Pilares de una cadena de proceso de mecanizado suave para el moldeo de un componente 3D con Micro
4 de agosto de 2018
Se presenta un protocolo para la fabricación de insertos de geometría compleja con características micro en superficies empleando aditivos de fabricación (AM) de moldeo por inyección.
Este método puede ayudar a abordar preguntas clave en el campo de la fabricación, como cómo reducir el tiempo y el costo de mecanizado para la producción piloto. La principal ventaja de esta técnica es que se pueden conseguir microcaracterísticas en superficies de piezas complejas gracias a la fabricación aditiva. Demostrando la parte de fabricación aditiva estará el Dr. David Bue Pedersen, que es investigador senior y Federico, que es estudiante de doctorado, Michael, que es técnico, hará las piezas de moldeo por inyección.
En primer lugar, utilice un software de diseño asistido por ordenador para diseñar el inserto. Aquí hay representaciones del lado móvil y el lado de inyección de un molde para producir el anillo con cuatro púas. Las púas están en un ángulo de 60 grados.
La tolerancia de fabricación es de 1/20 de milímetro. A continuación, prepare la resina para la fotopolimerización. Mezcle bien sus componentes en un dispositivo de mezcla durante 30 minutos.
Para la fabricación, elija una máquina de fotopolimerización. Inspeccione la etapa de construcción y asegúrese de que la máquina esté configurada correctamente para el paso de fabricación. Importe el diseño y ejecute la compilación a la resolución vertical más alta de la máquina.
Después de la fabricación, tome los insertos impresos para limpiarlos. Colóquelos en isopropanol en un baño ultrasónico durante tres minutos, tres veces. Después de que el solvente se evapore a temperatura ambiente, coloque los insertos en un desecador a temperatura ambiente.
Recupere los insertos y cúrelos dos veces con linternas UV. Cuando termine, retire los insertos. Este es un ejemplo de las inserciones en este punto.
Para evaluarlos, utilice un microscopio digital de barrido láser. Mida el diámetro y la profundidad de cuatro orificios cerca de la compuerta en el inserto del lado móvil y en el lado de inyección. Además, realice mediciones en cuatro orificios alejados de la puerta.
Estas imágenes de microscopio proporcionan ejemplos del inserto lateral móvil y del inserto lateral de inyección en esta etapa. La imagen SEM ilustra la calidad de la superficie. Trabaje con una máquina de moldeo por inyección convencional.
Asegúrese de que el módulo de microinyección esté instalado. Luego, trabaje con los insertos y las placas del molde. Luego, cargue la tolva con gránulos de polietileno.
En los controles, configure los parámetros de la máquina y permita el tiempo de enfriamiento para que la pieza se desmoldee. Caliente el tornillo durante la primera a la quinta sesión. Cuando la temperatura de fusión sea de 175 grados centígrados, inicie el moldeo por inyección preciso.
Una vez llena la cavidad, mantenga una presión de empaquetadura de 300 bar durante cinco segundos. A continuación, abre el molde. Permita que el pasador de expulsión empuje la pieza hacia afuera.
Este es un ejemplo de la pieza moldeada con este protocolo. Se ejecutaron cien ciclos. Para evaluar las piezas moldeadas, regrese al microscopio digital de escaneo láser.
Los pilares se obtienen en la superficie. Mida el diámetro y la altura de los pilares en las líneas de orugas en dos áreas a diferentes distancias de la puerta. Se trata de una imagen de micrografía electrónica de barrido de la superficie del inserto fabricada mediante fabricación aditiva.
A modo de comparación, aquí hay una imagen SEM de la pieza de polietileno producida por moldeo por inyección. Las dimensiones nominales de los orificios de la plaquita son de 200 micrómetros de diámetro y 200 micrómetros de profundidad. Se trata de una comparación de la altura del pilar dividida por la profundidad del agujero, denominada grado de replicación de la altura del pilar.
Los lotes se agrupan en grupos de 10 en el orden en que se producen en la tirada de 100 piezas producidas. Los valores proceden de una muestra elegida al azar de cada grupo. Las barras de diferentes colores se refieren a diferentes posiciones en el inserto.
Aquí hay un gráfico análogo para el grado de replicación del diámetro del pilar. El diámetro del pilar dividido por el diámetro del orificio. Estos gráficos demuestran que el proceso fue estable en cada posición en el transcurso de 100 ciclos.
La dimensión de los agujeros de las piezas no cambió después del moldeo por inyección, lo que respalda la conclusión. Esta técnica allanó el camino para que los investigadores en la fabricación y el procesamiento de polímeros exploraran el proceso de herramientas blandas. Permite la creación de microcaracterísticas en superficies de forma libre en la nueva plataforma de producción que satisface las demandas industriales.
Visión general
Este artículo presenta un protocolo para fabricar insertos de moldeo por inyección utilizando técnicas de fabricación aditiva. El método permite la creación de microcaracterísticas en geometrías complejas, abordando desafíos clave de fabricación.
Componentes clave del estudio
Área de la ciencia
- Fabricación
- Fabricación aditiva
- Moldeo por inyección
Antecedentes
- Las microcaracterísticas pueden mejorar la funcionalidad de piezas complejas.
- Reducir el tiempo y los costos de mecanizado es crucial para la producción piloto.
- La fabricación aditiva permite la fabricación precisa de diseños intrincados.
- Utilizar el diseño asistido por computadora es esencial en el proceso.
Propósito del estudio
- Desarrollar un método confiable para crear insertos de moldeo por inyección.
- Demostrar la efectividad de la fabricación aditiva en la producción de microcaracterísticas.
- Proporcionar un protocolo detallado para investigadores en fabricación y procesamiento de polímeros.
Métodos utilizados
- Diseñar insertos utilizando software de diseño asistido por computadora.
- Preparar la resina para fotopolimerización y usar una máquina de fotopolimerización.
- Limpiar y curar los insertos fabricados.
- Realizar mediciones con un microscopio digital de exploración láser.
Resultados principales
- El protocolo produjo con éxito microcaracterísticas en los insertos.
- Las mediciones indicaron dimensiones estables a lo largo de los ciclos de producción.
- Las imágenes SEM demostraron la calidad de las superficies fabricadas.
- La técnica apoya la exploración de procesos de herramientas blandas en la fabricación.
Conclusiones
- Este método permite la creación de geometrías complejas con microcaracterísticas.
- Cumple con las demandas industriales de precisión en la fabricación.
- Los investigadores pueden aprovechar esta técnica para avances adicionales en el procesamiento de polímeros.
Preguntas frecuentes
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.
