Машины для микролитья

Сравнительно молодая отрасль промышленности — микротехника обеспечила многочисленные научные и технические достижения последних лет. Особенно широкое применение она находит в медицине, фармакологии, лабораторной диагностике, биотехнологии и т. д.

Среди различных материалов, используемых в микротехнике, преобладают полимерные материалы благодаря их высокой технологичности, а среди производственных технологий преимущественно используется метод литья под давлением и горячая штамповка пленок. При производстве миниатюрных изделий действуют особые законы: если при обычных технологиях изготовления изделий из пластмасс на одно изделие расходуется как минимум несколько гранул материала, то в микротехнике из одной гранулы можно изготовить, например, более 20 миниатюрных изделий.

Один этот масштабный фактор уже определяет специфические требования к перерабатываемым материалам — например, они должны быть максимально гомогенными. Соответственно используемые литьевые машины и литьевые формы должны обладать особыми качествами и формироваться из узлов, разработанных и изготовленных с учетом специфики микромеханики при сохранении основных общих черт, присущих оборудованию и макрооснастке.

В настоящее время микролитье становится все более распространенной технологией. Машины, предназначенные для литья микродеталей, имеют две возможные конструктивные схемы исполнения узла пластикации и впрыска. С одной стороны, ряд производителей стремится довести традиционные конструкции литьевых машин до предела их технических возможностей при сохранении шнековой конструкции совмещенных узлов пластикации и впрыска. С другой стороны, если от изготавливаемых деталей требуются минимальная масса и высокая размерная точность, то прибегают к комбинации шнекового узла пластикации и плунжерного узла впрыска.

На первом месте среди требований к машинам для микролитья неизменно стоят повышенная точность регулирования заданных значений параметров подготовки расплава полимера, а также точность и воспроизводимость объема дозы впрыска. Оптимальным является процесс, при котором расплав находится минимальное время в материальном цилиндре узла пластикации и для каждого впрыска используется свежая доза гомогенного расплава.

Несмотря на то что речь идет о микродеталях, конструкции загрузочного бункера и узла пластикации должны обеспечивать возможность использования гранул стандартных размеров. Во избежание излишних потерь давления пути течения расплава полимера как в узле пластикации, так и в литьевой форме должны быть возможно более короткими. Для изготовления микродеталей особенно необходимы высокая параллельность подвижной и неподвижной плит узла смыкания форм и большая разрешающая способность системы измерения хода перемещений.

Ряд фирм в последние годы приступил к серийному выпуску разнообразных специализированных машин для производства микродеталей. Выпускаются машины с традиционным шнековым пластикатором (рис. 3.33, а). Для подобных термопластавтоматов характерны низкие значения усилий смыкания, малый диаметр шнека (до 14 и даже до 12 мм) и меньшее отношение его длины к диаметру. Минимальное значение диаметра шнека лимитируется принятыми в промышленности размерами гранул полимера.

Для обеспечения высокой точности подготовки дозы впрыска массой от 0,5 до 1,0 г машины для микролитья должны обладать точно регулируемыми гидравлическими устройствами, клапанами и насосами, подобранными в соответствии с требованиями работы в микрометровом диапазоне. При этом ббльшая размерная точность получается на машинах с полным электроприводом, однако.

Рис. 3.33. Схемы узлов пластикации и впрыска машин для микролитья эти машины отличаются более высокой стоимостью вследствие значительной цены сервоприводов.

Традиционная шнековая конструкция узлов пластикации и впрыска перестает удовлетворять требованиям к точности массовой дозы впрыска при ее значениях менее 0,2 г. Даже небольшие неточности (±0,1 мм) в положениях запирания обратного клапана или шнека диаметром 14 мм приводят к недопустимым погрешностям объема дозы впрыска. Кроме того, при небольшой длине хода шнека не достигаются высокие скорости впрыска расплава. В этом случае предпочтение отдается машинам с комбинированным узлом пластикации и впрыска, в котором механизм пластикации имеет шнековую конструкцию, а механизм впрыска — поршневую (рис. 3.33, б— г).

В этом случае малый диаметр поршня и соответственно его более протяженный ход при впрыске расплава способствуют тому, что погрешности его позиционирования в гораздо меньшей степени сказываются на точности и воспроизводимости даже минимального объема дозы впрыска.

Для всех вариантов конструктивного исполнения шнекового узла пластикации характерно его угловое расположение по отношению к плунжерному узлу впрыска (см. рис. 3.33, б—г).

Конструкции, представленные на рис. 3.33, а—в, не исключают образования в сопловой части узла впрыска так называемой «холодной пробки», масса которой может достигать 0,2 г и быть сопоставимой с массой дозы впрыска. Это обстоятельство не только отрицательно сказывается на свойствах литьевых микродеталей, но и приводит к уменьшению срока службы литьевой формы из-за регулярного механического воздействия на ее формообразующие поверхности переохлажденного и соответственно более вязкого расплава, что усугубляется в случае использования в составе полимера наполнителей абразивного типа.

Указанных недостатков лишен узел пластикации и впрыска, в котором имеется дополнительный вертикально расположенный дозирующий поршень (см. рис. 3.33, г), а впрыскивающий поршень способен перемещаться вплоть до сопловой части узла впрыска, при этом объем остаточной части дозы расплава почти в 20 раз меньше, чем в других вариантах (см. рис. 3.33, а—в).

Для снятия электростатического заряда применяется специальная ионизирующая система. Съем и сбор микродеталей осуществляются в условиях чистого помещения. В некоторых случаях в рабочей зоне термопластавтомата используется ионизированный воздух под небольшим избыточным давлением, чтобы предупредить попадание в эту зону частиц пыли.

Микролитье практически невозможно без использования специальных робототехнических и других автоматизированных пери;

Рис. 3.34. Схема последовательности съема микродеталей.

ферийных устройств. Автоматизация литья микродеталей открывает широкие возможности для снижения производственных затрат и уровня дефектности микрои нанопродукции. От робототехнических устройств, предназначенных для работы с миниатюрными деталями, требуются не только соответствующие размеры, но и повышенные быстродействие и точность движений при съеме микродеталей и их укладывании на приемные лотки в заданном положении. Для съема микродеталей используются присоски или микрозахваты с универсальной или специальной геометрией для удержания микродеталей, имеющих зачастую сложную форму.

Пример одного из возможных вариантов устройств для удаления микродеталей без повреждения из литьевой формы приведен на рис. 3.34. Удаление осуществляется с помощью вакуумных «захватов», расположенных на подпружиненной пластине, центрируемой четырехгранными направляющими (см. рис. 3.34, а). Между пластиной и микродеталями имеется зазор около 0,05 мм. Пластина поджимается к форме (см. рис. 3.34, б), и выталкиватели удаляют из нее микродетали, которые тут же подсасываются к «захватам» (см. рис. 3.34, в), которые затем вместе с пластиной отходят от формы (см. рис. 3.34, г). При этом рабочая «рука» роботаманипулятора может перемещаться со скоростью до 2 м/с и с точностью позиционирования до 0,01 мм.

Удерживая микродетали в заданном положении, робот-манипулятор укладывает их в специальные лотки или поддоны, которые защищают микродетали от загрязнений и повреждений при транспортировании к месту хранения или дальнейшего монтажа. В последнем случае расположение и ориентация микродеталей на лотках и поддонах соответствуют последующим операциям их монтажа.