醫(yī)療器械、電子產(chǎn)品和生物制藥制造商需要更新的微型注塑產(chǎn)品來(lái)制造更小更節(jié)省空間的微型設(shè)備。微型注塑組件可以小到灰塵點(diǎn)那么大。

微注塑部件

微注塑技術(shù)的許多新進(jìn)展使得微型模具的設(shè)計(jì)和制造成為可能，從而使熱塑性塑料、硅酮和金屬粉末的微注射成型成為可能。這個(gè)計(jì)算促進(jìn)了世界范圍內(nèi)微創(chuàng)醫(yī)療和藥物微型設(shè)備的發(fā)展。本文介紹了微器件和組件成型成功的許多主要因素和所面臨的挑戰(zhàn)及解決方案。

微注塑面臨的挑戰(zhàn)

大多數(shù)微型產(chǎn)品都是從某種程度的極端挑戰(zhàn)開(kāi)始的。它們通常是市場(chǎng)上類(lèi)似產(chǎn)品的縮小版本。微型組件變得越來(lái)越復(fù)雜，因?yàn)樗鼈冃枰惭b在細(xì)小而精密的動(dòng)脈、泵、導(dǎo)管或內(nèi)窺鏡中，內(nèi)部可能還有需要工作的微型組件。它們通常具有挑戰(zhàn)性的幾何結(jié)構(gòu)，因?yàn)樗鼈冊(cè)?jīng)被設(shè)計(jì)為兩個(gè)或多個(gè)組件，但迫于成本壓力減少到一個(gè)組件，這樣就不必在顯微鏡下組裝。

這些裝置可能需要直接與聚合物、金屬或膜復(fù)合或添加到其中的藥物，并且?guī)в泄ぷ鼾X輪、杠桿和驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)，以使裝置重復(fù)工作并具有可靠的壽命。考慮到這些功能，以及這些設(shè)備可以直接植入人體的要求，以穩(wěn)健的方式開(kāi)發(fā)這些設(shè)備并對(duì)其形狀、配合和功能進(jìn)行良好的測(cè)試是非常重要的。

微注塑流動(dòng)模流分析

由于微型模具和原型零件在其開(kāi)發(fā)周期中成本高昂，微型模具流動(dòng)模擬分析能夠提供一個(gè)基于特定設(shè)計(jì)的填充預(yù)期模擬。在比較傳統(tǒng)成型和微成型零件時(shí)，一個(gè)非常普遍的假設(shè)是，微零件可以用相同的軟件和相同的建模方法填充。

例如，流動(dòng)分析涉及典型的500微米澆口與通過(guò)75微米澆口的模擬流量會(huì)非常不同。

主要的不同之處在于，帶有微澆口的部件在通過(guò)小孔口時(shí)會(huì)產(chǎn)生更多的剪切感應(yīng)熱。因此，實(shí)體模型網(wǎng)格必須具有極高的分辨率，以確定澆口和薄壁區(qū)域中發(fā)生的情況。模具流動(dòng)模擬中使用的實(shí)體模型網(wǎng)格需要幾微米的尺寸的網(wǎng)格，而零件中則需要數(shù)十微米的網(wǎng)格。

微注塑模流分析網(wǎng)格

微型模制組件的澆口必須適當(dāng)調(diào)整尺寸，以免對(duì)進(jìn)入型腔的材料產(chǎn)生過(guò)大的熱應(yīng)力。對(duì)于熱敏感材料，如生物可吸收和生物制藥聚合物，必須了解炮筒、噴嘴和熱流道中的材料滯留時(shí)間與注射過(guò)程中可能傳遞給材料的附加熱量的關(guān)系。

有時(shí)，材料會(huì)驅(qū)動(dòng)工藝選擇，有時(shí)，工藝也會(huì)驅(qū)動(dòng)材料選擇。一些常用的微成型材料有PEEK、PLA、PGA、LSR、聚乙烯、聚丙烯、聚碳酸酯、LCP、PMMA、環(huán)烯烴共聚物（COCs）和不銹鋼（金屬注射成型）。

模具

當(dāng)產(chǎn)品設(shè)計(jì)和材料選擇確定之后，就到了制作微型模具的時(shí)候了。無(wú)論材料是熱塑性材料、硅樹(shù)脂還是金屬粉末，模具都是成功的最關(guān)鍵的組成部分。由于產(chǎn)品和模具太小（如下圖所示），尺寸的公差也會(huì)變小，模具任然必須達(dá)到零件公差的25%，才能提供良好的加工窗口。

產(chǎn)品公差為±0.01mm，模具公差必須為±0.003mm，才能實(shí)現(xiàn)良好的工藝窗口。這樣的公差對(duì)于普通模廠來(lái)說(shuō)是很難達(dá)到的，原因主要有兩個(gè)：

1. 它們不能測(cè)量±0.003mm的尺寸，因此無(wú)法驗(yàn)證。

2. 缺乏達(dá)到這些公差的設(shè)備或技能。

微注塑產(chǎn)品

流道

在自動(dòng)化裝配操作中，可以將其用作手柄來(lái)固定零件，或者在流道中添加特殊的定位點(diǎn)來(lái)幫助我們?cè)谘b配嵌套中定位工件。

分模線(xiàn)

微注塑模具的分模線(xiàn)與微型零件的尺寸有關(guān)。分模線(xiàn)上10微米級(jí)別的差異就可以很容易地破壞產(chǎn)品的裝配。

脫模斜度

脫模斜度當(dāng)然越多越好，但最小也可以小到0.2度的錐度。這種錐度對(duì)于注塑零件來(lái)說(shuō)，處理起來(lái)都會(huì)很麻煩。將微型零件放在錐度上，會(huì)產(chǎn)生一個(gè)不規(guī)則的表面，從而影響裝配。

澆口位置

和普通注塑模具一樣，微注塑模具選擇澆口位置的目的也是保證在型腔中產(chǎn)生均勻的塑料流動(dòng)。否則，零件可能無(wú)法充分填充，并可能損壞模具中精密的銷(xiāo)和型腔部件。

澆口殘留

大多數(shù)微成型零件都會(huì)使用邊緣澆口。如果是這樣的話(huà)，他們需要適當(dāng)方式的去除澆口，以避免小材料的問(wèn)題造成動(dòng)脈損傷（植入設(shè)備）或引起自動(dòng)化和裝配問(wèn)題。在模具設(shè)計(jì)中，可以通過(guò)在壁厚上放置一個(gè)凹坑來(lái)解決這些問(wèn)題，這樣澆口殘留將會(huì)被設(shè)計(jì)在組件中的導(dǎo)軌或配合部件的表面之下。

表面光潔度

通常被忽略的是，在裝配過(guò)程中，模具零件的表面光潔度對(duì)于將特征固定或引導(dǎo)到其他特征中非常重要。例如，一些產(chǎn)品為何實(shí)現(xiàn)更好的粘合，需要較為粗糙的表面。光滑的表面可能會(huì)產(chǎn)品從模具中頂出時(shí)的一系列問(wèn)題，需要折衷考慮。

注射成型工藝

由于微型注塑產(chǎn)品的精度往往在數(shù)微米范圍內(nèi)，在注塑件中實(shí)現(xiàn)良好的尺寸重復(fù)性存在若干挑戰(zhàn)。在模具鋼（半徑小于1微米）中制造出漂亮的尖角和空腔是一回事，而用聚合物填充這些微小的空間則是另一回事。微型模具需要適當(dāng)?shù)耐L(fēng)，有時(shí)需要使用非常薄的層壓板來(lái)實(shí)現(xiàn)適當(dāng)?shù)呐艢夂图饨翘畛洹?

微成型零件中的典型注射壓力在30000到50000 psi之間，這需要一個(gè)微妙的平衡動(dòng)作，以在適當(dāng)?shù)膲毫ο绿畛洌粫?huì)損壞細(xì)小的、發(fā)絲細(xì)的芯銷(xiāo)。具有極薄壁（0.001-0.0015英寸）的灰塵斑點(diǎn)大小的零件需要穿過(guò)分模線(xiàn)的極端型腔到型芯的對(duì)齊精度。

如果聚合物在非填充條件下冷卻，或者如果零件在一側(cè)填充得比另一側(cè)多，則很可能會(huì)發(fā)生微芯銷(xiāo)損壞。通過(guò)在短時(shí)間（通常<0.1秒）和高壓下快速填充，可以克服這一挑戰(zhàn)。

大約有十幾家專(zhuān)門(mén)為微成型而定制的注塑機(jī)制造商。微型成型機(jī)必須能夠注射非常小的膠量，并保持塑膠在炮筒滯留時(shí)間到最低限度。這對(duì)于具有高剪切性和熱敏感性的可生物吸附聚合物（PLA、PGA）尤其重要。還需要專(zhuān)門(mén)的螺桿、噴嘴和輔助設(shè)備，以提供填充、搬運(yùn)、脫模、測(cè)量和組裝這些微小裝置的精度。

裝配和搬運(yùn)

將幾何圖形組合成最小數(shù)量的零件用于微裝配是非常值得努力的設(shè)計(jì)工作，因?yàn)槟萌∷鼈儯瑢⑺鼈冄b配到嵌套中，并將它們連接到類(lèi)似或不同材料的其他零件可能比在設(shè)計(jì)階段預(yù)先花費(fèi)時(shí)間要貴得多。

二次微成型

將兩種不同的材料注射到兩個(gè)不同位置的模具中，或使用旋轉(zhuǎn)模具在同一位置注射兩種不同的材料，實(shí)現(xiàn)一種組合幾何和材料的工藝。例如，如果泵的活塞需要密封或硅膠墊圈，則在與活塞相同的模具中將墊圈二次成型為o形環(huán)槽比將o形環(huán)裝入精密機(jī)構(gòu)、用剪刀夾住o形環(huán)并將其放置在活塞上更容易。

激光焊接

如果三維幾何結(jié)構(gòu)不能通過(guò)二次成型進(jìn)行組合，并且材料強(qiáng)度允許，激光焊接是連接微型部件的很好的方法。精密控制激光能量和功率密度也可用于快速、無(wú)損地選擇性清潔和剝離金屬絲等材料。

超聲波焊接

超聲波焊接也能有效地連接熱塑性塑料和相容金屬。由于強(qiáng)焊接所需的能量極低，因此微型部件需要專(zhuān)門(mén)的低能量助推器和超聲波發(fā)生器。

溶劑鍵合

這通常被用作連接微型組件的快速、低資本投資方法。所選的溶劑必須與所粘合的材料相容，特別是當(dāng)組件用作植入應(yīng)用時(shí)。使用溶劑鍵合來(lái)加速高容量組裝過(guò)程是比較困難的，因?yàn)檫@種方法不容易實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化和重復(fù)生產(chǎn)，而且在高容量范圍內(nèi)難以驗(yàn)證。

鉚接

微鉚接是連接聚合物和金屬部件的一種非常廉價(jià)的方法。例如，在電池罐中，壓接或鎖緊是一種非常常見(jiàn)的做法，可以產(chǎn)生良好的密封，防止腐蝕性液體從電池容器中逸出。廉價(jià)的漸進(jìn)式?jīng)_壓模具使一種適度快速的方法可以通過(guò)將一種材料加壓“折疊”成另一種材料，將聚合物和金屬鉚接在一起。材料批次間的差異和變化可能是這種方法的一個(gè)缺點(diǎn)。

測(cè)試

自動(dòng)化微裝配系統(tǒng)的一個(gè)重要方面是測(cè)試，例如導(dǎo)電性、泄漏或壓力衰減以及爆裂強(qiáng)度。有些是破壞性的，有些是非破壞性的測(cè)試。確定最終裝配或子裝配是否正常工作的最佳方法是，對(duì)組成裝配的每個(gè)組件保持生產(chǎn)過(guò)程控制。

每個(gè)部件的統(tǒng)計(jì)驗(yàn)證和組件的重新驗(yàn)證都將能防止以后在自動(dòng)化單元中進(jìn)行昂貴的測(cè)試和檢查；但有時(shí)這些問(wèn)題可能也不可避免，特別是在植入式和關(guān)鍵藥物應(yīng)用中。

檢驗(yàn)計(jì)量

我們都聽(tīng)說(shuō)過(guò)“無(wú)法測(cè)量就無(wú)法制造”。在醫(yī)療和制藥設(shè)備中，關(guān)鍵部件可能關(guān)乎生死，這也意味著“無(wú)法驗(yàn)證就無(wú)法制造”。如果零件的制造始終如一并經(jīng)過(guò)驗(yàn)證，那么微觀檢驗(yàn)應(yīng)該是可以避免的。但是很少能夠完全100%保證。

在檢查微型部件和組件時(shí)，有許多方式和方法。有些可以通過(guò)高分辨率相機(jī)進(jìn)行檢查，以驗(yàn)證產(chǎn)品的特征或表面光潔度。有些需要三維激光掃描來(lái)驗(yàn)證一些關(guān)鍵尺寸。還有一些需要高速攝像機(jī)來(lái)顯示粉末或液體的配藥是否已經(jīng)達(dá)到了正確的劑量。