Summary
En protokol for at fabrikere sprøjtestøbning skær til komplekse geometri med micro funktioner på overflader beskæftiger tilsætningsstof fremstillingsindustrien (AM) er præsenteret.
Abstract
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.
Introduction
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.
Protocol
1. Indsæt fabrikation af tilsætningsstof fremstillingsindustrien (AM)
- Designe nødvendigt hulrum af computer-aided design software (Se Supplerende materialer til filer, der bruges i dette arbejde).
Bemærk: Fremstille indsætter direkte på bygningsfasen uden støtte at undgå vridning indsætter under hærdning. Tolerancen er 0,05 mm. - Vælg en harpiks for foto polymerisering, især en, der kan modstå tryk og varme under sprøjtestøbning.
Bemærk: Harpiksen valgte vi (Se Tabel af materialer) har en trækstyrke på 56 MPa, brudforlængelse på pause på 3,5%, bøjningsstyrke 115 MPa, en bøjnings modulus af 3350 MPa og en varme afbøjning temperatur på 140 ° C18. - Bland blandet photopolymer blanding (proprietære methylmethacrylat og acrylamid blend med en TiO2 baseret foto initiator) grundigt i mindst 30 minutter ved at køre den materielle dunk på en våd-laboratorie flaske roller, kolbe shaker eller lignende Blanderens.
- Forberede foto polymerisering maskine (voxel-størrelse på 16 µm):
- Bottom-up AM maskiner, tjekke at moms belægning er ubeskadiget og grundigt renset.
- Top-down maskiner, inspicere aftørring systemet for eventuelle fejl.
- Inspicere den opbygge fase og justere opbygge pladen ved hjælp af en 100 µm gauge folie til korrekt opvejet opbygge plade til moms.
- Pre antænde lyskilde af værktøjsmaskiner hvis det er muligt at nå frem til steady-state temperatur før skrider frem. Denne temperatur skal være 65 ° C i den lette motor og 30 ° C inde momsen.
- Importere geometri til job forberedelse software. Følg retningslinjerne fra maskinen producent19.
- Tildele passende maskine parametre til at matche den valgte photopolymer (lys intensitet og lag tykkelse for de udnyttede maskine).
- Kør opbygningen med den højeste opløsning, lodret maskine (25 µm i denne forskning).
- Ren de trykte skær.
- Skyl dem i isopropanol udsat for ultralydsbad i 3 min. Skyl grundigt tre gange, og sikre, at ingen photopolymer rester på overfladen af de trykte skær.
- Tillad opløsningsmidlet til at fordampe helt ved stuetemperatur og indsætter i en ekssikkator til tørre natten over ved stuetemperatur.
- Post helbrede tørrede indsætter ved hjælp af UV lys blinker to gange, hver gang af 2000 blinker med en frekvens på 10 blink i sekundet (Se Tabel af materialer).
2. injection Molding (IM)
- Installere modulet mikro injektion på en konventionel sprøjtestøbning maskine (Se Tabel af materialer).
Bemærk: I vores tilfælde, modulet injektion havde en skrue, monteret i en vinkel på 45°, skrue diameter var 8 mm, og den lukketryk var 100 kN. - Montere indsætter på mug plader.
Figur 1: injektion maskine med skimmelsvampe. en a injektion side er samlet med pladerne. Indsæt fremhæves med en rød cirkel. (b) den bevægelige side er samlet med plader med udslyngning pin. Indsæt fremhæves med en rød cirkel. Venligst klik her for at se en større version af dette tal.
- For at tage højde for variationer i trykprocessen, manuelt foretage indsætter mindre ændringer nødvendige for at passe mold.
- Skrue skimmel plader på maskinen.
- Indlæse PE granulat på tragten.
- Indstil parameteren maskine Tmug på 60 ° C, Ttønde ved 175 ° C og Vinjektion på 65 mm/s. giver tilstrækkelig køling tid for den del at være demolded.
- Varme skrue på 31 ° C, 155 ° C, 165 ° C, 170 ° C og 175 ° C fra 1 til 5.-session. Når den smelte temperatur er 175 ° C, begynde præcis sprøjtestøbning. Når hulrummet er fyldt, opretholde pakning Tryk på 300 bar i 5 sekunder for at kompensere for PE svind.
- Åbn formen og giver mulighed for udslyngning pin til at skubbe PE del ud af den bevægelige side af Indsæt. Hvis PE del er fastspændt på skæret, tage del i hånden.
- Stop maskinen på 100 cyklusser af injektion molding (en cyklus er defineret fra når formen er lukket indtil del er skubbet ud).
3. kvalitetsvurdering
- Mål diameter og dybde af hullerne på skær før injektion molding af en laser scanning digital microscope20 . Måle på begge skær; ved hver indsættelse, måle fire huller på to områder med forskellig afstand til porten "i nærheden af gate" og "langt fra gate".
Figur 2: målt områder fremhævet på CAD billedet af skærene. a den bevægelige side indsætte svarer til bagdelen af replika. (b) injektion side svarer til de øverste sider af replikasættet. Injektion gate lokaliserer i midten. To områder med forskellen afstand til gaten, "gate" og "i nærheden af gate" sammenlignes i forskningen. (Dette tal er blevet ændret fra Zhang et al. 201722) Venligst klik her for at se en større version af dette tal.
- Mål diameter og højden af søjlerne på sporet tænderne fremstillet af sprøjtestøbning.
NOTE: Gruppe det opnåede PE dele i partier af 10 stykker; dvs. 1-10 er den 1st batch, 11-20 er det 2nd parti; indtil den sidste brik. Bruge en tilfældig stikprøve i hvert parti og gøre målinger på top og ryg sider; på hver side, måle fire søjler på to områder med forskellig afstand til porten ("i nærheden af gate" og "langt fra gate"). - Analysere data med bistand fra billedbehandling software21 for at få dimensioner.
Representative Results
Figur 3 viser indsætter fremstillet af AM og PE dele fremstillet ved sprøjtestøbning. To rækker af cirkulære huller var lodret overflade på tænderne (figur 3 (b)). Den nominelle dimension af hullerne på indsætter er Ø200 µm og 200 µm i dybden, med en center-til-center afstand 400 µm. Lagenes strukturer på grund af AM-processen er klart synlige. På nederste venstre linje er der en synlig folde mark, som fandt sted utilsigtet ved forberedelsen af SEM.
Den demolding proces er illustreret i figur 4. Søjler er ikke parallelt med demolding retning. Ingen søjle bryde blev observeret i alle de undersøgte prøver (figur 5). I denne forstand var den demolding en succes. Det er allerede synlige, søjler på placeringen af langt-fra-the-gate er især lavere end på oversiden grund af trykfald. Vedrørende diameter er forskellen fra holdninger ikke så fremtrædende som for højden.
Figur 6 og figur 7 illustrerer hvordan replikeringen formeret langs 100 cyklusser af sprøjtestøbning. Graden af replikering er defineret ved forholdet mellem dimensionen af søjlerne og indsætter dimension. Langs de 100 cyklusser, blev stabil proces opnået ved hver position med hensyn til både lodrette og tværgående replikering. Dimensionen af hullerne på indsætter var uændret efter injektion molding, som bekræftede denne konklusion. Højden på søjlerne placeret langt fra porten var lavere end placeret i nærheden af gate, fordi polymer flow øger sine viskositet når strømmen længde øges.
Injektion molding parametre blev varieret inden for den tillades af den materielle dataark. I vinduet udforskede proces, hvoraf de fleste løber nåede mere end 80 cyklusser, var bekræfter at værktøjets levetid af AM indsætter ikke berørt i vinduet udforskede proces. Dog sprængning skete til indstik til injektion side i nogle tests, når indsprøjtning pres var høj. Dette er på grund af den midterste del af indsatsen er meget tyndere.
Figur 3: skær og replikaer. (a) skær produceret af tilsætningsstoffet fremstillingsprocessen danne formen hulrum; en polyethylen (PE) replika fremstillet ved sprøjtestøbning vises. Markeringer på reference lineal er millimeter; tal markerer centimeter. (b) Scanning elektron mikroskop (SEM) billede viser overfladen af indsætte; c SEM billede viser overfladen af PE dele fremstillet ved sprøjtestøbning. ((a) og (b) er blevet ændret fra fra Zhang et al. 201722) venligst klik her for at se en større version af dette tal.
Figur 4: vellykket demolding. Den demolding var vellykket, selvom søjler ikke parallelt med demolding retning. a forme lukke og b formene åbne for demolding. (Dette tal er blevet ændret fra Zhang et al. 201722) Venligst klik her for at se en større version af dette tal.
Figur 5: SEM billede af visningen side af en tilfældig tine. De undersøgte fire positioner er mærket på billedet. (Dette tal er blevet ændret fra Zhang et al. 201722) Venligst klik her for at se en større version af dette tal.
Figur 6: søjle højde replikering grad. Replikering graden af søjle højde er defineret af højden på den søjle/dybde af hullet. Den gennemsnitlige værdi af replikering grad på de fire positioner blev vist i hvert parti. Et tilfældigt udvalgte stikprøve blev målt i hver batch. De fire positioner er "Back-far" for positionen langt fra porten på bagsiden "Back-nær" for positionen i nærheden af gate på bagsiden, "Top-far" for positionen langt fra gate på inderlåret, og "Top-nær" for positionen i nærheden af gate på oversiden. (Dette tal er blevet ændret fra Zhang et al. 2017 22) Venligst klik her for at se en større version af dette tal.
Figur 7: søjle diameter replikering grad. Replikering graden af søjler diameter er defineret af diameteren af søjle/diameter af hullet. Den gennemsnitlige værdi af replikering grad på de fire positioner blev vist i hvert parti. Et tilfældigt udvalgte stikprøve blev målt i hver batch. De fire positioner er "Back-far" for positionen langt fra porten på bagsiden "Back-nær" for positionen i nærheden af gate på bagsiden, "Top-far" for positionen langt fra gate på inderlåret, og "Top-nær" for position i nærheden af gate på oversiden. (Dette tal er blevet ændret fra Zhang et al. 2017 22). Venligst klik her for at se en større version af dette tal.
Discussion
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.
Disclosures
Forfatterne har ikke noget at oplyse.
Acknowledgments
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.
Materials
| Name | Company | Catalog Number | Comments |
| 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 |
References
- Doan, N., et al. Low-Cost Photolithographic Fabrication of Nanowires and Microfilters for Advanced Bioassay Devices. Sensors. 15 (3), 6091-6104 (2015).
- Lucchetta, G., et al. Effect of injection molded micro-structured polystyrene surfaces on proliferation of MC3T3-E1 cells. Express Polymer Letters. 9 (4), 354-361 (2015).
- Hu, H., Tian, H., Shao, J., Ding, Y., Jiang, C., Liu, H. Fabrication of bifocal microlens arrays based on controlled electrohydrodynamic reflowing of pre-patterned polymer. Journal of Micromechanics and Microengineering. 24 (9), 095027 (2014).
- Kolind, K., Dolatshahi-Pirouz, A., Lovmand, J., Pedersen, F. S., Foss, M., Besenbacher, F. A combinatorial screening of human fibroblast responses on micro-structured surfaces. Biomaterials. 31 (35), (2010).
- Wilkinson, C. D., Riehle, M., Wood, M., Gallagher, J., Curtis, A. S. G. The use of materials patterned on a nano- and micro-metric scale in cellular engineering. Materials Science and Engineering C. 19 (1-2), 263-269 (2002).
- Hansen, H. N., Hocken, R. J., Tosello, G. Replication of micro and nano surface geometries. CIRP Annals. 60 (2), 695-714 (2011).
- Metwally, K., Barriere, T., Khan-Malek, C. Replication of micrometric and sub-micrometric structured surfaces using micro-injection and micro-injection compression moulding. International Journal of Advanced Manufacturing Technology. 83 (5-8), 779-789 (2016).
- Nian, S. -C. Novel embossing system for replicating micro-structures on curved surfaces. International Polymer Processing. 29 (3), 364-370 (2014).
- Bissacco, G., et al. Application of functional nano-patterning to polymer medical micro implants. Proceedings of the 4m/icomm2015 Conference. , (2015).
- Diaz Lantada, A., Piotter, V., Plewa, K., Barie, N., Guttmann, M., Wissmann, M. Toward mass production of microtextured microdevices: Linking rapid prototyping with microinjection molding. International Journal of Advanced Manufacturing Technology. 76 (5-8), 1011-1020 (2015).
- Volpato, N., Solis, D. M., Costa, C. A. An analysis of Digital ABS as a rapid tooling material for polymer injection moulding. International Journal of Materials and Product Technology. 52 (1-2), 3-16 (2016).
- Mischkot, M., Hansen, H. N., Pedersen, D. B. Additive manufacturing for the production of inserts for micro injection moulding. Proceedings of Euspen's 15th International Conference & Exhibition. , (2015).
- Zhang, Y., Hansen, H. N., Sørensen, S. Injection molding of micro pillars on vertical side walls using polyether-ether-ketone (PEEK). Proceeding of 11th International Conference on Micro Manufacturing. , ICOMM. Orange County, California, USA. (2016).
- Zhang, Y., Mischkot, M., Hansen, H. N., Hansen, P. Replication of microstructures on three-dimensional geometries by injection moulding of liquid silicone rubber. Proceedings of the 15th International Conference on Metrology and Properties of Engineering Surfaces, ASPE, March 2015. , ASPE. Charlotte, NC, USA. (2015).
- Envisiontec Perfactory MML with ERM. Technical Specifications Document no. MK-MCS-P3MiniMulti-V01-FN-EN. , EnvisionTEC GmbH. (2018).
- Switching to FDM to Build Thermoforming Molds Reduces Cost From $1200 to $100. , Stratasys. Available from: http://www.stratasys.com/resources/case-studies/commercial-products/xerox-thermoforming (2016).
- Hofstätter, T., Mischkot, M., Pedersen, D. B., Tosello, G., Hansen, H. N. Evolution of surface texture and cracks during injection molding of fiber-reinforced, additively-manufactured, injection molding inserts. Proceedings of ASPE Summer Topical Meeting 2016: Dimensional Accuracy and Surface Finish in Additive Manufacturing. , (2016).
- Perfactory® Material. , EnvisionTEC Gmbh. Available from: https://envisiontec.com/wp-content/uploads/2016/09/MK-MTS-HTM140IndustrialIV-V01-FN-EN.pdf (2017).
- Software Manual, 2010. , EnvisionTEC Gmbh. Available from: https://digfablab.wikispaces.com/file/view/Getting+started.pdf (2010).
- Olympus LEXT OLS4100 laser scanning digital microscope Manual. , Olympus. (2018).
- SPIP™ - Analytical Software for Microscopy. , Image Metrology. Available from: https://www.imagemet.com/products/spip/ (2017).
- Zhang, Y., Pedersen, D. B., Gøtje, A. S., Mischkot, M., Tosello, G. A soft tooling process chain employing additive manufacturing for injection molding of a 3d component with micro pillars. Journal of Manufacturing Processes. 27, 138-144 (2017).
