Eine weiche Werkzeuge Prozesskette für das Spritzgießen von ein 3D-Bauteil mit Micro Säulen
4. August 2018
Ein Protokoll für die Herstellung von Spritzguss-Einsätze für komplexe Geometrie mit Mikro-Features auf Oberflächen mit Additive Manufacturing (AM) wird vorgestellt.
Diese Methode kann dazu beitragen, wichtige Fragen im Fertigungsbereich zu beantworten, z. B. wie die Bearbeitungszeit und die Kosten für die Pilotproduktion reduziert werden können. Der Hauptvorteil dieser Technik besteht darin, dass dank der additiven Fertigung Mikromerkmale auf den Oberflächen komplexer Teile erzielt werden können. Dr. David Bue Pedersen, ein leitender Forscher, und Federico, ein Doktorand, und Michael, ein Techniker, werden die Spritzgussteile vorführen.
Verwenden Sie zunächst eine computergestützte Konstruktionssoftware, um den Einsatz zu entwerfen. Hier sind Darstellungen der beweglichen Seite und der Einspritzseite einer Form, um den Ring mit vier Zinken herzustellen. Die Zinken stehen in einem Winkel von 60 Grad.
Die Fertigungstoleranz beträgt 1/20 Millimeter. Bereiten Sie als Nächstes das Harz für die Photopolymerisation vor. Mischen Sie die Bestandteile 30 Minuten lang gründlich in einem Mischgerät.
Wählen Sie für die Herstellung eine Photopolymerisationsmaschine. Überprüfen Sie die Bauphase und stellen Sie sicher, dass die Maschine für den Fertigungsschritt richtig eingerichtet ist. Importieren Sie das Design, und führen Sie den Build mit der höchsten vertikalen Computerauflösung aus.
Nehmen Sie nach der Herstellung die bedruckten Einsätze, um sie zu reinigen. Legen Sie sie dreimal drei Minuten lang in Isopropanol in ein Ultraschallbad. Nachdem das Lösungsmittel bei Raumtemperatur verdampft ist, legen Sie die Einsätze in einen Exsikkator mit Raumtemperatur.
Bergen Sie die Einsätze und härten Sie sie zweimal mit UV-Taschenlampen aus. Wenn Sie fertig sind, entfernen Sie die Einsätze. Dies ist ein Beispiel für die Einfügungen an dieser Stelle.
Um sie zu beurteilen, verwenden Sie ein Laserscanning-Digitalmikroskop. Messen Sie den Durchmesser und die Tiefe von vier Löchern in der Nähe des Anschnitts auf dem Einsatz der beweglichen Seite und auf der Injektionsseite. Führen Sie außerdem Messungen an vier Löchern durch, die weit vom Tor entfernt sind.
Diese Mikroskopbilder zeigen Beispiele für den beweglichen Seiteneinsatz und den Injektionsseiteneinsatz in diesem Stadium. Das REM-Bild veranschaulicht die Oberflächenqualität. Arbeiten Sie mit einer herkömmlichen Spritzgießmaschine.
Stellen Sie sicher, dass das Mikroinjektionsmodul installiert ist. Arbeiten Sie dann mit den Einsätzen und Formplatten. Befüllen Sie dann den Trichter mit Polyethylengranulat.
Stellen Sie an den Steuerungen die Maschinenparameter ein und lassen Sie die Abkühlzeit für das zu entformende Teil zu. Erhitzen Sie die Schraube in der ersten bis fünften Sitzung. Wenn die Schmelztemperatur 175 Grad Celsius beträgt, beginnen Sie mit dem präzisen Spritzgießen.
Sobald der Hohlraum gefüllt ist, halten Sie einen Packungsdruck von 300 bar für fünf Sekunden aufrecht. Öffnen Sie als Nächstes die Form. Lassen Sie den Auswurfstift das Teil herausdrücken.
Dies ist ein Beispiel für das Teil, das mit diesem Protokoll geformt wurde. Hundert Zyklen wurden ausgeführt. Um die Formteile zu beurteilen, kehren Sie zum Laserscanning-Digitalmikroskop zurück.
Säulen werden auf der Oberfläche erhalten. Messen Sie den Durchmesser und die Höhe der Pfeiler auf den Gleislinien auf zwei Flächen in unterschiedlichen Abständen vom Tor. Dabei handelt es sich um eine rasterelektronenmikroskopische Aufnahme der Einsatzoberfläche, die durch additive Fertigung hergestellt wurde.
Zum Vergleich hier ein REM-Bild des im Spritzgussverfahren hergestellten Polyethylenteils. Die Nennabmessungen der Löcher am Einsatz betragen 200 Mikrometer im Durchmesser und 200 Mikrometer in der Tiefe. Dabei handelt es sich um einen Vergleich der Säulenhöhe dividiert durch die Tiefe des Lochs, der als Replikationsgrad der Säulenhöhe bezeichnet wird.
Die Chargen sind in Gruppen von 10 in der Reihenfolge, die im Lauf von 100 produzierten Teilen produziert wird. Die Werte stammen aus einer zufällig ausgewählten Stichprobe aus jeder Gruppe. Verschiedenfarbige Balken beziehen sich auf unterschiedliche Positionen auf der Einlage.
Hier ist ein analoges Diagramm für den Replikationsgrad des Säulendurchmessers. Der Durchmesser der Säule geteilt durch den Lochdurchmesser. Diese Diagramme zeigen, dass der Prozess an jeder Position über einen Zeitraum von 100 Zyklen stabil war.
Die Abmessungen der Löcher an den Teilen blieben nach dem Spritzgießen unverändert, was die Schlussfolgerung unterstützt. Diese Technik ebnete den Weg für Forscher in der Herstellung und Polymerverarbeitung, um den Soft-Tooling-Prozess zu erforschen. Sie ermöglicht die Erstellung von Microfeatures auf Freiformflächen auf der neuen Produktionsplattform, die den Anforderungen der Industrie gerecht wird.
Überblick
Dieser Artikel präsentiert ein Protokoll zur Herstellung von Spritzgießeinlagen mittels additiver Fertigungsverfahren. Die Methode ermöglicht die Erstellung von Mikromerkmalen auf komplexen Geometrien und adressiert wichtige Fertigungsherausforderungen.
Wichtige Studienkomponenten
Wissenschaftsgebiet
- Fertigung
- Additive Fertigung
- Spritzgießen
Hintergrund
- Mikromerkmale können die Funktionalität komplexer Teile verbessern.
- Die Reduzierung der Bearbeitungszeit und der Kosten ist für die Pilotproduktion entscheidend.
- Additive Fertigung ermöglicht die präzise Herstellung komplizierter Designs.
- Die Nutzung computergestützter Konstruktion ist im Prozess unerlässlich.
Zweck der Studie
- Eine zuverlässige Methode zur Herstellung von Spritzgießeinlagen zu entwickeln.
- Die Effektivität der additiven Fertigung bei der Produktion von Mikromerkmalen zu demonstrieren.
- Ein detailliertes Protokoll für Forscher in der Fertigung und Polymerverarbeitung bereitzustellen.
Verwendete Methoden
- Entwerfen von Einlagen mittels computergestützter Konstruktionssoftware.
- Vorbereitung des Harzes für die Photopolymerisation und Verwendung einer Photopolymerisationsmaschine.
- Reinigen und Aushärten der hergestellten Einlagen.
- Durchführung von Messungen mit einem lasergestützten digitalen Mikroskop.
Hauptergebnisse
- Das Protokoll produzierte erfolgreich Mikromerkmale auf den Einlagen.
- Messungen zeigten stabile Abmessungen während der gesamten Produktionszyklen.
- SEM-Bilder demonstrierten die Qualität der hergestellten Oberflächen.
- Die Technik unterstützt die Erforschung von Soft-Tooling-Prozessen in der Fertigung.
Schlussfolgerungen
- Diese Methode ermöglicht die Herstellung komplexer Geometrien mit Mikromerkmalen.
- Sie erfüllt die industriellen Anforderungen an Präzision in der Fertigung.
- Forscher können diese Technik für weitere Fortschritte in der Polymerverarbeitung nutzen.
Häufig gestellte Fragen
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.
