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
本文介绍了一种使用增材制造技术制作注塑模具嵌件的协议。该方法能够在复杂几何形状上创建微特征，解决了关键的制造挑战。
关键研究组成部分
科学领域
- 制造业
- 增材制造
- 注塑成型
背景
- 微特征可以增强复杂零件的功能。
- 减少加工时间和成本对试生产至关重要。
- 增材制造能够精确制造复杂设计。
- 使用计算机辅助设计在这个过程中是必不可少的。
研究目的
- 开发一种可靠的方法来创建注塑模具嵌件。
- 展示增材制造在生产微特征方面的有效性。
- 为制造业和聚合物加工研究人员提供详细协议。
使用的方法
- 使用计算机辅助设计软件设计嵌件。
- 准备树脂进行光聚合并使用光聚合机。
- 清洁和固化制造的嵌件。
- 使用激光扫描数字显微镜进行测量。
主要结果
- 该协议成功在嵌件上生产了微特征。
- 测量结果显示整个生产周期中尺寸稳定。
- SEM图像展示了制造表面的质量。
- 该技术支持制造业中软工装流程的探索。
结论
- 这种方法能够创建具有微特征的复杂几何形状。
- 它满足了制造业对精度的工业需求。
- 研究人员可以利用这种技术在聚合物加工方面取得进一步进展。
常见问题
Executive Industry Relevance
This soft tooling process chain enables cost-effective production of microstructured components for pilot-scale manufacturing, addressing a critical bottleneck in early-stage device development. By leveraging additive manufacturing for injection molding inserts, biopharma R&D teams can rapidly prototype microfluidic or lab-on-a-chip platforms with complex geometries and functional surface features. This approach reduces lead time and tooling expenses while supporting iterative design validation before committing to high-volume production tooling.
Strategic Applications in Biopharma R&D
Early Discovery & Target Validation
- Scientific Value: Enables fabrication of microfluidic devices with precise micro pillar arrays for single-cell analysis or biomarker screening applications.
- Operational Value: Supports rapid iteration of device geometries to optimize fluid dynamics and surface interactions in early assay development.
Screening & Assay Development
- Scientific Value: Produces reproducible microfeatures on complex surfaces, ensuring consistent fluid handling and surface-to-volume ratios critical for assay sensitivity.
- Operational Value: Delivers stable dimensional replication over 100 injection molding cycles, supporting reliable medium-throughput screening workflows.
Translational & Preclinical Research
- Scientific Value: Facilitates translation of microengineered designs from discovery to preclinical testing by enabling pilot production of functional prototypes.
- Operational Value: Reduces dependency on traditional CNC machining, accelerating prototyping timelines for device-based therapeutic or diagnostic platforms.
Pipeline & Workflow Integration
This method fits within the discovery-to-preclinical continuum by enabling rapid prototyping of microfluidic components used in target validation, assay optimization, and early preclinical evaluation of device-drug combinations.
- Discovery Biology: Supports hypothesis testing through customizable microenvironments that mimic physiological niches or cellular interaction patterns.
- Screening: Enables standardized production of assay-compatible substrates with quantifiable surface topographies for compound or cell-based screening.
- Analytics: Provides measurable outputs such as pillar height and diameter replication degrees, allowing quantitative assessment of process fidelity across production runs.
- Translational Research: Bridges design and validation by producing pilot-scale parts that maintain geometric and surface fidelity for preclinical feasibility studies.
- Enterprise Reuse: Establishes a reusable soft tooling workflow for iterative design cycles across multiple projects in microfluidic device development.
Operational & Enterprise Impact
- Scientific Value: Enhances predictive confidence in device performance by enabling precise replication of microfeatures critical to biological function.
- Operational Value: Reduces machining time and cost compared to conventional tooling, increasing throughput in prototyping phases.
- Strategic Value: Improves go/no-go decisions by allowing early-stage evaluation of manufacturability and functional performance of microstructured devices.
- Portfolio Impact: Supports risk-adjusted advancement by validating production feasibility before investment in hard tooling for scale-up.
Implementation Considerations
- Requires expertise in additive manufacturing, photopolymerization, and injection molding process control.
- Dependent on access to DLP-based 3D printers and compatible high-temperature photopolymers.
- Necessitates standardized post-processing including ultrasonic cleaning, UV curing, and dimensional metrology via laser scanning microscopy.
- Limited by insert lifetime, making it best suited for pilot production rather than high-volume manufacturing.
- Requires cross-functional alignment between design, fabrication, and quality teams to ensure replication fidelity of microfeatures across production batches.
