En protokol for at fabrikere sprøjtestøbning skær til komplekse geometri med micro funktioner på overflader beskæftiger tilsætningsstof fremstillingsindustrien (AM) er præsenteret.
Formålet med dette oplæg er at præsentere metode af en blød tooling proceskæden beskæftiger tilsætningsstof fremstillingsindustrien (AM) for fabrikation af injektion molding skær med micro overflade funktioner. De bløde Tooling skær er fremstillet af Digital Light Processing (moms foto polymerisering) ved hjælp af en photopolymer, der kan modstå relativt høje temperaturea. Den del, der er fremstillet her har fire tænder med en vinkel på 60°. Micro søjler (Ø200 µm, størrelsesforhold 1) er arrangeret på overflader af to rækker. Polyethylen (PE) injektion molding med bløde tooling skær bruges til at fremstille de sidste dele. Denne metode viser, at det er muligt at opnå sprøjtestøbte dele med mikrostrukturer på komplekse geometri af tilsætningsstoffer fremstillet skær. Bearbejdningstiden og omkostninger reduceres markant i forhold til konventionelle værktøj processer baseret på computer numerisk kontrol (CNC) bearbejdning. Dimensioner af mikro-funktioner er påvirket af det anvendte tilsætningsstof fremstillingsprocessen. Indsætter levetid bestemmer, at denne proces er mere egnet til pilot produktion. Præcisionen af skær produktion er begrænset af additive fremstillingsprocessen samt.
Metoden præsenteres sigter mod fremstilling kompleks overflade med micro funktioner af en soft-værktøjs proces, dvs., at bruge polymer tilsætningsstof fremstillingsindustrien for at producere skær til polymer sprøjtestøbning. Med andre ord, er polymer dele med funktionelle overflader sprøjtestøbte af polymer skær.
Overflade funktionalitet kan realiseres ved micro funktioner; for eksempel, Doan et al. 1 og Luchetta et al. 2 påvise funktionelle overflader inden for cellebiologi, og Hu et al. 3 viser et eksempel på optiske elementer, osv. En type overflade funktion, micro søjler, har været undersøgt intensivt for at fremme celledelingen. De er i stand til at forbedre binding mellem proliferated væv og overfladen, hvis de mikro søjler er mønstret i visse måder4,5.
Polymer replications af mikro funktioner har været intensivt undersøgt, og præcise støbning kan opnås ved mange processer6. For eksempel, har Metwally et al. rapporteret high fidelity mellem støbte dele og støber til replikering af mikrovirksomheder og sub mikro funktioner på plane overflader7.
Der er mange protokoller for fremstilling mikro søjler eller funktioner; de fleste af dem kan imidlertid kun anvendes på plane overflader eller overflader med konstant krumning. For eksempel, Nian et al. 8 viste, at mikro funktioner kunne opnås ved varme prægning på en buet overflade. Disse protokoller er ikke egnet til komplekse figurer med tre-dimensionelle overflader, som kræves af de fleste virkelige enheder. Tilsyneladende, fabrikation af en tre-dimensionelle hulrum med micro funktioner på overfladen udfordrer nuværende protokoller; i mellemtiden, udslyngning af delene kan mislykkes for høj skærmformat søjler på en kompleks overflade hvis de ikke-vinkelret i demolding retning. Bissacco et al. 9 brugt 3D skimmel skær og fremstillet sub mikro funktioner ved sprøjtestøbning; i deres undersøgelse, var sub mikro særpræg med en lav formatforhold genereret af en aluminium, anodisering proces og med held replikeret af polymer på en kompleks komponent.
Forskere har forsøgt at inddrage tilsætningsstof fremstillingsindustrien i proces kæder til polymer replikering for at opnå den designede overfladestruktur. Lantada et al. beskrev en proces kæde, der starter fra AM prototyper, og så beskæftiger belægning teknikker for at opnå metallisk skimmel skær til sprøjtestøbning10. Polymer dele fremstillet af AM har vist sig for at være direkte gældende som mug indsætter11,12, som er den bløde tooling proces præsenteret i denne protokol.
I vores tidligere arbejde viste vi, at Ø4 µm PEEK søjler (2 µm høj) var med held demolded på en lodret væg af sprøjtestøbning13. I denne protokol, den undersøgte vare er en ring med fire tænder, hver kendetegnet ved at have en vinkel på 60°. Dette produkt er blevet undersøgt af Zhang et al. 14, hvor mikro funktioner blev indført ved at gennemføre præfabrikerede nikkel plader, og micro søjler (Ø4 µm) med aspekt forholdet mellem 0,5 blev fremstillet af silikone gummi sprøjtestøbning på tænderne.
I metoden præsenteres kan mikro funktioner opnås på komplekse flader lavet af en blød tooling proceskæden. Stål skimmel hulrum er erstattet af et sæt indsatse lavet af moms foto-polymerisering-baserede AM. I forhold til metal AM, AM fotopolymerklicheer baseret teknologi er i stand til at opnå højere præcision15. Derudover reduceres bearbejdningstiden og omkostninger markant i forhold til konventionelle værktøj processer baseret på CNC bearbejdning. Ifølge en nylig casestudie16, er ved hjælp af soft-værktøjer til termoformning, omkostningerne reduceret med 91%, mens den forbrugte tid er reduceret med 93%. Denne protokol er egnet til produkter, der kræver en høj design fleksibilitet og mellemliggende produktionsmængde. Det er bevist, at skær fremstillet af kulfiber forstærket polymerer trykområdet kan modstå op til 2500 sprøjtestøbning cyklusser for polyethylen før mærkbar skimmel forringelse17. Valget af sprøjtestøbte materiale er begrænset af de termiske egenskaber af den valgte photopolymer for indstik. Polymerer med højt smeltepunkt temperatur kan ikke anvendes i en photopolymer hulrum. I denne undersøgelse, blev polyethylen (PE) valgt til at gennemføre sprøjtestøbning test.
Denne metode er egnet til fremstilling af skær til polymer dele med komplekse figurer. Det erstatter værktøj stål skimmel hulrum i sprøjtestøbning maskinen med et sæt af bløde værktøj indsatse fremstillet af polymerer. bearbejdningstiden og omkostninger reduceres i forhold til konventionelle metal bearbejdning; Derfor, cyklussen af produktion er afkortet. Denne proceskæden er velegnet til produkter i middelstor målestok (fra 1000-10.000 cyklusser ved injektion molding eller lignende) produktion, men høj variation i design. Derudover til 3D trykte skær er ingen særlige skimmel plader påkrævet. Standard kommercielle injektion molding plader blev købt og bearbejdet til at passe skærene.
På den nuværende teknologi stat, blød værktøj ikke af en særskilt mekanisme17. Manglende mekanisme har konstateret, for at knyttes varme afbøjning temperatur af bløde tooling Indsæt og nedbrydning er blevet identificeret til at være på grund af udstrømning. Derfor, den mest kritiske trin er at vælge den rigtige resin til skær produceret af tilsætningsstof fremstillingsindustrien. Egenskaben termiske og mekaniske bestemmer levetiden på skær, dvs., hvor mange cyklusser det kan modstå under sprøjtestøbning. Det bestemmer også vifte af støbt polymer; skimmel temperatur af støbt polymer bør ikke være højere end afbøjning temperatur af Indsæt materiale.
Det andet kritiske trin i protokollen er designet af indsatsen. Generelle regler for skimmel design bør følges og mekanisk svage dele bør undgås på en 3D trykte polymer indsætte; ellers vil tool liv blive påvirket på grund af svigt som revner.
Overflade kvaliteten af de fremstillede sprøjtestøbte dele er begrænset af det anvendte tilsætningsstof fremstillingsprocessen. Efterbehandling som kemisk ætsning er en mulig løsning til at forbedre den overfladekvalitet. Præcisionen af overflade funktioner er et andet problem på grund af additive fremstillingsprocessen.
Denne metode vil skabe mulighed for at skabe mikro funktioner på ægte free-form overflade på en ny produktion platform møde industrielle krav. Derfor, denne metode har potentiale til at blive anvendt og undersøgt for applikationer i forbindelse med næste generation medicinsk udstyr, der kræver mikro funktioner på komplekse former, for eksempel i forbindelse med medicinsk udstyr eller implanterer enheder14 . Denne metode vil lette værdiskabelse gennem væsentligt reducerede udgifter for små til medium volumen serie produktioner og positivt påvirke tidsskalaen for produktionen i mellemrummet mellem 1-10 individuelle enheder og reel masseproduktion. Det vil åbne nye produkter af høj værdi og designløsninger.
The authors have nothing to disclose.
Dette papir rapporter arbejde inden for rammerne af projektet “avancerede overfladebehandling til implantable medicinske indretninger” finansieret af innovationsfond Danmark. Forfatteren taknemmeligt anerkender støtte fra europæiske Innovative uddannelse netværk MICROMAN “Proces fingeraftryk for drevproducenten Net-shape MICROMANufacturing” finansieret af Horisont 2020 rammeprogram for forskning og Innovation i europæiske Union.
Photopolymer resin | EnvisionTec | HTM140 V2 | |
Resin mixing device | IKA | Vortex Genius 3 | |
3d printer | Envisiontec | Perfactory 3 | |
UV light flash unit | EnvisionTec | Otoflash unit | |
Polyethylene | lyondellbasell | PE Purell 1840 | |
Injection moulding machine | Arburg | Allrounder 370A | |
Image processing | SPIP | 6.2.8 |