低粘度的熔體或LSR以及短迴圈時間的成型，它有助於確保注射量的最大一致性，這對於微型部件的成型至關重要
針對極低粘度的熔體（或LSR）以及短迴圈時間的成型，Engel提供這種“智慧閉合”的滑環止回閥，它為確保注射量達到最大的一致性提供了支撐。這種止回閥在注射行程極短和注射速度極慢的應用中特別有效，其基本原理是，透過螺桿的反轉，主動啟動閥門的閉合，意味著在注射過程開始時，止回閥已完全閉合。
新型微注射單元
Engel與同在奧地利的ACH Solution公司聯合開發的新型LSR微注射單元，使得采用明顯低於0。1g的注射量來製造LSR的精密部件成為可能。該裝置由活塞而不是螺桿構成，但ACH Solution公司在進料系統中加入了動態的混合器而非普通的靜態混合器，這確保了矽膠的A、B組分與顏料（如果有）的良好混合。從技術上講，可以將其看成是一個兩級注射系統，因為混合的液體組分在進入注射階段之前有一個保持階段。活塞的直徑是6mm，最大注射量是2。26cm3。針對極小的部件，Engel建議採用該系統及其iQ weight控制軟體。
該系統的另一個特點是料筒編碼選項，它允許用標準螺桿塑化裝置替換ACH Solution公司的微注射裝置而用於LSR或熱塑性塑膠的成型。為採用ACH Solution公司的計量泵而在傳統的螺桿上加工LSR，這種料筒編碼軟體禁用螺桿旋轉，這樣，它就可以像活塞一樣工作，根據料筒的直徑調整注射壓力和注射量。
自2020年底推向市場以來，該微注射單元被用於在採用閥式澆口的32腔冷流道模具中成型醫療器械的連線件。這些精緻的部件長1。7mm，直徑0。9mm，32個部件加起來只有16mg重。該注射單元在一臺全電動、無拉桿的Engel e-motion 50/30 TL注射機上執行，ACH Solution公司的LSR計量泵為其供料。一臺Engel viper 6線性機械手取出部件並將其放到傳送帶上接受基於攝像頭的質量檢測。