醫療器械、電子產品和生物制藥制造商需要更新的微型注塑產品來制造更小更節省空間的微型設備。微型注塑組件可以小到灰塵點那么大。

微注塑部件

微注塑技術的許多新進展使得微型模具的設計和制造成為可能，從而使熱塑性塑料、硅酮和金屬粉末的微注射成型成為可能。這個計算促進了世界范圍內微創醫療和藥物微型設備的發展。本文介紹了微器件和組件成型成功的許多主要因素和所面臨的挑戰及解決方案。

微注塑面臨的挑戰

大多數微型產品都是從某種程度的極端挑戰開始的。它們通常是市場上類似產品的縮小版本。微型組件變得越來越復雜，因為它們需要安裝在細小而精密的動脈、泵、導管或內窺鏡中，內部可能還有需要工作的微型組件。它們通常具有挑戰性的幾何結構，因為它們曾經被設計為兩個或多個組件，但迫于成本壓力減少到一個組件，這樣就不必在顯微鏡下組裝。

這些裝置可能需要直接與聚合物、金屬或膜復合或添加到其中的藥物，并且帶有工作齒輪、杠桿和驅動機構，以使裝置重復工作并具有可靠的壽命?？紤]到這些功能，以及這些設備可以直接植入人體的要求，以穩健的方式開發這些設備并對其形狀、配合和功能進行良好的測試是非常重要的。

微注塑流動模流分析

由于微型模具和原型零件在其開發周期中成本高昂，微型模具流動模擬分析能夠提供一個基于特定設計的填充預期模擬。在比較傳統成型和微成型零件時，一個非常普遍的假設是，微零件可以用相同的軟件和相同的建模方法填充。

例如，流動分析涉及典型的500微米澆口與通過75微米澆口的模擬流量會非常不同。

主要的不同之處在于，帶有微澆口的部件在通過小孔口時會產生更多的剪切感應熱。因此，實體模型網格必須具有極高的分辨率，以確定澆口和薄壁區域中發生的情況。模具流動模擬中使用的實體模型網格需要幾微米的尺寸的網格，而零件中則需要數十微米的網格。

微注塑模流分析網格

微型模制組件的澆口必須適當調整尺寸，以免對進入型腔的材料產生過大的熱應力。對于熱敏感材料，如生物可吸收和生物制藥聚合物，必須了解炮筒、噴嘴和熱流道中的材料滯留時間與注射過程中可能傳遞給材料的附加熱量的關系。

有時，材料會驅動工藝選擇，有時，工藝也會驅動材料選擇。一些常用的微成型材料有PEEK、PLA、PGA、LSR、聚乙烯、聚丙烯、聚碳酸酯、LCP、PMMA、環烯烴共聚物（COCs）和不銹鋼（金屬注射成型）。

模具

當產品設計和材料選擇確定之后，就到了制作微型模具的時候了。無論材料是熱塑性材料、硅樹脂還是金屬粉末，模具都是成功的最關鍵的組成部分。由于產品和模具太?。ㄈ缦聢D所示），尺寸的公差也會變小，模具任然必須達到零件公差的25%，才能提供良好的加工窗口。

產品公差為±0.01mm，模具公差必須為±0.003mm，才能實現良好的工藝窗口。這樣的公差對于普通模廠來說是很難達到的，原因主要有兩個：

1. 它們不能測量±0.003mm的尺寸，因此無法驗證。

2. 缺乏達到這些公差的設備或技能。

微注塑產品

流道

在自動化裝配操作中，可以將其用作手柄來固定零件，或者在流道中添加特殊的定位點來幫助我們在裝配嵌套中定位工件。

分模線

微注塑模具的分模線與微型零件的尺寸有關。分模線上10微米級別的差異就可以很容易地破壞產品的裝配。

脫模斜度

脫模斜度當然越多越好，但最小也可以小到0.2度的錐度。這種錐度對于注塑零件來說，處理起來都會很麻煩。將微型零件放在錐度上，會產生一個不規則的表面，從而影響裝配。

澆口位置

和普通注塑模具一樣，微注塑模具選擇澆口位置的目的也是保證在型腔中產生均勻的塑料流動。否則，零件可能無法充分填充，并可能損壞模具中精密的銷和型腔部件。

澆口殘留

大多數微成型零件都會使用邊緣澆口。如果是這樣的話，他們需要適當方式的去除澆口，以避免小材料的問題造成動脈損傷（植入設備）或引起自動化和裝配問題。在模具設計中，可以通過在壁厚上放置一個凹坑來解決這些問題，這樣澆口殘留將會被設計在組件中的導軌或配合部件的表面之下。

表面光潔度

通常被忽略的是，在裝配過程中，模具零件的表面光潔度對于將特征固定或引導到其他特征中非常重要。例如，一些產品為何實現更好的粘合，需要較為粗糙的表面。光滑的表面可能會產品從模具中頂出時的一系列問題，需要折衷考慮。

注射成型工藝

由于微型注塑產品的精度往往在數微米范圍內，在注塑件中實現良好的尺寸重復性存在若干挑戰。在模具鋼（半徑小于1微米）中制造出漂亮的尖角和空腔是一回事，而用聚合物填充這些微小的空間則是另一回事。微型模具需要適當的通風，有時需要使用非常薄的層壓板來實現適當的排氣和尖角填充。

微成型零件中的典型注射壓力在30000到50000 psi之間，這需要一個微妙的平衡動作，以在適當的壓力下填充，而不會損壞細小的、發絲細的芯銷。具有極薄壁（0.001-0.0015英寸）的灰塵斑點大小的零件需要穿過分模線的極端型腔到型芯的對齊精度。

如果聚合物在非填充條件下冷卻，或者如果零件在一側填充得比另一側多，則很可能會發生微芯銷損壞。通過在短時間（通常<0.1秒）和高壓下快速填充，可以克服這一挑戰。

大約有十幾家專門為微成型而定制的注塑機制造商。微型成型機必須能夠注射非常小的膠量，并保持塑膠在炮筒滯留時間到最低限度。這對于具有高剪切性和熱敏感性的可生物吸附聚合物（PLA、PGA）尤其重要。還需要專門的螺桿、噴嘴和輔助設備，以提供填充、搬運、脫模、測量和組裝這些微小裝置的精度。

裝配和搬運

將幾何圖形組合成最小數量的零件用于微裝配是非常值得努力的設計工作，因為拿取它們，將它們裝配到嵌套中，并將它們連接到類似或不同材料的其他零件可能比在設計階段預先花費時間要貴得多。

二次微成型

將兩種不同的材料注射到兩個不同位置的模具中，或使用旋轉模具在同一位置注射兩種不同的材料，實現一種組合幾何和材料的工藝。例如，如果泵的活塞需要密封或硅膠墊圈，則在與活塞相同的模具中將墊圈二次成型為o形環槽比將o形環裝入精密機構、用剪刀夾住o形環并將其放置在活塞上更容易。

激光焊接

如果三維幾何結構不能通過二次成型進行組合，并且材料強度允許，激光焊接是連接微型部件的很好的方法。精密控制激光能量和功率密度也可用于快速、無損地選擇性清潔和剝離金屬絲等材料。

超聲波焊接

超聲波焊接也能有效地連接熱塑性塑料和相容金屬。由于強焊接所需的能量極低，因此微型部件需要專門的低能量助推器和超聲波發生器。

溶劑鍵合

這通常被用作連接微型組件的快速、低資本投資方法。所選的溶劑必須與所粘合的材料相容，特別是當組件用作植入應用時。使用溶劑鍵合來加速高容量組裝過程是比較困難的，因為這種方法不容易實現自動化和重復生產，而且在高容量范圍內難以驗證。

鉚接

微鉚接是連接聚合物和金屬部件的一種非常廉價的方法。例如，在電池罐中，壓接或鎖緊是一種非常常見的做法，可以產生良好的密封，防止腐蝕性液體從電池容器中逸出。廉價的漸進式沖壓模具使一種適度快速的方法可以通過將一種材料加壓“折疊”成另一種材料，將聚合物和金屬鉚接在一起。材料批次間的差異和變化可能是這種方法的一個缺點。

測試

自動化微裝配系統的一個重要方面是測試，例如導電性、泄漏或壓力衰減以及爆裂強度。有些是破壞性的，有些是非破壞性的測試。確定最終裝配或子裝配是否正常工作的最佳方法是，對組成裝配的每個組件保持生產過程控制。

每個部件的統計驗證和組件的重新驗證都將能防止以后在自動化單元中進行昂貴的測試和檢查；但有時這些問題可能也不可避免，特別是在植入式和關鍵藥物應用中。

檢驗計量

我們都聽說過“無法測量就無法制造”。在醫療和制藥設備中，關鍵部件可能關乎生死，這也意味著“無法驗證就無法制造”。如果零件的制造始終如一并經過驗證，那么微觀檢驗應該是可以避免的。但是很少能夠完全100%保證。

在檢查微型部件和組件時，有許多方式和方法。有些可以通過高分辨率相機進行檢查，以驗證產品的特征或表面光潔度。有些需要三維激光掃描來驗證一些關鍵尺寸。還有一些需要高速攝像機來顯示粉末或液體的配藥是否已經達到了正確的劑量。