微金属注射成型（MicroMIM）(15.1-15.4.2)

目录

• 15.1 介绍

• 15.2 PIM在微技术方面的潜力

• 15.3 工具制造的微制造方法

• 15.3.1 微型工具制造一般问题

• 15.3.2 制造微结构模具插件的选项

• 15.3.3 LIGA方法

• 15.4 微组件PIM

• 15.4.1 微组分PIM原料

• 15.4.2 MicroPIM成型程序

15.1 介绍

本章讨论了金属和陶瓷微组分粉末注射成型（MicroPIM）的研究和开发现状。陶瓷是指尚未用金属材料进行试验，但最有可能在不久的将来进行试验的创新发展。

PIM的特定微观特征将在以下章节中讨论。第15.2节考虑PIM对微系统技术的贡献。由于有必要审查微特定模具制造，第15.3节描述了生产微结构化模具嵌件所需的各种方法。第15.4节介绍了MicroPIM的特殊特性、所用粉末、成型和热处理步骤以及该工艺的当前能力。第15.5节描述了该工艺的具体变体。第15.6节涉及MicroPIM的模拟，重点是使用改进的材料模型改进工艺的挑战和可能性。第15.7节总结了重要的研究和开发需求，并讨论了MicroPIM领域最有前景的发展。

15.2 PIM在微技术方面的潜力

微系统技术被认为是当今最有前途的未来技术之一。它的创新已被应用于各种市场，包括信息技术、生命科学、汽车工程和电力工程、白色和棕色商品行业、机器制造以及物理和化学工艺工程，仅举几个例子。最成功的微系统产品主要由硅或塑料制成，而非金属或陶瓷。

除上述行业外，还有一些领域，例如化学、电信和生物，以及一些产品，例如微型齿轮或计数器机构，需要由金属或陶瓷制成的高电阻部件（另见第15.4节后面的表15.2）。金属或陶瓷基材料的潜力在精密机械应用中是众所周知的，这些应用受到高强度、腐蚀、磨损、高温，或需要低热膨胀、生物相容性或灭菌性。因此，有必要改进使用微尺寸金属基部件的产品的制造方法。必须强调开发大规模生产方法，以获得有利可图的中批量和大规模复杂微组件。PIM有望在复杂微零件的精密制造中越来越受欢迎。作为一种适用于几乎任何粉末材料的方法，它提供了广泛的可加工材料（软磁和硬磁材料、难熔金属和功能陶瓷）。通常，除了MicroPIM，几乎没有其他方法可以经济地处理和应用这些材料。

表格 15.1 制造微结构模具嵌件的可选方法

 ^a可选工艺步骤。

^b可行性边界。

^c公差因蚀刻深度而异；如果蚀刻深度超过10μm，公差将大10-50倍。

^d取决于几何体。

^e考虑1至10μm的线宽。

^f中间掩模。

^g匀场

^h取决于几何结构。

ⁱ仅在限制条件下。

^j3D加上中空和削减功能。

在工艺的经济可行性和生产能力方面，金属注射成型（MIM）应与其他制造技术进行比较。作为一种可以复制和扩大规模的方法，与铣削、钻孔、放电加工（EDM）和磨削等典型加工工艺相比，MIM在中型或大型生产方面具有优势。与激光结构化相比，MIM也是如此，特别是因为废料较少。与冲压、压花或粉末压制等成熟的大规模工艺相比，MIM在复杂几何形状的近净形状制造方面表现出更好的能力，包括显著减少精加工工艺的需求。然而，这些优势必须根据添加原料制备和脱脂等步骤所导致的较高加工成本来判断。

15.3 工具制造的微制造方法

15.3.1 微型工具制造一般问题

结构细节在微米甚至亚微米范围内的部件的成型需要合适的工具和模具插件。然而，由于各个部件的总体尺寸可能从几百微米到几厘米不等，因此需要特殊的方法来制造这些工具部件。这些专门制造的微结构模具嵌件通常作为可互换零件被结合到注塑模具中。与模具嵌件不同，注塑模具可以使用传统的精密模具构造方法制造。

如果具有高纵横比的微粒(≥5） 必须使用某些工艺，如堆芯抽真空或变温回火。微粒的种类繁多意味着必须生产几乎相同种类的单组分或多组分微粉注射成型（2C MicroPIM）工具。例如，这些工具可以具有两个或三个平板模具，或者可以设计有或没有热流道。

15.3.2 制造微结构模具插件的选项

如前所述，通常用于微注射成型的工具是使用常规方法制造的。然后，这些工具装配有微结构模具插件，这些模具插件可以以各种方式生产，包括光刻方法、激光烧蚀、侵蚀、优化的精密机械工艺和各种其他技术。微加工和微放电加工是目前最流行和最成熟的方法。最后，可以组合两种或多种结构化方法来制造微结构化模具插件。表15.1调查了主要制造方法和主要参数。

耐磨性问题在宏观注射成型中尚未得到彻底研究，在研究微注射成型时变得非常重要。有趣的研究概述描述了在特殊试验台上进行的实验，根据其各自的耐磨性对模具嵌件材料进行了比较。结果出乎意料地发现，硬度较低的材料（例如镍）的磨损率最低，而分散硬化钢的磨损率最高，其沉淀的颗粒在原料流过时几乎被原料的作用冲走。然而，需要对模具磨损进行更多的研究，将其作为未来PIM技术的主要问题。

详细描述表15.1中列出的所有方法已经超出了本章的范围。我们将仅限于讨论LIGA方法，如下节所述。

15.3.3 LIGA方法

在某些应用中，平版印刷和电铸方法被结合起来，以制造具有复杂结构细节和对侧壁粗糙度和长宽比有高要求的模具镶件。这种方法被称为LIGA。这个德语缩写代表了LIthographie, Galvanoformung, Abformung（光刻、电铸和成型）。在过去的几十年里，全世界的研究机构都在使用这种工艺。

LIGA模具嵌件是通过将一块对齐的小塑料板（主要是聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA））粘合到具有适当预处理、高度抛光表面的高精度铜基板上而制造的。抗蚀剂的表面也被高度抛光。抗蚀剂通过通过具有期望结构的金吸收掩模发射硬X射线来构造。然后通过湿化学显影（X射线光刻）溶解辐照的抗蚀剂区域。在可选的通过蒸发的部分或全表面金属化（作为电铸起始层）之后，通过电铸将塑料结构的图案反向转移到金属（主要是镍或镍合金）中。采用线切割电火花加工，在基板分离之前或之后，通过湿化学蚀刻和湿化学超声波清洗，对模具嵌件及其复杂表面进行最终精加工，从而使工具具有其外形。图15.1A和B显示了通过基于紫外（UV）的光刻法生产的模具嵌件的示例。

图 15.1 (A) 通过SU-8抗蚀剂的UV照射和随后的电镀制成的LIGA模具插件。两个插件都带有用于复制微流体功能单元的反向结构，上部插件由镍制成，而下部插件的表面由金组成（黄色微模是最终部分的中间步骤；下一步是溶解该薄金层（30nm，黄色），然后获得最终的镍腔）。（B） 光刻胶SU-8中的另一UV-LIGA母版的SEM详细视图；注意三步辐照工艺产生的光滑表面和不同层次的微观结构。在该母版上电铸将产生微模具。

LIGA模具嵌件例如用作中空波导显微光谱仪的系列制造或光学或机械部件（例如齿轮或透镜）的制造的注射成型工具。这种插入件受到与材料和表面特性以及横向结构和外部尺寸相关的非常高的要求。为了满足这些苛刻的要求，近年来在处理、生产顺序和工具方面进行了各种改进，大大提高了LIGA工艺的安全性。当然，LIGA技术也有其局限性。在狭窄的直立结构的情况下，在电镀过程中可能会产生有害的重叠效应，而具有较大侧壁表面积的丝状特征可能在抗蚀剂去除过程中受损。

15.4 微组件PIM

金属或陶瓷填充原料的PIM在工业中已被广泛应用于生产宏观零件，这些宏观零件用于工业机器或汽车、白色商品和棕色商品、微电子和医疗器械等产品。光纤插头中用作陶瓷导向元件的接合线和套管的高精度、窄公差喷嘴是非常接近MicroPIM的微电子应用的例子。因此，在全世界范围内，PIM技术被开发用于制造微组件，这似乎是很自然的。

15.4.1 微组分PIM原料

粘合剂系统

微组分PIM需要仔细选择原料组分和复合技术。硬质金属或陶瓷部件的传统PIM使用约0.5-10μm的中等尺寸粉末颗粒。宏观MIM通常使用尺寸达20μm或更大的颗粒进行。然而，MicroPIM需要微米甚至亚微米范围内的颗粒尺寸，以满足关于表面粗糙度、真实细节设计和烧结零件机械性能的具体要求。在这种情况下，应该提到表面粗糙度比宏观应用中的作用更重要。其中一个重要原因是地面标高与结构尺寸本身之间的比率较高。在MicroMIM中使用尽可能小的粉末的一个重要论点是，为了保持多晶形态，烧结后将晶粒尺寸保持在最小。尝试并确保这一结果的一个选择是以尽可能小的粉末颗粒开始工艺流程。

MicroPIM需要粘度非常低的原料，以便在高流动长度与壁厚比的情况下快速填充，并避免由于原料的高导热性而导致熔体过早凝固。粘合剂系统负责原料的粘度，在复合中起着重要作用。另一个问题涉及链长和结构与粘合剂有效分散和保持粉末颗粒分离的能力之间的相互作用。然而，粘度并不是决定原料是否适合微成型的唯一标准。由于微部件由于相对较大的表面体积比和较小的承载横截面而承受较高的脱模力，因此，同样重视生坯部件的强度和稳定性。例如，聚甲醛基粘合剂通常具有高粘度，乍一看，不包括适用于MicroPIM的粘合剂列表。然而，如果通过例如变热工艺传导来补偿高粘度，则上述平均生坯强度可以弥补这一缺点。此外，必须指出的是，一旦微腔被原料堵塞，就不能轻易清洁。

除了需要低原料粘度和高强度的生坯外，MicroPIM与传统PIM技术一样，还取决于原料均匀性、保质期和可回收性、易于环保的脱粘以及可控的收缩行为等因素。商业和科学用途最流行的粘合剂系统分类如下：

• 由蜡和/或热塑性塑料组成的聚合物化合物；

• 热塑性粘合剂；

• 热塑性增强聚乙二醇基粘合剂；

• 水基或凝固粘合剂。

虽然热塑性原料和几种蜡基粘合剂已被广泛接受，但热塑性增强型和水基型的应用实例很少。然而，由于后两种粘合剂系统具有优点，例如在非临界水性介质中脱粘合剂的环境友好性，因此它们有望在未来得到越来越多的应用。

通过在粘合剂中加入添加剂，提高了原料的可加工性。这些添加剂可由例如低分子流动剂和具有交联性质的分散剂组成，其旨在确保颗粒在粘合剂中的最佳分布并防止再团聚。必须考虑粉末的表面特性和粘合剂物质的化学结构（极性）来选择分散剂。此外，必须注意提供最佳的粉末粘合剂耦合，以确保更高的填充度，从而减少烧结收缩并将尺寸误差降至最低。高级MicroPIM原料也用此类添加剂处理。这些添加剂的化学性质稍后不再讨论，因为它与大多数宏观应用的原料中使用的添加剂相似。

金属粉末

微PIM主要使用来自标准PIM钢17-4PH（1.4542，X5 CrNiCuNb 17 4）和316L（1.4404，X2 CrNiMo 17 13 2）的金属粉末、诸如铜的有色金属以及最近开发的钛、钨和钨合金粉末。锆陶瓷和氧化铝陶瓷粉末主要用于模制光纤套圈和引线键合喷嘴。氮化物陶瓷，例如氮化硅陶瓷，仍处于高级发展阶段。表15.2概述了迄今为止用于MicroPIM的最重要金属粉末类型。

表格 15.2 目前用于MicroMIM的金属材料，典型粉末尺寸

^a在实验室水平上测试更细的馏分。

^bAR <1.

微成型主要使用由小于中等直径的颗粒组成的金属粉末进行。作为一般规则，粉末颗粒尺寸应不超过空腔最小细节尺寸的十分之一，或者，优选地，二十分之一。钢的d50值通常在1.5-4.5μm的范围内，但也使用10μm或更高的分数。主要的MicroMIM钢316L和17-4PH是最细的<5μm级分。更精细结构的粉末或其他类型的钢可以通过例如空气分离获得。纯铁粉末，正如前面提到的钢一样，可作为粒径为1.5μm及以下的部分获得。

就有色金属而言，虽然铜和镍可获得细粒级分，但钛的最小d50值约为20μm，这对于微部件成型而言相当大。另一方面，必须提到的是，由于钛的表现热原性质，粉末粒度不能无限减小。

建议使用预合金粉末，以避免MicroPIM成型过程中经常出现的高剪切速率，并导致单个合金物质的快速分离。此外，预合金粉末在尺寸细节和表面质量方面显示出优势，这是由于更好的均匀化混合物。微成型最适用于由球状或球状颗粒组成的气体雾化粉末，以确保高的粉末填充率和可接受的原料粘度。

15.4.2 MicroPIM成型程序

MicroPIM技术是使用专门为聚合物基微注射成型设计的机器和工具开发的。稍后将介绍这种特殊的基本设备。需要注意的是，“micropart”一词涵盖了许多不同的设备。这些零件的范围从重量只有几毫克的微小单个零件到所谓的微结构零件，这些零件是大的，大多是表面具有微结构特征的平板。因此，必须应用不同的机器类型。在微结构零件的情况下，夹持力在15-50t范围内的精密但仍通常配置的注塑机就足够了。为了达到最佳精度，最好使用电动装置。

然而，对于丝状的单一零件，必须开发特殊的机器或至少先进的注射装置。为了获得最小的注射量，通常不配备标准螺杆装置，而是配备一个或两个柱塞注射设施。由于柱塞直径可以比螺钉的直径小得多，因此即使是最低的注射量也可以精确测量和注射。

图 15.2 MicroPower 15注塑机配备了用于复制微部件的特殊螺杆/柱塞系统。虽然最初设计用于利用聚合物，但也已被证明可用于处理粉末填充原料。

对于相对较高的注射压力，为了避免闪蒸效应，通常应选择比通过微粒的投影面积计算的更高的夹紧力。

已经分别开发了几种微注射成型机或注射单元，现在可以在市场上买到。为了适应MicroMIM，它们只需要少量添加即可。例如，它们应具有更好的耐磨性，即应使用涂层钢单元或甚至硬金属。由于典型的微成型机是为聚合物材料设计的，因此应修改塑化装置，以实现PIM原料的良好均匀化，例如通过优化挤出机螺杆的几何结构。

MicroPIM的模具嵌件的特征在于其丝状细节尺寸。因此，必须开发额外的功能以使注塑工艺适应微模具插件制造的要求，这并不奇怪。稍后将讨论两个相关示例，即注射成型工具的抽空和变温回火。

典型的微成型工具中的空腔是“盲孔”，即它们在底部不透气。如果加热的原料被压入这种空腔中，则会产生压缩的加热空气，这将导致粘合剂的有机部分燃烧。虽然这种所谓的“柴油效应”在宏观注射成型过程中发生时可以补救，但在微观结构中无法避免这种现象，因为这些微观结构的空腔不能像层压工具或孔中使用的那样设置普通的通风槽。这个问题可以通过在注射之前使用工具连接的真空泵直接排空工具来充分解决。通常，空腔中的压力达到1巴或更小。

在具有高流动长度与壁厚比的工具的情况下，执行变温温度控制。在这一特殊过程中，在注射之前必须达到接近原料熔点的温度，从而确保后者的粘度保持足够高，以成型丝状结构细节。在模具完全填充后，将工具和原料冷却至确保生坯部件的强度和稳定性足够高以允许清洁脱模的温度。由于温度升高和降低，延长了循环的长度，在未优化的过程中可能需要几分钟，因此有时会对该方法的效率产生怀疑。然而，最近的研究表明，通过不同的热回火，不仅可以获得更长的流动长度，而且可以获得更好的尺寸精度。

彻底的工具设计和流程优化有助于解决这些疑问。例如，可以缩短循环的长度。通过使用新的加热方法，例如感应加热，可以实现循环长度的进一步大幅减少。

另一点值得一提的是，MicroPIM程序需要高精度的工具移动，这是因为模制的微金属片具有极高的灵敏度。为了达到这些目的，微制品注射成型机的开模和射出速度可以调整到大约1mm/s或更小的值。最后，注塑机的控制软件必须进行改造，以实现各个过程的自动化。多年来，一些机器制造商一直在提供完整的软件包来满足这一需求。

几十年来在使用金属和陶瓷材料方面获得的知识和专业知识主要集中于评估与内部开发的相应原料和粘合剂系统相关的固有工艺限制。图15.3显示了迄今为止以实验室规模生产的金属微部件的示例。

图 15.3 由17-4PH不锈钢制成的微拉伸试样，用于最小尺寸的材料表征。试样厚度约110μm。生坯和烧结样品。

与大部件相比，微部件的特点是表面体积比高，可确保芯和表面区域之间的温度梯度较低，从而有助于有效的去粘结和烧结程序。然而，必须特别注意热处理。微成型后注塑件的脱粘可以通过在溶剂中熔化、热解和分解或通过在酸性气氛中催化分解聚合物来完成。例如，两个阶段的过程可以包括在溶剂中预粘结，然后作为主要步骤进行热脱粘结。

然后将无粘结剂的微粒烧结成成品。图15.4给出了已经上市的工业MicroMIM产品的示例。

图 15.4 各种MicroMIM样品的选择：（1）用于玻璃纤维连接器的插件元件，7%NiFe。（2，3）牙科电机组件，17-4PH。（4） 医疗器械夹爪，17-4PH。（5） 弹药止动螺栓，316L。（6） 微型电动发动机的齿轮架，AlSi4140

棕色体在还原条件下烧结，主要在纯氢气中烧结。在这一过程中，模塑件收缩了粘合剂之前所假定的体积。由于MicroPIM原料含有相对较高的粘合剂份额，烧结收缩可能达到16%-22%的线性增长份额。烧结零件的特征在于相对于标称尺寸而言，所谓的“最佳可实现精度”。该重要参数稍后作为与标称测量值的标准偏差给出。除其他外，精度取决于粉末的条件和原料的均匀性。根据粉末粒度和填充率，金属的部件尺寸的平均再现性为±0.3%至±0.5%，合金粉末为0.5%，陶瓷为±0.2%至±0.5%。