精密金屬樹脂快速模具製程發展與應用

摘要：利用聚合物製作具有特徵結構之微元件，微射出成型或微熱壓印成型是一種非常有效率的製程。在精密機械產業，一個最棘手的問題為進行微製造所需模具之製作時間與成本。因此，本文提出一種可以快速、具經濟效益而且容易製造具有微特徵結構之精密金屬樹脂快速模具製作技術，並詳細述敘精密金屬樹脂快速模具之製程發展歷程以及其製程特色。

Abstract: Micro-injection molding or micro-hot embossing is a highly effective process for fabricating micro-devices with microfeatures in polymer. One of the most troublesome problems in precision machinery industry is the time and expense required for producing a precision mold for microfabrication. This study presents an approach for manufacturing a precision epoxy resin mold with microfeatures. Evolutions and characteristics of manufacturing processes for micro-featured epoxy resin mold are described in detail.

關鍵詞：模具、金屬樹脂、微射出成型、微熱壓印成型、製程

Keywords：Mold, Epoxy Resin, Micro-injection Molding, Micro-hot Embossing, Manufacturing Process

前言
於工業界，在正式量產前常需投入大量的經費與人力從事設計與試作的工作，試作完成後常又因為圖面與實際物體認知上的差異而需進行設計變更，而此時通常已投入大量的時間與經費，為了減少此階段的開發時間及費用，因此發展出快速原型技術（rapid prototyping, RP） [1]。快速原型技術可以在設計完成後，快速製造出實際物體，對於設計者研發思緒的延續及各部門間同步工程的進行，都是一大助益。目前快速原型機台售價皆在數百萬至數千萬間，若其功能僅限於上述則顯得大材小用，故如何將其功用繼續延續就又是另一門重要的課題，因此發展出快速模具技術（rapid tooling, RT） [2]。快速模具技術可以視為快速原型技術的延伸，讓快速原型技術本來所具有的開發階段的利益，直接延續到生產上，運用快速模具技術可以快速批量生產所需之新產品，達到快速製造目的，以取得市場領先之優勢。國內、外學術界於快速模具技術相關的研究，已有諸多成功案例[3-35]。

微小化（miniaturization）是現代產品的發展趨勢[36,37]，所以精微元件需求大幅增加。塑膠微米尺度結構的模造技術（molding technology），因具備低成本且可大量生產的優點，所以此技術已經成為微製造（microfabrication）常用技術。微模具（micro-featured mold）是為因應微尺寸產品而發展出來的成型工具，微模具製作方法包括：（a）矽基微細加工（si-based micromachining technology） [38]；（b）微影模造技術（lithographie galvanoformung abformung, LIGA） [39]；（c）雷射加工技術[40]：例如：利用準分子雷射（excimer laser）與飛秒雷射（femtosecond laser）；（d）微放電加工（micro electro discharge machining） [41]；（e）微細機械加工（micro machining）技術[44]；（f）電化學微加工（electrochemical micromachining） [43]，以及（g）聚焦離子束加工（focused ion beam） [44]。然而，上述微模具製作方法除了製程複雜、工作環境要求高之外，設備相當昂貴，例如：（a）矽基微細加工所製作之微模具不適合運用於微熱印成型（micro hot embossing） [45]，因為矽基板於高壓力與高溫微熱印過程中，易產生龜裂（cracking）與模具變形（warping），因此微模具之壽命均非常短（short lifespan）；（b）微影模造技術所製作之鎳金屬模具，雖然可運用於微熱印成型，但是微模具製程非常複雜（complex manufacturing process），價格也非常昂貴，因為需使用x光進行微影與電鑄（electroforming）技術來製作微模具；（c）運用微放電加工以及微細機械加工等兩種方法，受限於加工刀具尺寸，對於製作微模具之微結構（micro-features）最小尺寸以及表面精度將受到限制；（d）運用精密雷射加工技術所需之硬體非常昂貴。為了解決這一些問題，Chung等人[46]、Tang等人[47]，以及Thian等人[48]運用矽膠模具（silicone rubber mold）來製作微模具，並應用於微結構零件製作，解決微模具製作昂貴之缺失。鑑於精微元件需求與日俱增，以低成本與快速方式，開發可應用於微射出印成型或微熱壓印成型之精密金屬樹脂快速模具，即變成一個非常重要的研究方向。金屬樹脂快速模具具備製作速度快速、微特徵結構複製能力佳、模具表面不需後續加工等優勢。本研究團隊運用金屬樹脂製作精微快速模具製作與應用已有諸多成功案例[49-54]。因此，本文針對精密金屬樹脂快速模具之製程發展歷程、製程特色以及應用，進行詳細介紹。