微制造的机遇与挑战

作者：张宪 编译    来源：《工具展望》

欢迎访问e展厅 展厅 12 其它金属加工设备展厅 喷丸强化设备, 缩管机, 铆接机, 倒角机, 拉丝机, ... “微制造”是一个常见的行话术语，但它真的是一个具有成长性的行业吗？你将考虑进入这一行业吗？在本文中，专家解释了微制造的潜在效益、从事这一特殊制造方式所需的硬件条件以及随之而来的各种困难和挑战。 微成型（micromolding）加工是一种利基（niche）技术（或称“缝隙技术”——译注），用于注塑制造较大零件上的微细形貌和微型装置上的微小零件。上世纪90年代中期是微成型技术的起步阶段，少数几家富有远见的微型模具制造商将其作为一种可行的新的利基技术加以开发，使其开始得到快速发展。 虽然目前对于微型注塑零件还没有一个标准定义，但大多数人都同意，微型注塑零件应具有以下的一个或多个特征： （1）体积只有一颗塑料粒料的几分之一或重量仅为几分之一克； （2）壁厚小于0.127mm； （3）尺寸公差范围为0.0025～0.0050mm； （4）其几何形貌只有用显微镜才能观察到。 如今，由于有了微成型加工技术，随之出现了许多新产品。在基于美国的微成型加工技术的发展初期，总共只有2～3台微型注塑机可以达到人们认为足够小的注塑零件尺寸。而现在，微型注塑机的数量已经超过了30台。 2005年，位于美国马里兰州巴尔的摩市的全球技术评估中心（WTEC）在与美国国家标准与技术研究院（NIST）、美国国家科学基金会（NSF）、美国能源部（DOE）和美国海军研究院合作开展的一项全球范围的研究中，描述了微制造对于美国所具有的重大价值： （1）它是一种使能技术，可广泛应用于纳米科学和纳米技术的开发，能够成为连接纳米世界与微米世界的桥梁。 （2）它是一种颠覆性技术，将完全改变我们关于制造产品的方式、时间和地点的传统观念。例如，它可以在医院的手术室或军舰的甲板上进行现场的“应要求制造”。 （3）它是一种转化技术，可以将少数人掌握的制造能力再分配给更多的人——微制造将变成一种家庭手工业。 （4）它是一种战略性技术，能够通过减少资金投入、节约空间和能源成本、改善便携性和提高生产率而增强美国的竞争优势。 医学工程产品市场显示出了巨大的发展潜力，设备制造商每年都要花费40亿美元用于新产品的开发生产，而这些新产品大部分都是具有微小形貌特征的微尺寸零件。这些微型零件本身可为整形外科、心脏病学和神经病学的应用提供具有最小尺度的微创治疗技术。用于装配这些医疗仪器的微型注塑零件必须比采用常规切削和注塑加工方法制造的零件更小、更轻、具有更优良的物理性能。 通过寻求针对以下技术挑战的解决方案，微成型加工系统可以将OEM零件制造商承受的失败风险减至最小。 微成型加工的原理研究 目前对于微尺度下的基本物理学原理的理解还相当有限，而掌握这些原理对于开发可靠而有效的微型模具是必不可少的。虽然在该领域已经进行了许多研究工作，但为了进一步完善微注塑加工软件、材料规格、可靠性模型和制造微型零件的仿真模型，仍然需要完成大量的研究工作。 仿真模型研究（如模流分析、有限元分析和实验设计分析）通常用于解决微成型工艺故障。由于模具结构和工件极其微小，用于常规或宏观模塑加工的快速、可见的人工干预反馈链在微成型加工中已变得不可行或不经济。 工件搬运/静电干扰 由于微型注塑零件的尺寸极其微小，因此工件的搬运就成为一个极具挑战性的任务。许多微型模具制造商利用侧浇口流道将微型工件从一个位置运送到另一个位置。如果工件无法采用侧浇注方式，则可相应地采用特制的机械臂端工具、真空吸附系统、卷轴式拾取设备和铝塑包装来搬运工件。静电干扰是令微型模具制造商最为头痛的一个问题。如果工件收集系统、机器人、包装系统和检测系统不能使工件正确落位，这些小如微尘的工件就很容易丢失。静电枪、静电棒、气帘和底垫等都是微成型加工中的常用设备。 微型模具加工刀具的制造 制造微型刀具需要采用相应的微尺度加工工艺。目前此类工艺包括激光加工、化学铣削加工、电火花蚀刻/线切割加工、超声加工、等离子加工、CNC数控加工、电化学加工、照相化学加工等。 虽然上述加工方法都已被使用，但目前X射线成像加工和离子束加工还未在模具加工中被普遍采用。随着微加工在全球范围被日益广泛地接受，这两种加工技术的重要性将日益显现。 高速微铣削加工的一个缺点是加工时产生的高热可能会在工件中引起微裂纹，从而导致钢模失效。采用激光束在铣削加工前和加工中对工件材料进行预热，有可能减少因高速加工而引起的工件裂纹。位于美国新泽西州New Brunswick的Rutgers Engineering公司目前正在对其作用机理进行研究。 离子束加工是另一种能够制造出某些最小尺度微细形貌的加工工艺。该工艺可利用聚焦离子束轰击整体刀具毛坯而刻蚀加工出亚微米级的刀具形貌和100纳米的刀尖圆弧半径。该工艺还能与化学加工方法结合使用，以提高材料去除率。 电火花蚀刻加工（EDM）是一种应用广泛的无应力加工方法，但其加工速度较慢，并且需要经过两个步骤：第一个步骤是制造电极；第二个步骤是用电极烧蚀加工刀具。线切割（Wire EDM）的加工速度则较快，采用最细的电极丝可以加工出小至0.01mm的刀尖圆弧半径。但对于大部分工件而言，线切割的应用仅局限于贯通形状的加工和二维加工。 表 各种微加工方法的加工能力 加工方法：高速铣削加工－电火花加工－线切割加工－X射线成像加工－离子束加工 最小结构尺寸(μm)：50－5～10－15～20－/－＜0.1 表面光洁度Ra(μm)：1－0.2－0.05－/－0.04～0.15 内圆弧半径(μm)：50－＜10－～15－/－0.01 深宽比：100～150－～20－100～150－100－10 缺点：热裂纹－材料去除率低－只能加工贯通形状－模具制造商正在学习过程中－模具制造商正在学习过程中 在许多情况下，最佳的选择是综合应用上述微加工方法。许多微型模具制造商和普通模具制造商面临的挑战是如何将这些加工技术组合在一起，以制造出坚固耐用的钢制模具，使其能够承受30000psi（207MPa）的注塑压力并对磨蚀材料具有长期耐磨性。微型模具的芯型梢直径可小至0.076mm，比人的头发丝还要细，但它们仍然需要像常规模具那样使用5～7年。因此，在项目资金使用计划中必须考虑微型模具备件的维护保养费用。 毫无疑问，进入微成型加工行业的主要障碍来自于微型模具本身。进行微成型加工必须具备精度极高的微型模具，即要求模具本身在分型线上型芯相对于型腔的误差极小。对于许多薄壁零件和/或微小形貌零件的加工，要求型腔相对于型芯的误差不能超过5µm。如果达不到如此高的精度水平，工件将不能均匀一致地注塑成型，聚合物过早硬化将使工件充模不全。由于零件在注塑成型中和成型后的收缩量非常小（相对于零件尺寸而言），加工出的塑料零件与钢模型腔几乎完全相同。 在常规加工设备上采用非常规加工方法是在钢模中加工微小几何形状的途径之一。美国华盛顿大学的Folch实验室开发出了一种独出心裁的三维形状加工方法，称为“微型可调模具”。采用该方法可以制造出各种微型结构，其中许多结构是采用其它方法根本不可能制造出来的。该方法的基本概念是制造出微形貌（带弹性膜的型腔），这些型腔能通过有选择性地施加压力而分别产生不同的变形（调整）。利用这种工艺方法，可以从一个模具中复制出许多相同的型腔。 尺寸适当的注塑机 微型注塑零件的浇口和流道系统占到总注塑量的75％（或更多）的情况是相当常见的。许多模具制造商试图使用尺寸较大的注塑机进入微成型加工市场。为了实现对微型零件成型工艺的正确控制，使用尺寸适当的注塑机是至关重要的。由于模腔内很小的注塑件要承受较大的热应力，因此不推荐使用常规尺寸的注塑机进行微成型加工。 全球技术评估中心（WTEC）对微制造的研究表明，目前在微制造中所使用的工艺方法和设备范围很广，很多微尺度的工件或产品是利用现有的宏观尺度或缩减了尺寸的精密制造工艺和设备制造出来的。但是，这种制造方式在每一加工循环中所能去除、增添和成型的最小材料量以及可达到的精度水平方面显然存在许多困难。 测量/检测技术 用于测量尺寸极小的微型注塑零件的检测方法需要使用特制的虎钳、镊子和夹具。例如，某微型注塑零件检测站的测量设备包括一台带Prior H-101型XYZ机动工作台的奥林巴斯BX-41型光学显微镜、一台数据处理用PC机和一台可摄取高分辨率图像的Lumenera LU125型CMOS单色相机。对检测用钢件的测量通常可提供一个平直而坚固的表面，该表面可用非接触测量方法（某些情况下也可用接触测量方法）进行测量。这些与制造注塑零件相同的表面能用于在重复性和再现性上比在微型注塑零件上尝试进行同样的对应测量要求严格得多的尺寸验证。首件检测需要耗费大量时间——如果不比整个模具制造和微成型项目所花时间更多的话——的情况并不少见。 质量认证 微型零部件制造商和微型模具制造商都需要相互类似的检测仪器，这些仪器具有相同的夹持机构，可用于检验微型零部件的尺寸公差。从用户到供货商，在对测量系统的重复性和再现性进行评价（Gage R&R）时，都需要采用完全相同的夹持方法和精确的检测方法，以重复再现亚微米级的公差检测结果。目前只有几个机构提供的检测设备能够达到亚微米级公差的检测能力。很明显，为了保证测量的重复性，检测工作必须在具备空气过滤控制的超净计量室中进行。虽然在宏观零部件（尤其是医疗设备用零部件）的制造中，要求对图纸尺寸和公差的测量能力指数Cpk达到1.33或更高也是相当常见的，但在考虑Gage R&R（测量重复性和再现性）和Operator R&R（操作重复性和再现性）时，对于0.0025mm的公差要达到1.33Cpk的测量能力则几乎是不可能的。 试验/标准化 对于宏观尺度的常规注塑成型加工已经进行了大量研究开发工作，如采用张力试验、悬臂冲击杆试验、螺旋流动模具等各种试验工具对宏观零部件成型的模流方式和物理特性进行预测和理论分析。但是，已建立的这些技术标准并不适用于微成型加工，因为在微成型加工中，注塑材料的熔体粘度会发生变化，使材料要承受额外的剪切应力以及极高的注塑压力和速度，所有常规成型加工的规律和预测参数值都将发生变化。 此外，在微成型加工中，许多聚合塑料的表面特性显得特别重要，因为这些微型工件实际上几乎没有壁厚。目前，有几个实验室和大学正与美国材料试验协会（ASTM）和美国国家标准与技术研究院（NIST）一起开展研究工作，制订适用于微尺寸工件的技术标准，这对于微型零部件的预测、检验和质量认证将非常有用。 微制造技术的未来发展趋势 对于微成型零件发展前景的粗略展望显示，完全可能出现微制造技术水平的新飞跃。现在的微成型零件都是采用“自顶向下（top-down）”方式来制造，即通过去除材料制成钢模，然后用模具制造微型工件。而在将来，则可能采用新的“由底向上（bottom-up）”方式来制造微型零件，即一个分子层一个分子层地构建出工件。将来，微型零件的制造将在全新的工厂里由身穿超净工作服的工人控制机器人操纵工件或以无人化制造方式来完成。 全球技术评估中心（WTEC）在德国斯图加特的Fraunhofer研究所进行的研究建立了微型工厂的范例。微型工厂的开发可采用两种方法：一种是“模块（modular）法”，即用多个模块部件组装而成；另一种是“桌面（table-top）法”，即采用缩微方式来获得微型零部件。(end)

文章内容仅供参考 (投稿) (2/18/2008)