医疗器械的使用3D印刷模具的液体注射成型快速，低成本原型

Summary

我们已通过使用用于模具的设计和改进的干燥器熔融沉积建模三维打印机作为液体喷射系统设计了一种方法用于低成本和液态弹性体橡胶注射成型设备的快速原型。

Abstract

生物惰性的弹性体，如硅树脂是用于医疗装置的制造有利的材料，但形成和使用传统的液体注射成型工艺的固化这些弹性体可以是一个昂贵的过程中，由于模具和设备的成本。作为一个结果，它在传统上一直不切实际的使用液体注射成型的低成本，快速原型应用程序。我们已经发明了一种方法，用于快速和低成本的生产液态弹性体的注塑装置，它利用进行模具设计和修饰的干燥器作为注射系统熔融沉积建模三维打印机。成本低，在这种技术的快速周转时间降低门槛迭代设计和原型制作复杂的弹性体装置。此外，在这个过程中开发的CAD模型可以购买适合于金属模具的模具设计，从而实现了容易过渡到一个传统的注塑成型工艺。我们已经用这种技术制造intravagINAL探头涉及复杂的几何形状，以及包覆成型在金属部件，使用中的学术研究实验室常用的工具。然而，这种技术可以很容易地适应创建许多其他应用的液体注射成型设备。

Introduction

液体注射成型（LIM）（也称为反应注射成型）经常被用来制造从热固性弹性体的弹性装置，但高工装和设备成本需要大量的前期资本投资^1。此外，LIM可以在技术上具有挑战性的和昂贵的实现与复杂的几何形状和包覆成型要求的情况。其结果是，它通常是不切实际的，使用传统的LIM在超低量或与早期设备的设计，往往招致迭代修改。

典型的流程型注塑弹性体材料包括注射液单体在大约150磅的压力注入模具使用专门的成型机械^2。的温度和压力进行控制，以确保层流，并防止空气被截留在模具^3。原料通常是由两部分组成的硫化体系，如铂固化有机硅，叔帽子是在注射之前保存在单独的温度和控制室。原材料的两个组件被泵入高压混合室，其随后送入模腔。固化是通过在催化剂的存在下以及温度约^150-200℃4来实现。模具加工通常由钢或铝，公差精确到周围建立离别边缘^3,5良好的密封。不幸的是，这个过程一般比较适合于较大规模的生产给予了高度的模具加工成本以及专门的注入和反馈控制系统的要求。

对于聚氨酯（PU）份的快速原型设计，它有可能使用立体光刻（SLA）来创建一个主模和生产硅橡胶模具^6,7。然而，这种技术不适合于包覆成型，因为它是难以实现的包覆成型的部件的精确对准，因为硅酮是，由设计，而不是一个刚性结构。此外，生产具有复杂几何形状，如内陷或挖空部分的设备....

Protocol

这个协议描述了使用特定的术语和功能在用于模具设计和制作步骤SolidWorks软件，虽然其他软件包也可以被用来实现相同的结果。

1，模具设计与制造

1. 采用计算机辅助设计（CAD）软件设计，以规模的模具师傅。在模具师傅设计具体的程序将取决于所需的弹性体装置的具体几何形状有所不同。这和随后的步骤将说明，导致在一个特定的模具师傅，模具设计，大致类似于在代表结果部分所描绘的阴道探头装置的关键步骤。
   1. 以限定探头尖端，创建二维草图中的右平面，指定类似于图2A中的杯形几何结构的径向横截面的内部和外部边界。使用“智能尺寸”草图工具定义草图尺寸。确保所有的几何形状是通过将草图元素之间有足够的关系适当限制。完成后，退出草图。

   
   图2。二维CAD草图。 A）2D草图可被径向地围绕绕Y轴，以产生一个类似的阴道内探针装置B）的泪滴形的2D草图....

Results

在图14和15的模具和阴道探头演示本文中介绍的过程中有代表性的结果。

图14。完全组装模具。完全组装模具阴道探头装置。

该设备相同的设备。 二）侧视图的杯状尖如图15所示。阴道内探测设备。决赛.......

Discussion

所有上述步骤，仔细模具设计是最关键的成功之路。模具主机应该被创建为一个实心体与外部几何形状应使其在最终的设备。这些几何形状应调整，以考虑任何材料收缩率，由于所选择的弹性体以及3D打印机的分辨率和公差。模具分型线和通孔的螺纹杆和螺钉的位置是依赖于彼此。加的分型线增加线性和旋转度模装置自由的编号。贯通孔和螺纹杆和螺丝作用来限制这些相同自由度。模具必须被设计成使得它限制了所有线性和旋转自由度当完全组装时，同时使除去约束螺纹杆和螺钉被移除时完全固化的弹性体装置。如果该固化的弹性体是合理的弹性变形，分型线可以被定义，例如吨帽子的功能悬彼此略有因为完全固化装置可以推或拉出来的模件。如果包覆模制部件是理想的，模具的设计还必须提供定位功能，在一个完全组装模具约束包覆成型的部件的运动。模具的分型线应仔细选择，以尽量减少模具件所必需的，以产生所希望的弹性体装置的数量。最小化的模片和分型线的数量减少为闪光形成的可能性和减少数量的通孔所需的模具组件在压缩模件。根据我们的经验，一个ABS模具持续约20采用ABS塑料穿出来之前，裂纹，银纹或因挤压应力和加热循环。

一旦模件都使用FDM三维打印机被打印，若干修改.......

Materials

List of materials used in this article

Name	Company	Catalog Number	Comments
ABS 模型材料	Stratasys	P430	用于 uPrint Plus SE 的模型材料（步骤：模具设计和生产）
可溶性支撑材料	Stratasys	SR-30	uPrint Plus SE 支撑材料（步骤：模具设计和生产）
水下硅胶密封剂，2.8 盎司管，透明	McMaster-Carr Supply Company	7327A21	硅胶 RTV，用于密封模具分型线的间隙（步骤：模具组装）
管材，1/8 英寸内径，1/4 英寸外径，1/16 英寸壁厚，超耐化学腐蚀的 Tygon PVC，透明	McMaster-Carr Supply Company	5046K11	用弹性体在模具和注射器之间形成流道/浇口适配器（步骤：弹性体混合）
耦合器，适配器，直，外螺纹快速转动（鲁尔锁）X 1/8" 管倒钩，尼龙	McMaster-Carr Supply Company	51525K123	用弹性体连接模具和注射器之间的流道/浇口（步骤：弹性体混合）
耦合器，适配器，固定，女性快速转动（鲁尔锁）X 1/8" 管倒钩，尼龙	McMaster-Carr Supply Company	51525K213	用弹性体连接模具和注射器之间的流道/浇口（步骤： 弹性体混合）
帽，内螺纹快速转动（鲁尔锁），尼龙	McMaster-Carr Supply Company	51525K315	防止硅胶在注射后从模具中泄漏的盖子（步骤：弹性体混合）
液态硅橡胶 （LSR） 30 - 10：1，植入级	应用硅胶公司	PN40029	用您选择的弹性体替代。这是用于阴道内探针的注射器（步骤：弹性体混合）
注射器 （BD），1 ml Slip-Tip，非无菌清洁，散装	Cole-Parmer	WU-07945-00	注射器，用于转移弹性体材料（步骤：弹性体混合）
注射器 （BD），1 ml Slip-Tip，非无菌清洁，散装	Cole-Parmer	WU-07945-04	注射器，用于转移弹性体材料（步骤：弹性体混合）
注射器，20 ml，开孔，实心环柱塞和手柄	Qosina Corporation	C1200	注射器，用于转移弹性体材料。开孔用于非常粘稠的弹性体。（步骤：弹性体混合）
针头 （BD），非无菌 带防护罩清洁，18 克 x 1.5 英寸长，不锈钢，BD 散装	Cole-Parmer	WU-07945-76	用于去除注射器柱塞和弹性体之间的气柱（步骤：弹性体混合）
塑料杯，12 盎司，透明	Safeway	N/A	用于在 THINKY 混合器中混合硅胶（步骤：弹性体混合）
聚乙烯袋，开口，扁平，5 英寸宽 x 6 英寸高， 2 MIL Thk.	McMaster-Carr Supply Company	1928T68	用于在 THINKY 混合器中混合硅胶（步骤：弹性体混合）
橡皮筋，不含乳胶，橙色，尺寸 64,3-1/2" L x 1/4" W	McMaster-Carr Supply Company	12205T96	用于在 THINKY 混合器中混合硅胶（步骤：弹性体混合）
封口膜包装，4" W	Cole-Parmer	EW-06720-40	用于在 THINKY 混合器中混合硅胶（步骤： 弹性体混合）
带塞子的注射器桶，鲁尔锁，气动，  50 ml	EWD 解决方案	JEN-JG50A-15	如果需要较少的弹性体，可以使用较小的注射器，但请确保它与注射室中的气动注射器适配器兼容（步骤：弹性体混合）
密封胶带，管螺纹，50' Lg x 1/4" W，0.0028" Thk， 0.5 G/CC 比重	McMaster-Carr Supply Company	4591K11	特氟龙胶带，用于螺纹周围的气密密封（步骤：弹性体注射）
手术刀刀片，一次性，编号 22	VWR	21909-646	用于切割管材和脱模（步骤：固化和脱模）
Kimwipes	VWR	21903-005	（步骤：固化 &脱模）
2-丙醇， JT Baker	VWR	JT9334-3	（步骤：固化 &脱模）
uPrint Plus SE 3D 打印机	Stratasys	uPrint Plus SE	可以使用其他 3D 打印机（步骤：模具设计和生产）
螺丝，帽，六角头，  1/4"-28,2-1/2"长，18-8	麦克马斯特-卡尔供应公司	92198A115	螺丝与螺母一起用于压缩模具（步骤：模具组装）
螺母，六角，1/4"-28,7/16"宽，7/32"高，18-8不锈钢	McMaster-Carr Supply Company	91845A105	螺丝与螺母一起用于压缩模具（步骤：模具组装）
螺柱，全螺纹，1/4"-28,1"长度，18-8不锈钢	麦克马斯特-卡尔供应公司	95412A567	螺纹杆可以切割成所需的长度，并与螺母一起使用以压缩模具（步骤：模具组装）
行星离心混合机	THINKY USA Inc.		强烈建议使用混合器进行精细混合和减少脱气时间，但手动混合也很好（步骤：弹性体混合）
实验室电子秤	梅特勒-托利多国际公司	EL602	（步骤：弹性体混合）
干燥剂真空罐，可重复使用，  10-3/4" OD	McMaster-Carr Supply Company	2204K7	这个干燥器用于对弹性体进行脱气（步骤：弹性体混合）
定制的 3D 打印混合器到杯适配器	N/A	N/A	在 Solidworks CAD 和 3D 打印中建模（步骤：弹性体混合）
管材，光滑孔，1/4 英寸内径，1/2 英寸外径，1/8 英寸壁厚，高纯度 Tygon PVC，透明	McMaster-Carr Supply Company	5624K51	干燥器外的管材（步骤：弹性体注射）
管材，光滑孔，3/8 英寸内径，5/8 英寸外径，1/8 英寸壁厚，高纯度 Tygon PVC，透明	McMaster-Carr Supply Company	5624K52	管材以适应空气/真空供应（步骤： 弹性体注射）
接头，异径管，直式，真空倒钩 3/8" 管内径 x 真空倒钩 1/4" 管内径，黄铜	McMaster-Carr Supply Company	44555K188	将干燥器外的管道适配到通向空气/真空供应的管道（步骤：弹性体注射）
夹子、软管和管子，蜗杆驱动，用于 7/32" 至 5/8" 外径管，5/16" Wd.，316 SS	McMaster-Carr Supply Company	5011T141	用于管道，在接头处形成气密/真空密封（步骤：弹性体注射）
卡箍，软管，滑带蜗杆驱动，用于 1/2" 至 3/4" 外径管，3/8" Wd.，304 SS	McMaster-Carr Supply Company	5574K13	用于管道，在接头处形成气密/真空密封（步骤： 弹性体注射）
耦合器，三通，真空倒钩 1/4" 管内径，黄铜	McMaster-Carr Supply Company	44555K138	真空三通接头，干燥器上的三通 T 阀和三通 L 阀（步骤：弹性体注射）
耦合器，三通，1/4 NPT 内螺纹 x 内螺纹 x 外螺纹，黄铜	McMaster-Carr Supply Company	50785K222	压力表、腔室和三通 L 型阀之间的三通接头（步骤：弹性体注射）
阀门，球，直，T型手柄，1/4 NPT内螺纹 x 外螺纹，黄铜	McMaster-Carr Supply Company	4082T42	三通L型阀（步骤：弹性体注射）
耦合器，适配器，直，真空倒钩 1/4"内径管 x 1/4 NPT 外螺纹，黄铜	McMaster-Carr Supply Company	44555K132	三通L型阀对管适配器（步骤：弹性体注射）
锯，孔，双金属。1-3/8" 外径，1-1/2" 切割深度	McMaster-Carr Supply Company	4066A25	用于在穿墙配件的干燥器上切割孔（步骤：弹性体注入）
心轴，9/16" 至 1-3/16" 锯，1/4" 六角	McMaster-Carr 供应公司	4066A76	用于在穿墙配件干燥器上切割孔（步骤：弹性体注入）
用于 1-1/4" 至 6" 直径孔锯的心轴适配器	McMaster-Carr Supply Company	4066A77	用于在穿墙配件的干燥器上切孔（步骤：弹性体注射）
耦合器，直，穿墙，1/2 NPT 内螺纹，聚丙烯	McMaster-Carr Supply Company	36895K141	通向压力/真空计的穿墙配件（步骤：弹性体注射）
耦合器，适配器，直，异径， 衬套，六角，1/2 NPT 外螺纹 X 1/4 NPT 内螺纹，黄铜	McMaster-Carr 供应公司	4429K422	干燥器内部的减径管直径，以适应气动注射器系统（步骤：弹性体注射）
耦合器，适配器，直，异径，衬套，六角，1/4 NPT 外螺纹 X 1/8 NPT 内螺纹，黄铜	McMaster-Carr Supply Company	4757T91	干燥器内部的减径管直径以适应气动注射器系统（步骤：弹性体注射）
耦合器，适配器，直，真空倒钩 1/4" 内径管 X 1/8 NPT 内螺纹，黄铜	McMaster-Carr Supply Company	44555K124	干燥器内部的减径管直径，以适应气动注射器系统（步骤：弹性体注射）
注射器适配器，气动，30/50 ml	EWD 解决方案	JEN-JG30A-X6	干燥器内部的气动注射器适配器;必须与用于容纳弹性体的注射器兼容（步骤：弹性体注射）
仪表，双刻度真空，2-1/2"刻度盘，1/4 NPT公头，底部连接器，30" Hg-0，钢壳	McMaster-Carr供应公司	4002K11	真空计（步骤：弹性体注射）
仪表，双刻度真空和化合物，3-1/2"刻度盘，1/4 NPT公头，中心背面，30" Hg-0,100 PSI，钢壳	McMaster-Carr Supply Company	4004K616	通向气动注射器系统的压力表（步骤：弹性体注射）
烘箱、真空、Isotemp、经济型	Fisher Scientific	280A	标准非真空烘箱（步骤：固化 &脱模）
Solidworks CAD	Dassault Systèmes	Solidworks Research Subscription	其他 CAD 软件可用于模具主模和模具设计（步骤：模具设计和生产）