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双组分粉末微注塑 三种专用工艺实现合而为一 |
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作者：Kunststoffe international 来源：PT现代塑料 |
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粉末注塑能实现复杂的金属和陶瓷物件的批量经济生产。多组分注塑通过不同材料的组合提供了多功能性。微注塑生产出具有（极）小尺寸的创新产品。把这三种专门注塑工艺组合在一起的目的是开发新颖产品和开辟新市场。作为所需二次加工较少的批量生产工艺，注塑是生产功能高度集成和尺寸稳定性强的复杂物件的经济性选择。
工艺技术的新领域
在多组分注塑中，不同的成型化合物实际上同时或者瞬间连续被注入到模具当中。这种工艺例如被用于生产轿车多色后灯或玩具上的可移动关节。微注塑需要专门的机器、材料和工艺参数，用于生产亚毫米到纳米级的物件。在粉末注塑中，成型的原料由一半粘合剂和一半金属或陶瓷粉末所组成。在成型后，粘合剂被清除，绿色盒被烧结形成紧密的物件。这三种专门工艺的每一种对加工者都提出了特别的要求。将工艺组合起来意味着进入了技术新领域。
德国Karlsruhe研究中心（FZK）材料研究院的工艺开发和试验技术部门成功解决了这项任务。陶瓷与不同导电体的混合，以及磁性软体与非磁性钢的组合，被接合到一起，形成双组分的微型物件。陶瓷材料导电性的不同由材料成分的性能所引起 — 绝缘性三氧化二铝（Al2O3）作为基材，而导电性氮化钛（TiN）是作为填充物。依靠双组分微型粉末注塑，为多功能物件开发出了多功能物件，能防化学腐蚀和承受极端的热学压力。作为示范物，一个加热针被开发出来（图1）。该加热部件被设计得具有更大的抗电性。成型是在德国Ferromatik Milacron机器有限公司的K50-S-2F型双组分注塑机上完成的。
图1. 烧结而成的双组分加热针和纯氧化铝的生料
材料的选择和混合
陶瓷微型物件的注塑需要一种混合适当的成型材料。为此，粉末与一种粘结剂被尽可能均匀地混合，来形成原料。粉末颗粒被粘合剂所润湿，以形成可注塑的化合物。经常用到了含有石蜡或硬脂酸盐等添加剂的聚烯烃粘结剂。
为做出烧结后具有不同导电性的陶瓷材料，粉末状混合物由导电性粉末和非导电性粉末制成。在混合均匀的条件下，可以假设导电性混合物是任意分布在非导电性成分当中。一旦导电性成分超出了极限值（极限浸透值）在导电性粉末颗粒之间有足够多的接触点，陶瓷就变得可导电了。当导电性陶瓷所占比例进一步提高时，导电性也就增加了。所以通过选择混合比例，导电性就能被调节了。
为了混合加热针用的材料，Al2O3粉末和TiN粉末的混合物与聚烯烃粘结系统被挤出。为了形成导电性弱的第一种成分，体积比例为40%的TiN被添加到非导电性陶瓷（Al2O3）当中。为了形成导电性弱的第二种成分，体积比例只有27%的TiN被添加到陶瓷当中。
所形成的物件质量既由成型化合物的流动性决定，也由原始强度所决定。微型物件有着较高的表面/体积比值。所以原料必须能实现良好的填模。在物件脱模时，摩擦力作用与物件体积有很大的关系。而且，原料通常被高度填充，所以与热塑性材料相比具有较低的皱缩和降低的强度。较高的原始强度使得从模腔中取出物件更为容易，而不会造成损伤。这是受到粉末含量和颗粒大小所影响的。粘结剂系统可以被调整，来提高原始强度。
在多组分注塑中，把两种陶瓷成分的皱缩性配合好是特别重要的，这样在烧结时焊缝不会开裂。
模具结构
在微型注塑中，模腔区域内小心地保持制造公差在几个微米之内是极为必要的，从而注塑时生料上不会有飞边。修整过的表面有助于脱模不出现变形。
图2. 可拉伸棒模具嵌件的显微图
除了图1所示的加热针以外，还做出了一个截面积为0.4×0.4mm2的可拉伸棒样板用到的模具嵌件，测试长度为12mm（图2）。可拉伸棒样板（图3）用于了对不同材料组合的接合强度的更精确测量。对单组分和双组分测试样板的研究是为了提供有关尺寸细微注塑陶瓷件的材料性能的信息。
图3. 生料和烧结而成的可拉伸棒，左为纯Al2O3材料，中间为Al2O3/TiN
混合陶瓷的单组分，右为不同Al2O3/TiN混合陶瓷的双组分
以物件和测试样板的形状为基础，可以避免复杂的转台概念。在目前的模具概念中，模腔被滑块所分开。为了控制模具温度和模腔的排空，有必要规划必需的设备来占据最小的空间。针对每个周期，必须克服达120℃的温度差别。为了实现局部的快速加热，并且模具嵌件长度上的温度变化率小，模具嵌件与模具其它部分是热绝缘的。
变化工艺过程的可能性
在加工原料时，注塑、脱粘和烧结对最终产品的质量有着明显的影响。为获得高产率，稳定的过程窗口必须确保充分的填模和小心的脱模，随后是得到控制的脱粘和烧结。这是要借助于在微型注塑中很常见的操作的，例如可变的模温控制和模腔的排空。
根据两种原料成分粘接表面的大小，可以同时也可以依次地进行注射。为了避免接合面的变形，大面积或者轮廓明显的接合界面被依次复制出来。在依次的工艺流程中，两个模腔必须在注射第一种原料成分时互相分开，例如通过模芯拉杆，从而有可能如所需地在两个不同工艺中进行转换。同步注射为接合界面小的部件提供了通过变化两种成分（图4，POM材料）注射率来调节焊缝位置的可能性。焊缝的形成和两种熔体互相会合的位置和余压有着关系。
图4. 改变注射速率（POM材料）可以调节焊缝的位置
获得良好的接合强度与快速依次完成两个注射操作有着重要的联系。特别是高温和长久的保压过程对两种成分的相互扩散有着正面的影响。因此，同步注射能实现更好的材料接合。
在材料的注塑过程中，因为分开与喷射的可能性，注射速度高被证明是危险的。对后面物件的品质的负面作用可能出现，特别是在流向改变时或者浇口和模腔截面积突然增加时。所以设计者应当在模具设计阶段提供弯曲和截面的平稳过渡。弯曲也降低了拉力峰值，这是由脱模过程中部件边角处的弯曲所引起的。
在脱模后，小心处理生料是至关重要的。因为其强度与未填充部件或纤维增强热塑性部件相比较小，弯曲时没有开裂的风险，所以建议脱模之后马上固定好部件，如有可能有序地旋转在盒内，在这里面可以依次完成脱粘和烧结。
结果
对双组分可拉伸棒和加热针的研究表明双组分粉末注塑能把陶瓷成型混合物接合到一起形成物件。组合材料的混合性能可被调节，以控制烧结中的皱缩，从而在脱粘和烧结之后可以得到无歪曲的双组分物件。
陶瓷材料的双组分物件使用时的废品标准是它们的强度。特别是在微型尺寸时，在接合区域出现破裂的趋势很小。很难得看到焊缝。这个发现可以归功于所选的组合材料和小的接合界面，因为在物件宽度上只有较小的张力形成，所以不会出现局部问题。
对Al2O3/TiN混合陶瓷材料的加热针的首个加热测试证明了加热针的良好性能（图5）。受热区域含有比例小的导电性TiN陶瓷，使导电性良好。获得了3.5A的电流和4.5V的电压。
图5. Al2O3/TiN混合陶瓷的加热针，受热区域
含有较低比例的导电性TiN陶瓷
展望
通过对不同混合物进行拉伸和弯曲测试，以及变化工艺参数，仍然有待于完成焊缝强度的精确确定。可以确定的导电范围也应当更为确定地被测试。为了持续地发展这种技术，Karlsruhe研究中心正寻找这种技术的其它应用，特别是针对陶瓷、塑料或金属材料的微型精密物件的双组分注塑。
原载《国际塑料商情》(end)
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| 文章内容仅供参考
(投稿)
(11/5/2006) |
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