微柱3D 构件注塑成型的软加工工艺链
2018年8月4日
提出了一种采用添加剂制造 (AM) 的表面具有微特征的复杂几何形状的注塑件的制作方案。
这种方法可以帮助解决制造领域的关键问题，例如如何减少试生产的加工时间和成本。该技术的主要优点是，由于增材制造，可以在复杂零件的表面上实现微特征。高级研究员 David Bue Pedersen 博士和博士生 Federico 将演示增材制造部分，Michael 是一名技术员，他们将负责注塑成型部分。
首先，使用计算机辅助设计软件设计嵌件。以下是模具的可移动侧和注射侧的描述，用于生产具有四个尖齿的环。尖齿呈 60 度角。
制造公差为 1/20 毫米。接下来，准备用于光聚合的树脂。在混合装置中充分混合其成分 30 分钟。
对于制造，请选择光聚合机。检查构建阶段，并确保机器已为制造步骤正确设置。导入设计并以最高的垂直机器分辨率运行构建。
制造完成后，拿着打印好的插页进行清洁。将它们放入超声波浴中的异丙醇中 3 分钟，共 3 次。溶剂在室温下蒸发后，将插件放入室温干燥器中。
恢复嵌件并用紫外线手电筒固化两次。完成后，取出插入物。这是此时的插入示例。
要评估它们，请使用激光扫描数字显微镜。测量活动侧嵌件和注射侧靠近浇口的四个孔的直径和深度。此外，在远离浇口的 4 个孔上进行测量。
这些显微镜图像提供了此阶段可移动侧插件和注射侧插件的示例。SEM 图片说明了表面质量。使用传统的注塑机。
确保已安装显微注射模块。然后，使用镶件和模板。然后，用聚乙烯颗粒装入料斗。
在控件处，设置机器参数并为要脱模的部件留出冷却时间。在第一次到第五次期间加热螺丝。当熔体温度为 175 摄氏度时，开始精确的注塑成型。
填充型腔后，保持 300 bar 的保压压力 5 秒钟。接下来，打开模具。让顶针将零件推出。
这是使用此协议模制的零件的示例。执行了 100 个循环。要评估成型件，请返回激光扫描数字显微镜。
柱子是在地表获得的。测量距闸门不同距离的两个区域的轨道线上柱子的直径和高度。这是通过增材制造制造的嵌件表面的扫描电子显微照片图像。
为了进行比较，这是通过注射成型生产的聚乙烯部件的 SEM 图像。嵌件上孔的标称尺寸为直径 200 微米，深度为 200 微米。这是柱子高度除以孔深的比较，称为柱子高度复制度。
这些批次以 10 个为一组，按照 100 个已生产零件的批次中生产的顺序进行。这些值来自每组中随机选择一个样本。不同颜色的条形表示插入物上的不同位置。
这是柱直径复制度的类似图。柱直径除以孔直径。这些图表明，在 100 个周期的过程中，每个位置的过程都是稳定的。
注塑成型后零件上孔的尺寸没有变化，这支持了这一结论。这项技术为制造和聚合物加工领域的研究人员探索软模具工艺铺平了道路。它使在满足工业需求的新生产平台上的自由曲面上创建微特征成为可能。
概述
本文介绍了一种利用增材制造技术制备注塑模具嵌件的方案。该方法能够在复杂几何结构上创建微细结构，解决了关键的制造难题。
关键研究组成部分
科学领域
- 制造
- 增材制造
- 注塑成型
背景
- 微结构特征可增强复杂零件的功能性。
- 缩短加工时间和降低成本对于试生产至关重要。
- 增材制造技术能够精确制造复杂的结构设计。
- 该工艺过程中必须使用计算机辅助设计。
研究目的
- 建立一种可靠的注塑模具嵌件制备方法。
- 展示增材制造在微结构特征加工中的有效性。
- 为从事制造与聚合物加工领域的研究人员提供详细的实验方案。
使用的方法
- 使用计算机辅助设计软件设计插入件。
- 准备用于光聚合的树脂，并使用光聚合设备。
- 清洗并固化制备好的插入件。
- 使用激光扫描数字显微镜进行测量。
主要结果
- 该方案成功在插入物上制备出微细结构。
- 测量结果表明，在整个生产周期中尺寸保持稳定。
- 扫描电镜图像展示了所制备表面的质量。
- 该技术有助于推动制造业中软模具工艺的探索。
结论
- 该方法能够制造具有微细结构的复杂几何形状。
- 它满足了工业制造中对精度的要求。
- 研究人员可利用该技术进一步推动聚合物加工领域的进步。
常见问题
行业重要性概述
这种软工具工艺链能够经济高效地生产用于中试规模制造的微结构部件，解决了早期设备开发中的关键瓶颈。通过利用增材制造技术制作注塑模具嵌件，生物制药研发团队可以快速原型化具有复杂几何形状和功能性表面特征的微流控或芯片实验室平台。该方法在投入大规模生产模具之前，缩短了研发周期并降低了工装成本，同时支持迭代式设计验证。
生物制药研发中的战略应用
早期发现与靶点验证
- 科学价值：能够制备具有精确微柱阵列的微流控器件，用于单细胞分析或生物标志物筛选应用。
- 操作价值：支持器件几何结构的快速迭代，以优化早期检测开发中的流体动力学和表面相互作用。
筛选与检测方法开发
- 科学价值：可在复杂表面上生成可重复的微结构特征，确保一致的流体操控性能和表面积与体积比，这对检测灵敏度至关重要。
- 操作价值：在超过100次注塑成型循环中实现稳定的尺寸复制，支持可靠的中通量筛选工作流程。
转化与临床前研究
- 科学价值：通过实现功能性原型的试生产，促进微加工设计从发现阶段向临床前测试的转化。
- 运行价值：降低对传统数控加工的依赖，加快基于设备的治疗或诊断平台的原型开发进度。
流程与工作流整合
该方法通过实现用于靶点验证、检测优化以及器械-药物组合早期临床前评价的微流控组件的快速原型制作，契合从发现到临床前研究的连续过程。
- 发现生物学：通过可定制的微环境支持假设验证，这些微环境可模拟生理生态位或细胞相互作用模式。
- 筛选：实现标准化的检测兼容性基底的制备，其表面形貌可量化，适用于化合物或基于细胞的筛选。
- 分析：提供可测量的输出参数，如微柱高度和直径的复制程度，从而对不同生产批次间的工艺保真度进行定量评估。
- 转化研究：通过制备保持几何结构和表面特性的中试规模部件，连接设计与验证环节，支持临床前可行性研究。
- 企业级复用：建立可重复使用的软模具工作流程，支持在多个微流控器件开发项目中进行迭代设计循环。
运营与企业影响
- 科学价值：通过精确复制对生物功能至关重要的微结构特征，提高对设备性能的预测可信度。
- 操作价值：相比传统加工工艺，缩短了加工时间并降低了成本，提高了原型开发阶段的生产效率。
- 战略价值：通过在早期评估微结构器件的可制造性及功能性能，优化决策流程，提升立项或终止项目的判断准确性。
- 项目组合影响：在投入硬模工具进行规模化生产之前验证生产的可行性，支持基于风险评估的项目推进。
实施注意事项
- 需要具备增材制造、光聚合以及注塑成型过程控制方面的专业知识。
- 依赖于DLP型3D打印机及相容的耐高温光敏树脂的可获取性。
- 需要标准化的后处理流程，包括超声波清洗、紫外光固化，以及通过激光扫描显微镜进行的尺寸计量。
- 受限于嵌件的使用寿命，因此更适合试生产而非大批量制造。
- 需要设计、制造和质量团队之间的跨职能协同，以确保微结构特征在不同生产批次间的复制精度。
