Summary
Ett protokoll för fabricera formsprutning skär för komplex geometri med micro funktioner på ytor som sysselsätter additiv tillverkning (AM) presenteras.
Abstract
Syftet med denna uppsats är att presentera metoden i en mjuk verktyg processkedjan anställa additiv tillverkning (AM) för tillverkning av injektion gjutning skär med micro surface-funktioner. De mjuka verktyg skär tillverkas av Digital Light Processing (moms foto polymerisation) använder en fotopolymer som tål relativt höga temperaturea. Den delen som tillverkas här har fyra fingrar med en vinkel på 60°. Micro pelare (Ø200 µm, bildförhållande 1) arrangeras på ytor av två rader. Formsprutning av polyetylen (PE) med de mjuka verktyg skär används för att tillverka de sista delarna. Denna metod visar att det är möjligt att erhålla formsprutade delar med mikrostrukturer på komplex geometri av additiv tillverkade infogar. Den bearbetningstid och kostnaden reduceras avsevärt jämfört med konventionella verktyg processer baserat på dator numerisk styrning (CNC) bearbetning. Måtten på micro funktioner påverkas av tillämpad additiv tillverkningsprocessen. Livslängden på skären avgör att denna process är mer lämplig för pilot produktion. Precisionen i skär produktionen begränsas av additiv tillverkningsprocessen samt.
Introduction
Den presenterade metoden syftar till att tillverka komplexa ytan med micro funktioner av en mjuk-verktyg process, dvs att använda polymer additiv tillverkning för att producera skär för polymer formsprutning. Med andra ord, är polymer delar med funktionella ytor formsprutad av polymera inlägg.
Ytan funktioner kan förverkligas genom mikro funktioner; exempelvis Doan o.a. 1 och Luchetta o.a. 2 Visa funktionella ytor inom cellbiologi och Hu et al. 3 visar ett exempel på optiska element o.s.v. En typ av yta funktion, micro pelare, har undersökts intensivt för att främja cellproliferation. De ska kunna förbättra limning mellan proliferated vävnader och ytan om mikro pelarna är mönstrade i vissa sätt4,5.
Polymer replikationer av micro funktioner har studerats intensivt och exakt gjutning kan uppnås genom många processer6. Exempelvis har Metwally et al. rapporterade HiFi mellan gjutna delar och mögel för replikering av mikroföretag och sub-Micro funktioner på plana ytor7.
Det finns många protokoll för tillverkning micro pelare eller funktioner; de flesta av dem kan dock endast tillämpas på plana ytor eller ytor med konstant krökning. Exempelvis Nian o.a. 8 visade att micro funktioner skulle kunna uppnås genom varmpressning på en böjd yta. Dessa protokoll är inte lämpliga för komplexa former med tredimensionella ytor, som krävs i de flesta verkliga enheter. Tydligen, tillverkning av en tre dimensionell hålighet med micro funktioner på ytan utmanar nuvarande protokoll; under tiden utmatning av delar kan misslyckas för hög bildförhållande pelare på en komplex yta om de icke-vinkelrätt till den demolding riktningen. Bissacco et al. 9 används 3D mögel skär och erhålls sub-Micro funktioner genom formsprutning; i deras studie, var sub-Micro särdrag med bildförhållandet låg genereras av en aluminium anodisering process och framgångsrikt replikeras av polymer på en komplex komponent.
Forskare har försökt att involvera additiv tillverkning i processen kedjor för polymer replikering för att uppnå designade ytstruktur. Lantada et al. beskrivs en processkedjan som börjar från AM prototyper, och sedan använder beläggning tekniker för att erhålla metalliska mögel skär för formsprutning10. Polymerkomponenter som produceras av AM har visat sig vara direkt tillämplig som mögel infogar11,12, som är mjuka verktyg processen presenteras i detta protokoll.
I vårt tidigare arbete visat vi att Ø4 µm PEEK pelare (2 µm hög) var framgångsrikt demolded på en vertikal vägg av formsprutning13. I detta protokoll, undersökta produkten är en ring med fyra fingrar, varje kännetecknas av att ha en vinkel på 60°. Denna produkt har studerats av Zhang et al. 14, där mikro funktioner introducerades genom att implementera prefabricerade nickel plattor och micro pelare (Ø4 µm) med bildförhållande på 0,5 erhölls genom silikon gummi formsprutning på pinnarna.
I denna metod erhållas micro funktioner på komplexa ytor skapad av en mjuk verktyg processkedjan. Stål mögel håligheter ersätts av en uppsättning skär av moms foto-polymerisation-baserade AM. Jämfört med metall AM, AM fotopolymer baserat teknik kunna uppnå högre precision15. Dessutom reduceras den bearbetningstid och kostnaden avsevärt jämfört med konventionella verktyg processer baserat på CNC-bearbetning. Enligt en nyligen fallstudie16, reduceras med mjuk-verktyg för termoformning, kostnaden med 91%, medan den förbrukade tiden minskas med 93%. Detta protokoll är lämplig för produkter som kräver en hög design flexibilitet och mellanliggande produktionsvolymen. Det har bevisats att skär tillverkade av kolfiber förstärkt polymerer tål upp till 2500 cykler för polyeten innan märkbar mögel försämring17för formsprutning. Valet av formsprutade material begränsas av termiska egenskaper av det valda fotopolymer för vändskär. Polymerer med hög smälttemperaturer får inte tillämpas i en hålighet, fotopolymer. I denna studie valdes polyeten (PE) att genomföra de formsprutning test.
Protocol
1. Infoga tillverkning av additiv tillverkning (AM)
- Utforma de nödvändiga hålrum av datorstödd design software (se Kompletterande material för filer som används i detta arbete).
Obs: Tillverka skären direkt på byggnadsstadiet utan stöd för att undvika skevhet skären under härdningen. Toleransen är 0,05 mm. - Välj ett harts för foto polymerisation, särskilt en som tål tryck och värme under formsprutning.
Obs: Kådan valde vi (se Tabell för material) har en draghållfasthet av 56 MPa, töjning på paus på 3,5%, en böjhållfasthet av 115 MPa, en böj modulus av 3350 MPa och en heat deflection temperatur 140 ° C18. - Blanda färdigblandad fotopolymer blandningen (egenutvecklade metylmetakrylat och akrylamid smälter, med en TiO2 baserat foto initieraren) i minst 30 minuter genom att köra materiella behållaren på en våt-laboratorium flaska roller, kolven shaker eller liknande blandningsanordningen.
- Förbered maskinen foto polymerisation (voxel-storlek 16 µm):
- För nedifrån och upp-AM maskiner, kontrollera att moms beläggningen är oskadade och grundligt rengjorda.
- För uppifrån maskiner, inspektera avtorking systemet några defekter.
- Inspektera bygga scenen och justera bygga plattan med en 100 µm gauge folie att korrekt kompensera bygga plattan för mervärdesskatt.
- Pre tända ljuskällan av machine tool om möjligt uppnå steady state temperatur innan utvecklas. Denna temperatur bör vara 65 ° C i ljusmotorn och 30 ° C inuti mervärdesskatten.
- Importera geometri till jobb förberedelse programvara. Följ riktlinjerna från maskinen tillverkaren19.
- Tilldela lämpliga maskinparametrar som matchar den valda fotopolymer (ljus intensitet och lager tjocklek för utnyttjad maskinen).
- Kör bygget på den högsta vertikalmaskin upplösningen (25 µm i denna forskning).
- Ren de tryckta skär.
- Skölj dem i isopropanol utsätts för ultraljudsbad för 3 min. Skölj grundligt tre gånger, och säkerställa att inga fotopolymer rester finns kvar på ytan av de tryckta skären.
- Låt lösningsmedlet avdunsta helt i rumstemperatur och ställa skären till torka över natten i rumstemperatur i exsickator.
- Inlägget bota torkade skären med UV lampan blinkar två gånger, varje gång av 2000 blinkar med en frekvens av 10 blixtar per sekund (se Tabell för material).
2. formsprutning (IM)
- Installera modulen micro injektion på en konventionell Formsprutning maskin (se Tabell för material).
Obs: I vårt fall, modulen injektion hade en skruv som monterade i en vinkel på 45°, skruv diameter var 8 mm och klämkraften var 100 kN. - Montera skären på mögel plattor.
Figur 1: injektion maskin med formar. (a) injektion sida monteras med plattorna. Skäret är markerad med en röd cirkel. (b) lös sida monteras med plattorna med utmatningsverktyget. Skäret är markerad med en röd cirkel. Klicka här för att se en större version av denna siffra.
- För att kompensera för variationer under tryckprocessen, manuellt göra några smärre ändringar till skären nödvändigt för att passa mögel.
- Skruva fast mögel plattorna på maskinen.
- Ladda PE granulat på tratten.
- Ställ in parametern maskin Tmögel vid 60 ° C, Tfat på 175 ° C och Vinjektion på 65 mm/s. ge tillräcklig kylning tid för delen att vara demolded.
- Värm skruven på 31 ° C, 155 ° C, 165 ° C, 170 ° C och 175 ° C från 1: a till 5: e session. När den smälta temperaturen är 175 ° C, starta korrekt formsprutning. När kaviteten är fylld, bibehålla packning trycket av 300 bar i 5 sekunder för att kompensera för PE krympning.
- Öppna mögel och låta in utmatningsverktyget att driva den PE-delen av den rörliga sidan av Infoga. Om den PE delen spänns fast på skäret, ta delen ut för hand.
- Stoppa maskinen på 100 cykler av formsprutning (en cykel definieras från när formen är stängd tills delen matas).
3. kvalitetsbedömning
- Mät diametern och djupet av hålen på skären innan formsprutning av en laserscanning digital Mikroskop20 . Mäta på båda skären; på varje insats, mäta fyra hål på två områden med olika avstånd till porten ”nära porten” och ”långt från grinden”.
Figur 2: uppmätt områden markeras på CAD bilden av mellanläggen. (a) lös sida infoga motsvarar backsides av repliken; (b) injektion sida motsvarar övre sidorna av repliken. Utfärda utegångsförbud för injektion lokaliserar på center. Två områden med skillnaden avstånd till utfärda utegångsförbud för, ”långt ifrån porten” och ”nära stadsporten” jämförs i forskningen. (Denna siffra har ändrats från Zhang et al. 201722) Klicka här för att se en större version av denna siffra.
- Mått diameter och höjd pelare på de spårade pinnar som erhållits från formsprutning.
Obs: Gruppera de erhållna PE-delarna i partier av 10 stycken; dvs, 1-10 är den 1: a omgången, 11-20 är den 2: a omgången; tills den sista biten. Använda ett slumpmässigt urval i varje parti och göra mätningar på toppen och tillbaka sidor; på varje sida, mäta fyra pelarna på två områden med olika avstånd till porten (”nära porten” och ”långt från stadsporten”). - Analysera data med hjälp av bildbehandling programvara21 för att erhålla mått.
Representative Results
Figur 3 visar skären fabricerade av AM och PE delar tillverkas genom formsprutning. Två rader med runda hål var vertikala ytan på fingrarna (figur 3 (b)). Nominalen dimensionerar av hålen på skären är Ø200 µm och 200 µm i djup, med ett centrum-till-centrum avstånd 400 µm. De lager strukturerna på grund av AM processen är tydligt synliga. På den nedre vänstra raden finns en synlig fällbara märkning, som ägde rum oavsiktligt under förberedelserna inför SEM.
Demolding processen illustreras i figur 4. Pelarna är inte parallella i demolding riktning. Inga pelare att bryta observerades i alla undersökta prover (figur 5). I denna mening var den demolding lyckad. Det syns redan att pelarna på position för långt-från-den-gate är framför allt lägre än på ovansidan på grund av tryckfallet. Om diametern, skillnaden från positioner är inte lika framträdande när det gäller höjden.
Figur 6 och figur 7 illustrerar hur replikering fortplantas längs 100 cykler av formsprutning. Graden av replikering definieras av förhållandet mellan dimensionen av pelarna och dimensionen av mellanläggen. Längs de 100 cyklerna uppnåddes stabil process på varje position vad gäller både vertikala och laterala replikering. Dimensionen av hålen på skären var oförändrade efter formsprutning, som bekräftade denna slutsats. Höjden av pelarna placeras långt från grinden var lägre än de placeras nära porten, eftersom polymer flödet ökar viskositeten när flödet längden ökar.
Parametrarna injektion gjutning varierades inom intervallet tillåts av materiella databladet. I fönstret utforskade processen, de flesta av de körningar som nått mer än 80 cykler, påverkades bekräftar att livslängden av AM infogar inte i fönstret utforskade processen. Dock sprickbildning uppstod till skären för injektion sida i några tester när Injekteringstryck var hög. Detta beror på den centrala delen av insatsen är mycket tunnare.
Figur 3: skär och repliker. (a) skär produceras av additiv tillverkningsprocess bildar mögel hålighet; en polyeten (PE) replik tillverkas genom formsprutning visas. Markeringarna på referens linjalen är millimeter; nummer Markera centimeter. (b) svepelektronmikroskop (SEM) bilden visar ytan av den införda sekvensen. (c) SEM-bild visar ytan av PE delar gjort av formsprutning. ((a) och (b) har ändrats från från Zhang et al. 201722) Klicka här för att se en större version av denna siffra.
Figur 4: lyckad demolding. Den demolding var framgångsrik även om pelarna inte är parallella i demolding riktning. (a) formar Stäng och (b) formar öppna för demolding. (Denna siffra har ändrats från Zhang et al. 201722) Klicka här för att se en större version av denna siffra.
Figur 5: SEM-bild av vyn sida av en slumpmässig tine. De undersökta fyra lägena är märkta på bilden. (Denna siffra har ändrats från Zhang et al. 201722) Klicka här för att se en större version av denna siffra.
Figur 6: pelare höjd replikering graden. Replikering definieras av pelare höjd av höjd på pelare/djupet på hålet. Medelvärdet för replikering graden vid fyra positioner visades i varje parti. Ett slumpmässigt utvalda prov mättes i varje parti. De fyra positionerna är ”Back-långt” för position långt ifrån porten på baksidan, ”Back-nära” för positionen nära porten på baksidan, ”Top-långt” för position långt ifrån porten på ovansidan, och ”Top-nära” för positionen nära grinden på ovansidan. (Denna siffra har ändrats från Zhang et al. 2017 22) Klicka här för att se en större version av denna siffra.
Figur 7: pelare diameter replikering graden. Replikering definieras av pelare diameter av diametern på pelare/diametern på hålet. Medelvärdet för replikering graden vid fyra positioner visades i varje parti. Ett slumpmässigt utvalda prov mättes i varje parti. De fyra positionerna är ”Back-långt” för position långt ifrån porten på baksidan, ”Back-nära” för positionen nära porten på baksidan, ”Top-långt” för position långt ifrån porten på ovansidan, och ”Top-nära” för position nära grinden på ovansidan. (Denna siffra har ändrats från Zhang et al. 2017 22). Klicka här för att se en större version av denna siffra.
Discussion
Denna metod är lämplig för tillverkning av skär för polymer delar med komplexa former. Den ersätter verktyget stål mögel hålighet i den Formsprutning maskin med en uppsättning av mjuka verktyg skär tillverkade av polymerer. Den bearbetningstid och kostnaden reduceras jämfört med konventionell metall bearbetning; Därför förkortas cykeln av produktion. Denna processkedja är lämplig för produkter i mellanliggande skala (från 1000-10.000 cykler genom injektion gjutning eller liknande) produktion, men hög variation i design. För 3D tryckta skär krävs dessutom ingen särskild mögel plattor. Standard kommersiella injektion gjutning plattor köptes och bearbetad för att passa skären.
På den aktuella tekniken misslyckas stat, mjuk tooling av en distinkt mekanism17. Mekanismen för fel har identifierats vara kopplade värme nedböjning temperatur mjukt verktyg skäret och nedbrytningen har identifierats för att bero på utgasning. Det mest kritiska steget är därför att välja rätt kådan för vändskären tillverkas av additiv tillverkning. Egenskapen termiska och mekaniska bestämmer livet av skären, dvs hur många cykler det tål under formsprutning. Den bestämmer också utbudet av formpressad polymer; gjuten polymeren mögel temperatur bör inte vara högre än nedböjning temperatur infoga materialet.
Det andra avgörande steget i protokollet är utformningen av insatsen. Allmänna regler för mögel design bör följas och mekaniskt svaga delar bör undvikas på en 3D tryckta polymer infoga; Annars kan påverkas livslängden på grund av misslyckanden som sprickor.
Ytan kvaliteten på de erhållna formsprutade delarna begränsas av tillämpad additiv tillverkningsprocessen. Efterbearbetning såsom kemisk etsning är en möjlig lösning för att förbättra ytkvalitet. Precision av ytstrukturen är en annan fråga på grund av additiv tillverkningsprocessen.
Denna metod kommer att skapa möjligheten för att skapa mikro funktioner på verklig fri form yta på en ny produktion plattform möte industriella krav. Denna metod har därför potential att tillämpas och utreds för tillämpningar i samband med nästa generation medicintekniska produkter som kräver micro funktioner på komplexa former, exempelvis i samband med medicinska enheter eller implantera14 . Denna metod underlättar värdeskapande genom betydligt reducerade kostnader för små-till medelstora volymer serie produktioner, och positivt påverka tidsplanen för produktion i klyftan mellan 1-10 enskilda enheter och riktiga massproduktion. Det kommer att öppna upp nya produkter med högt värde och designlösningar.
Disclosures
Författarna har något att avslöja.
Acknowledgments
Detta papper rapporterar arbete som utförts inom ramen för projektet ”avancerad ytbehandling för medicintekniska produkter” finansieras av innovationsfonden Danmark. Författaren erkänner tacksamt stödet från Europeiska innovativa utbildning nätverk MICROMAN ”Process fingeravtryck för disktillverkaren Net-shape mikrotillverkning” som finansieras av ramprogrammet Horisont 2020 för forskning och Innovation i Europeiska Unionen.
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).
