Ett protokoll för fabricera formsprutning skär för komplex geometri med micro funktioner på ytor som sysselsätter additiv tillverkning (AM) presenteras.
Syftet med denna uppsats är att presentera metoden i en mjuk verktyg processkedjan anställa additiv tillverkning (AM) för tillverkning av injektion gjutning skär med micro surface-funktioner. De mjuka verktyg skär tillverkas av Digital Light Processing (moms foto polymerisation) använder en fotopolymer som tål relativt höga temperaturea. Den delen som tillverkas här har fyra fingrar med en vinkel på 60°. Micro pelare (Ø200 µm, bildförhållande 1) arrangeras på ytor av två rader. Formsprutning av polyetylen (PE) med de mjuka verktyg skär används för att tillverka de sista delarna. Denna metod visar att det är möjligt att erhålla formsprutade delar med mikrostrukturer på komplex geometri av additiv tillverkade infogar. Den bearbetningstid och kostnaden reduceras avsevärt jämfört med konventionella verktyg processer baserat på dator numerisk styrning (CNC) bearbetning. Måtten på micro funktioner påverkas av tillämpad additiv tillverkningsprocessen. Livslängden på skären avgör att denna process är mer lämplig för pilot produktion. Precisionen i skär produktionen begränsas av additiv tillverkningsprocessen samt.
Den presenterade metoden syftar till att tillverka komplexa ytan med micro funktioner av en mjuk-verktyg process, dvs att använda polymer additiv tillverkning för att producera skär för polymer formsprutning. Med andra ord, är polymer delar med funktionella ytor formsprutad av polymera inlägg.
Ytan funktioner kan förverkligas genom mikro funktioner; exempelvis Doan o.a. 1 och Luchetta o.a. 2 Visa funktionella ytor inom cellbiologi och Hu et al. 3 visar ett exempel på optiska element o.s.v. En typ av yta funktion, micro pelare, har undersökts intensivt för att främja cellproliferation. De ska kunna förbättra limning mellan proliferated vävnader och ytan om mikro pelarna är mönstrade i vissa sätt4,5.
Polymer replikationer av micro funktioner har studerats intensivt och exakt gjutning kan uppnås genom många processer6. Exempelvis har Metwally et al. rapporterade HiFi mellan gjutna delar och mögel för replikering av mikroföretag och sub-Micro funktioner på plana ytor7.
Det finns många protokoll för tillverkning micro pelare eller funktioner; de flesta av dem kan dock endast tillämpas på plana ytor eller ytor med konstant krökning. Exempelvis Nian o.a. 8 visade att micro funktioner skulle kunna uppnås genom varmpressning på en böjd yta. Dessa protokoll är inte lämpliga för komplexa former med tredimensionella ytor, som krävs i de flesta verkliga enheter. Tydligen, tillverkning av en tre dimensionell hålighet med micro funktioner på ytan utmanar nuvarande protokoll; under tiden utmatning av delar kan misslyckas för hög bildförhållande pelare på en komplex yta om de icke-vinkelrätt till den demolding riktningen. Bissacco et al. 9 används 3D mögel skär och erhålls sub-Micro funktioner genom formsprutning; i deras studie, var sub-Micro särdrag med bildförhållandet låg genereras av en aluminium anodisering process och framgångsrikt replikeras av polymer på en komplex komponent.
Forskare har försökt att involvera additiv tillverkning i processen kedjor för polymer replikering för att uppnå designade ytstruktur. Lantada et al. beskrivs en processkedjan som börjar från AM prototyper, och sedan använder beläggning tekniker för att erhålla metalliska mögel skär för formsprutning10. Polymerkomponenter som produceras av AM har visat sig vara direkt tillämplig som mögel infogar11,12, som är mjuka verktyg processen presenteras i detta protokoll.
I vårt tidigare arbete visat vi att Ø4 µm PEEK pelare (2 µm hög) var framgångsrikt demolded på en vertikal vägg av formsprutning13. I detta protokoll, undersökta produkten är en ring med fyra fingrar, varje kännetecknas av att ha en vinkel på 60°. Denna produkt har studerats av Zhang et al. 14, där mikro funktioner introducerades genom att implementera prefabricerade nickel plattor och micro pelare (Ø4 µm) med bildförhållande på 0,5 erhölls genom silikon gummi formsprutning på pinnarna.
I denna metod erhållas micro funktioner på komplexa ytor skapad av en mjuk verktyg processkedjan. Stål mögel håligheter ersätts av en uppsättning skär av moms foto-polymerisation-baserade AM. Jämfört med metall AM, AM fotopolymer baserat teknik kunna uppnå högre precision15. Dessutom reduceras den bearbetningstid och kostnaden avsevärt jämfört med konventionella verktyg processer baserat på CNC-bearbetning. Enligt en nyligen fallstudie16, reduceras med mjuk-verktyg för termoformning, kostnaden med 91%, medan den förbrukade tiden minskas med 93%. Detta protokoll är lämplig för produkter som kräver en hög design flexibilitet och mellanliggande produktionsvolymen. Det har bevisats att skär tillverkade av kolfiber förstärkt polymerer tål upp till 2500 cykler för polyeten innan märkbar mögel försämring17för formsprutning. Valet av formsprutade material begränsas av termiska egenskaper av det valda fotopolymer för vändskär. Polymerer med hög smälttemperaturer får inte tillämpas i en hålighet, fotopolymer. I denna studie valdes polyeten (PE) att genomföra de formsprutning test.
Denna metod är lämplig för tillverkning av skär för polymer delar med komplexa former. Den ersätter verktyget stål mögel hålighet i den Formsprutning maskin med en uppsättning av mjuka verktyg skär tillverkade av polymerer. Den bearbetningstid och kostnaden reduceras jämfört med konventionell metall bearbetning; Därför förkortas cykeln av produktion. Denna processkedja är lämplig för produkter i mellanliggande skala (från 1000-10.000 cykler genom injektion gjutning eller liknande) produktion, men hög variation i design. För 3D tryckta skär krävs dessutom ingen särskild mögel plattor. Standard kommersiella injektion gjutning plattor köptes och bearbetad för att passa skären.
På den aktuella tekniken misslyckas stat, mjuk tooling av en distinkt mekanism17. Mekanismen för fel har identifierats vara kopplade värme nedböjning temperatur mjukt verktyg skäret och nedbrytningen har identifierats för att bero på utgasning. Det mest kritiska steget är därför att välja rätt kådan för vändskären tillverkas av additiv tillverkning. Egenskapen termiska och mekaniska bestämmer livet av skären, dvs hur många cykler det tål under formsprutning. Den bestämmer också utbudet av formpressad polymer; gjuten polymeren mögel temperatur bör inte vara högre än nedböjning temperatur infoga materialet.
Det andra avgörande steget i protokollet är utformningen av insatsen. Allmänna regler för mögel design bör följas och mekaniskt svaga delar bör undvikas på en 3D tryckta polymer infoga; Annars kan påverkas livslängden på grund av misslyckanden som sprickor.
Ytan kvaliteten på de erhållna formsprutade delarna begränsas av tillämpad additiv tillverkningsprocessen. Efterbearbetning såsom kemisk etsning är en möjlig lösning för att förbättra ytkvalitet. Precision av ytstrukturen är en annan fråga på grund av additiv tillverkningsprocessen.
Denna metod kommer att skapa möjligheten för att skapa mikro funktioner på verklig fri form yta på en ny produktion plattform möte industriella krav. Denna metod har därför potential att tillämpas och utreds för tillämpningar i samband med nästa generation medicintekniska produkter som kräver micro funktioner på komplexa former, exempelvis i samband med medicinska enheter eller implantera14 . Denna metod underlättar värdeskapande genom betydligt reducerade kostnader för små-till medelstora volymer serie produktioner, och positivt påverka tidsplanen för produktion i klyftan mellan 1-10 enskilda enheter och riktiga massproduktion. Det kommer att öppna upp nya produkter med högt värde och designlösningar.
The authors have nothing to disclose.
Detta papper rapporterar arbete som utförts inom ramen för projektet ”avancerad ytbehandling för medicintekniska produkter” finansieras av innovationsfonden Danmark. Författaren erkänner tacksamt stödet från Europeiska innovativa utbildning nätverk MICROMAN ”Process fingeravtryck för disktillverkaren Net-shape mikrotillverkning” som finansieras av ramprogrammet Horisont 2020 för forskning och Innovation i Europeiska Unionen.
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 |