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隨著產品微型化趨勢的發展，從智慧型手機中的連接器、醫療器材中的聽診器配件，到光纖通訊設備中的精密零件，微型元件在我們的生活中扮演著越來越重要的角色。這些體積微小卻功能強大的零件，需要高精度、高效率的製造技術來支持，而微型射出成型技術正是支撐這場微型化革命的核心製程。
這項技術的發展可以追溯到80年代末期，當時業界開始嘗試將傳統射出成型的概念應用在微型零件的製造上。然而，受限於當時的設備技術，製造商只能改裝傳統射出成型機來進行生產。直到90年代中期，專門針對微型零件開發的射出成型設備才開始出現，為這項技術帶來突破性的進展。 微型射出成型之所以在製造業占有重要地位，主要歸功於其三大優勢：首先是具備大規模生產的能力，可以大幅降低單件製造成本；其次是材料選擇的多樣性，從工程塑膠到高性能複合材料都可以應用；最後則是其優異的微觀特徵複製能力，可以精確地製造出微米級的細部結構。
然而，要將這些優勢充分發揮，製造商必須克服諸多技術挑戰。比如說，當零件體積縮小時，材料的流動行為會產生顯著變化，傳統的製程參數可能不再適用。此外，模具設計、製程控制、品質檢測等各個環節都需要更精密的技術來支持。正是這些挑戰推動了微型射出成型技術的持續創新，使其發展成為現今精密製造領域中不可或缺的關鍵技術。
「微型」的定義
微型射出成型雖然承襲了傳統射出成型的基本原理，但在製程要求和技術規格上有著顯著的區別。一個典型的微型射出零件通常重量僅有幾毫克，尺寸公差需要控制在微米範圍內，有些特徵的尺寸甚至必須達到次微米等級。一個用於醫療設備的微型零件，其壁厚可能只有10微米，而表面粗糙度要求可能要優於0.05微米。
產品的深寬比
在製造這類微型零件時，我們需要特別關注零件的深寬比。所謂的深寬比是指零件最長尺寸與最短尺寸的比值，這個參數直接影響著成型的難度。而深寬比的極限值與多個因素相關，包括零件的幾何形狀、在樣品上的位置、所選用的高分子材料種類，以及製程參數的設定。以目前的技術來說已經能夠成功製造出具有0.2微米結構細節的聚合物零件，這展現了微型射出的精密程度。
在微觀尺度下，一些在傳統射出成型所遭遇的問題會變得更為嚴苛。例如”遲滯效應”，這種現象在具有不同厚度的射出成型零件中特別明顯。當高深寬比的微結構置於相對較厚的基材上時，熔融的塑料會優先流向阻力較小的較大橫截面區域，而在微結構入口處出現停滯。這種效應可能導致微特徵在基材充填完成前就已凝固，造成微特徵根本沒辦法成型。
因此，在設計具有高深寬比微結構的零件時，需要確保基材厚度適中，使其能在微腔凝固前快速完成充填。同時，在單向流動的情況下，微通道的填充深度與通道寬度之間也存在敏感的相關性，這些都是設計時需要仔細權衡的因素。
核心參數與策略
模具溫度和熔體溫度是最基礎的控制參數。由於微型零件的表面積與體積比很大，材料在模具中的冷卻速度極快。即使聚合物材料本身具有較低的熱傳導係數，注入的材料仍會在毫秒級的時間內適應模具溫度。因此通常會採用較高的模具溫度和料溫來確保充填完整性。
在微型射出成型中，材料會經歷極高的剪切速率，這會影響材料的流變行為，這種現象在微型射出成型中特別明顯。隨著剪切速率的增加，熔體黏度會降低到低於材料規格標稱值的水平，對於本身脆弱的微小件來說，會造成最終產品脆性提升強度降低，因此進澆口的設計、射出速度和壓力的配比十分重要。
我們在一般對於射出成形的保壓控制來說，一般都是為了最後於外觀上增加飽和度，在傳統零件中，基本上只要針對壓力大小調整就好。但在微型射出中，稍微太高的保壓，會直接增加產品內應力，甚至造成澆口碎裂而無法取出，所以較好的方案是延長保壓時間，讓材料在較低的壓力下有充足的時間補償收縮。
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成型設備與模具技術
現代微型射出機已經遠遠超越了早期改裝傳統射出機的情景。目前市面上的主流設備可分為兩類：一類是為傳統射出成型機開發的微射出單元，如Ferromatik Milacron的雙階段注射單元和14mm螺桿的全電動注射單元；另一類則是專門開發的微型射出成型機，如Wittmann-Battenfeld的MicroPower系列。
以Wittmann-Battenfeld MicroPower為例，這種全電動生產設備採用了模組化設計，其塑化系統使用14mm的擠出螺桿，配合5mm的活塞進行注射，最高注射速度可達750mm/s。這種設計不僅能處理所有可注射的材料，射出量最高可達3立方厘米，而且能確保熔體的均勻性，從而保證微型零件的品質。
在模具技術方面，由於零件體積小，模具設計必須特別注意排氣系統的配置。當模穴中的微特徵小到無法通過傳統的分型面或排氣孔進行排氣時，就需要開發專門的排氣系統。所以一般情況建議採用真空輔助來解決這個問題。
相比於排氣問題，模具的溫度控制才是一大挑戰。對於微小薄壁產品，基本上一定會需要較長的冷卻時間，但如此就會降低生產效率。所以對於微型射出，模具的溫度均勻性極為重要，熱流道系統甚至使用多迴路溫控效益顯得十分龐大。
微型射出常用哪些材料
目前微型射出成型最常用的材料包括聚甲醛(POM)、液晶高分子(LCP)、聚碳酸酯(PC)、聚醚醚酮(PEEK)等。以POM為例，它適用於製造微型齒輪和微型過濾器，主要由於其優異的尺寸穩定性和機械性能。而LCP則因其極低的黏度和優異的剪切變稀性，成為製造連接器和微電子元件的理想材料。
在結晶性高分子的應用中，研究者觀察到了一個有趣的現象：微型零件的結晶形態與傳統尺寸零件有明顯差異。傳統零件通常呈現”皮芯”結構，但在微型零件中，由於極高的流動應力和冷卻速率，結晶形態在厚度方向上趨於均勻，形成了流動誘導結晶的結構，這種形成具有特定取向的結晶結構，可能提升機械強度和耐磨性能。因此在醫療設備、電子元件等領域，微型零件需要具備高強度、尺寸穩定性和耐用性，而流動誘導結晶結構的形成可能正好滿足這些需求。
不過雖然微型射出在結晶上本身有加強結構強度的優勢，但並非效益非常大，因此針對這種微小件的性能研究還是十分重要。不像傳統的射出產品能透過填充物，如玻璃纖維或碳纖維等來顯著提升材料強度，微型件由於尺寸限制難以應用之。不過納米複合材料的發展為微型射出成型帶來了新的可能性。納米填料如剝離clay片、聚合物籠型倍半矽氧烷(POSS)和碳納米管則展現出良好的應用潛力。例如，添加氧化鋅納米陶瓷材料可以將耐磨性提高70%，前提是納米粒子能均勻分散且選用適當的表面活性劑溶劑。
哪些品質該做管控
微型射出的產品尺寸都十分細緻，任何製程的不穩定造成的影響都非常巨大，對於微射出的產品來說，品質管控一定是不可省略的項目。
模穴壓力監控是其中重要手段，較高的注射速度會降低壓力功，而較低的模溫則會降低壓力上升率。一些先進的製造商使用基於壓力-體積-溫度(PVT)行為的控制系統，能夠實時控制注射和保壓階段的腔壓曲線。這種系統不僅能夠平衡製程擾動，還能夠補償熔體和模具溫度變化對零件質量的影響，對於微細零件的把控十分精準。
另外在實際生產中，相比大型產品，微射出由於表面積與體積比增大，製程穩定性會受到模具表面品質的影響。模具表面粗糙度與熔體流動的紊流程度之間存在關聯。因此對於模具品質的要求會需要提升。
發展與願景
微型射出技術的應用除了傳統的電子和醫療領域，這項技術在微流體器件、光學元件和能源裝置等新興領域也展現出巨大潛力。特別是在微型醫療器械方面，隨著精準醫療的發展，對微型植入物和診斷設備的需求將持續增長。
整體來看，微型射出成型技術仍處於發展階段。隨著新技術、新材料和新應用的不斷湧現，這項技術將在推動產品微型化方面發揮更重要的作用。然而，要實現這些潛力，需要產學研各界的持續努力，在基礎研究和實際應用之間建立更緊密的聯繫。
