从材料选择、模具设计到组装，今天我们将要分享的是关于微注塑工艺的多项精密要求。

 

编辑医疗制造相关内容的商业出版物时，笔者发现微创手术是一个热门话题。听合同制造商说，客户经常会把这个问题挂在嘴边：“最小能做到多小？”那时，微型成型已经出现，不过还是一个相当小众的行业。伴随着医疗设备的体积不断缩小（电子电信产品和汽车零组件就更不用提了），微注塑的市场份额越来越大。Research and Markets最近的一份报告显示，全球微成型市场预计将从2020年的9.04亿美元增长到2025年的16亿美元，复合年增长率（CAGR）达11.8%。在笔者看来，这个估值比较保守。

 

正如微注塑商和他们的客户所言，微注塑不是简单地将注塑工艺应用于生产小型零件，不是说除了产品尺寸缩小之外就没有其他变化了。从宏观到微观，微注塑涉及很多因素，如材料采购、构造设计、零件组装（如有）。我们采访了Isometric Micro Molding公司的业务发展副总裁Donna Bibber，揭开了微注塑的神秘面纱。她知无不言，与笔者分享了自己的观点。

 

01

 

首先，对应微注塑的零件尺寸应该是多大？这个数值有固定标准吗？

 

微注塑有鲜有人知的工业标准定义，内容如下：

 

零件为塑料颗粒的一部分；

 

零件重量不足一克；

 

零件壁厚为0.005至0.015英寸。（125至375微米）；

 

单微米公差的零件或子组件，或导致单微米公差的叠加公差；

 

高长度-厚度（L:T）比或长度-直径（L:D）的长宽比。

 

零件最大尺寸6英寸，具有微观特征或单微米公差。

 

02

 

笔者看来，制造设计（DfM）在微成型中非常重要。它与传统成型的DfM有什么不同呢？

 

Isometric Micro Molding的DfM/DfA方法叫做Microns Matter，其中包括一张精确、详细介绍所有子过程的工艺图，图中标明了产品和装配的所有关键属性。这些子过程通常包括模具设计/制造、注塑成型工艺变量、量具R&R、多批次材料的差异，以及材料水分百分比范围。

 

虽然每个过程图都不同，但重要的是消除每个过程步骤中的公差百分比误差。例如，按照20%的公差建造模具，将80%留给其他注明的变量。

 

它在许多方面，都发挥着过程故障模式效果分析（PFMEA）和控制计划的作用。即使在报价阶段，这个过程也能用于详细介绍解决方案，便于我们技术娴熟、经验丰富的塑料工程人员开展初步风险评估。这样一来，我们设计的项目解决方案就已经通过了审核，成功概率就会更大。 

 

传统的DfM工艺通常不是为解决单微米的堆积公差而设计的，它们的主要目标是正负千分之几英寸的公差。通常来说，微注塑件的公差更为严格，壁厚更薄，在操作和包装时难度更高，因此，在审查所有工艺输入，以及它们将包含的公差的计划百分比时，标准应当更加严格。

 

03

 

模具设计在微型成型中的重要性指得强调。

 

那么能讲讲其中都有哪些难点吗？

 

模具设计和模具制造都有助于微注塑成型成功。Isometric共有七名全职模具设计师。在垂直整合的公司中，模具设计师是否具备丰富经验是模具能否制成的关窍。Isometric的模具设计师深知如何微加工零件特征只有人类发丝直径几分之一的模具。他们需要了解合理的刀具尺寸和深度，电火花加工中的过烧工艺，以及电火花加工或铣削是否能以最佳形态呈现出所需的特征和表面效果。这些技能和制造模具所需的技能几乎无法外包。谈到基准结构，无论是设计模具、为CT扫描仪编程还是自动化生产，都要做好模具设计和计划的工作，这样才能制出单微米公差的组件和部件。

 

04

 

那该如何选择材料呢？不同的材料在微成型应用中的表现也不一样，对吗？

 

不同材料在微注塑中的表现确实有差异，微型模具浇口直径产生的瞬时聚合物剪切力是产生这种差异的原因之一。微注塑件需要40000到50000磅/平方英寸的注塑压力，而填充时间只有0.01秒，这种情况并不罕见。如果流量平衡得当，瞬时但看似重要的剪切率有利于填充高长径比零件。

 

我们可以看一下Isometric拉力棒的图片[见下方]，拉力试棒的大小相当于键盘上的字母I。借助浇口、剪切效应，以及0.001至0.008英寸厚的拉力棒样品，Isometric仅需两到三天即可成型这些拉力棒，并推断生产模具所需的注塑成型参数，进而降低风险。这些拉力棒还能模拟将在生产中使用的浇口直径和浇口样式。

 

设计工程师可能会下意识地避免设计尺寸过小的零件，他们认为这些零件过于轻薄，不够“结实”，或者过于轻巧脆弱，无法发挥作用。在很多情况下，如果我们不清楚该如何挑选材料，或者相关知识已经过时，那么项目发展到后期就可能会功亏一篑。这些失败完全可以提早预防，也可以用微型拉力棒的经验数据来支持有限元分析（FEA）的理论数据，以加大监管力度。

来源：Medtec医疗器械设计与制造

关键词： 微注塑工艺