工藝技術(shù)的新領(lǐng)域
在多組分注塑中，不同的成型化合物實(shí)際上同時(shí)或者瞬間連續(xù)被注入到模具當(dāng)中。這種工藝?yán)绫挥糜谏a(chǎn)轎車多色后燈或玩具上的可移動關(guān)節(jié)。微注塑需要專門的機(jī)器、材料和工藝參數(shù)，用于生產(chǎn)亞毫米到納米級的物件。在粉末注塑中，成型的原料由一半粘合劑和一半金屬或陶瓷粉末所組成。在成型后，粘合劑被清除，綠色盒被燒結(jié)形成緊密的物件。這三種專門工藝的每一種對加工者都提出了特別的要求。將工藝組合起來意味著進(jìn)入了技術(shù)新領(lǐng)域。
德國Karlsruhe研究中心（FZK）材料研究院的工藝開發(fā)和試驗(yàn)技術(shù)部門成功解決了這項(xiàng)任務(wù)。陶瓷與不同導(dǎo)電體的混合，以及磁性軟體與非磁性鋼的組合，被接合到一起，形成雙組分的微型物件。陶瓷材料導(dǎo)電性的不同由材料成分的性能所引起 — 絕緣性三氧化二鋁（Al2O3）作為基材，而導(dǎo)電性氮化鈦（TiN）是作為填充物。依靠雙組分微型粉末注塑，為多功能物件開發(fā)出了多功能物件，能防化學(xué)腐蝕和承受極端的熱學(xué)壓力。作為示范物，一個加熱針被開發(fā)出來（圖1）。該加熱部件被設(shè)計(jì)得具有更大的抗電性。成型是在德國Ferromatik Milacron機(jī)器有限公司的K50-S-2F型雙組分注塑機(jī)上完成的。
圖1. 燒結(jié)而成的雙組分加熱針和純氧化鋁的生料
陶瓷微型物件的注塑需要一種混合適當(dāng)?shù)某尚筒牧?。為此，粉末與一種粘結(jié)劑被盡可能均勻地混合，來形成原料。粉末顆粒被粘合劑所潤濕，以形成可注塑的化合物。經(jīng)常用到了含有石蠟或硬脂酸鹽等添加劑的聚烯烴粘結(jié)劑。
為做出燒結(jié)后具有不同導(dǎo)電性的陶瓷材料，粉末狀混合物由導(dǎo)電性粉末和非導(dǎo)電性粉末制成。在混合均勻的條件下，可以假設(shè)導(dǎo)電性混合物是任意分布在非導(dǎo)電性成分當(dāng)中。一旦導(dǎo)電性成分超出了極限值（極限浸透值）在導(dǎo)電性粉末顆粒之間有足夠多的接觸點(diǎn)，陶瓷就變得可導(dǎo)電了。當(dāng)導(dǎo)電性陶瓷所占比例進(jìn)一步提高時(shí)，導(dǎo)電性也就增加了。所以通過選擇混合比例，導(dǎo)電性就能被調(diào)節(jié)了。
為了混合加熱針用的材料，Al2O3粉末和TiN粉末的混合物與聚烯烴粘結(jié)系統(tǒng)被擠出。為了形成導(dǎo)電性弱的第一種成分，體積比例為40%的TiN被添加到非導(dǎo)電性陶瓷（Al2O3）當(dāng)中。為了形成導(dǎo)電性弱的第二種成分，體積比例只有27%的TiN被添加到陶瓷當(dāng)中。
所形成的物件質(zhì)量既由成型化合物的流動性決定，也由原始強(qiáng)度所決定。微型物件有著較高的表面/體積比值。所以原料必須能實(shí)現(xiàn)良好的填模。在物件脫模時(shí)，摩擦力作用與物件體積有很大的關(guān)系。而且，原料通常被高度填充，所以與熱塑性材料相比具有較低的皺縮和降低的強(qiáng)度。較高的原始強(qiáng)度使得從模腔中取出物件更為容易，而不會造成損傷。這是受到粉末含量和顆粒大小所影響的。粘結(jié)劑系統(tǒng)可以被調(diào)整，來提高原始強(qiáng)度。
在多組分注塑中，把兩種陶瓷成分的皺縮性配合好是特別重要的，這樣在燒結(jié)時(shí)焊縫不會開裂。
模具結(jié)構(gòu)
在微型注塑中，模腔區(qū)域內(nèi)小心地保持制造公差在幾個微米之內(nèi)是極為必要的，從而注塑時(shí)生料上不會有飛邊。修整過的表面有助于脫模不出現(xiàn)變形。
圖2. 可拉伸棒模具嵌件的顯微圖
圖3. 生料和燒結(jié)而成的可拉伸棒，左為純Al2O3材料，中間為Al2O3/TiN
混合陶瓷的單組分，右為不同Al2O3/TiN混合陶瓷的雙組分
變化工藝過程的可能性
在加工原料時(shí)，注塑、脫粘和燒結(jié)對最終產(chǎn)品的質(zhì)量有著明顯的影響。為獲得高產(chǎn)率，穩(wěn)定的過程窗口必須確保充分的填模和小心的脫模，隨后是得到控制的脫粘和燒結(jié)。這是要借助于在微型注塑中很常見的操作的，例如可變的模溫控制和模腔的排空。
根據(jù)兩種原料成分粘接表面的大小，可以同時(shí)也可以依次地進(jìn)行注射。為了避免接合面的變形，大面積或者輪廓明顯的接合界面被依次復(fù)制出來。在依次的工藝流程中，兩個模腔必須在注射第一種原料成分時(shí)互相分開，例如通過模芯拉桿，從而有可能如所需地在兩個不同工藝中進(jìn)行轉(zhuǎn)換。同步注射為接合界面小的部件提供了通過變化兩種成分（圖4，POM材料）注射率來調(diào)節(jié)焊縫位置的可能性。焊縫的形成和兩種熔體互相會合的位置和余壓有著關(guān)系。
圖4. 改變注射速率（POM材料）可以調(diào)節(jié)焊縫的位置
在材料的注塑過程中，因?yàn)榉珠_與噴射的可能性，注射速度高被證明是危險(xiǎn)的。對后面物件的品質(zhì)的負(fù)面作用可能出現(xiàn)，特別是在流向改變時(shí)或者澆口和模腔截面積突然增加時(shí)。所以設(shè)計(jì)者應(yīng)當(dāng)在模具設(shè)計(jì)階段提供彎曲和截面的平穩(wěn)過渡。彎曲也降低了拉力峰值，這是由脫模過程中部件邊角處的彎曲所引起的。
在脫模后，小心處理生料是至關(guān)重要的。因?yàn)槠鋸?qiáng)度與未填充部件或纖維增強(qiáng)熱塑性部件相比較小，彎曲時(shí)沒有開裂的風(fēng)險(xiǎn)，所以建議脫模之后馬上固定好部件，如有可能有序地旋轉(zhuǎn)在盒內(nèi)，在這里面可以依次完成脫粘和燒結(jié)。
結(jié)果
對雙組分可拉伸棒和加熱針的研究表明雙組分粉末注塑能把陶瓷成型混合物接合到一起形成物件。組合材料的混合性能可被調(diào)節(jié)，以控制燒結(jié)中的皺縮，從而在脫粘和燒結(jié)之后可以得到無歪曲的雙組分物件。
陶瓷材料的雙組分物件使用時(shí)的廢品標(biāo)準(zhǔn)是它們的強(qiáng)度。特別是在微型尺寸時(shí)，在接合區(qū)域出現(xiàn)破裂的趨勢很小。很難得看到焊縫。這個發(fā)現(xiàn)可以歸功于所選的組合材料和小的接合界面，因?yàn)樵谖锛挾壬现挥休^小的張力形成，所以不會出現(xiàn)局部問題。
對Al2O3/TiN混合陶瓷材料的加熱針的首個加熱測試證明了加熱針的良好性能（圖5）。受熱區(qū)域含有比例小的導(dǎo)電性TiN陶瓷，使導(dǎo)電性良好。獲得了3.5A的電流和4.5V的電壓。
圖5. Al2O3/TiN混合陶瓷的加熱針，受熱區(qū)域
含有較低比例的導(dǎo)電性TiN陶瓷
