Une chaîne de processus doux outillage de moulage par Injection d’un composant 3D avec Micro piliers
4 août 2018
Un protocole de fabrication d’inserts pour des géométries complexes avec des caractéristiques micro sur surfaces employant additif de fabrication (AM) de moulage par injection est présenté.
Cette méthode peut aider à répondre à des questions clés dans le domaine de la fabrication, telles que la réduction du temps et des coûts d’usinage pour la production pilote. Le principal avantage de cette technique est qu’il est possible d’obtenir des microcaractéristiques sur les surfaces de pièces complexes grâce à la fabrication additive. Le démonstrateur de la partie fabrication additive sera le Dr David Bue Pedersen, qui est chercheur principal et Federico, qui est doctorant, Michael, qui est technicien, s’occupera des pièces de moulage par injection.
Tout d’abord, utilisez un logiciel de conception assistée par ordinateur pour concevoir l’insert. Voici des représentations du côté mobile et du côté injection d’un moule pour produire l’anneau à quatre dents. Les dents sont à un angle de 60 degrés.
La tolérance de fabrication est de 1/20e de millimètre. Ensuite, préparez la résine pour la photopolymérisation. Mélangez soigneusement ses composants dans un appareil de mélange pendant 30 minutes.
Pour la fabrication, choisissez une machine de photopolymérisation. Inspectez l’étape de construction et assurez-vous que la machine est correctement configurée pour l’étape de fabrication. Importez la conception et exécutez la construction à la résolution verticale la plus élevée de la machine.
Après la fabrication, prenez les encarts imprimés pour les nettoyer. Placez-les dans de l’isopropanol dans un bain à ultrasons pendant trois minutes, trois fois. Une fois que le solvant s’est évaporé à température ambiante, placez les inserts dans un dessiccateur à température ambiante.
Récupérez les inserts et durcissez-les deux fois avec des lampes de poche UV. Une fois terminé, retirez les inserts. Voici un exemple des inserts à ce stade.
Pour les évaluer, utilisez un microscope numérique à balayage laser. Mesurez le diamètre et la profondeur de quatre trous près de la porte sur l’insert du côté mobile et du côté de l’injection. De plus, effectuez des mesures sur quatre trous loin de la porte.
Ces images microscopes fournissent des exemples de l’insert latéral mobile et de l’insert latéral d’injection à ce stade. L’image MEB illustre la qualité de surface. Travaillez avec une machine de moulage par injection conventionnelle.
Assurez-vous que le module de micro-injection est installé. Ensuite, travaillez avec les inserts et les plaques de moule. Ensuite, chargez la trémie avec des granulés de polyéthylène.
Aux commandes, réglez les paramètres de la machine et prévoyez un temps de refroidissement pour la pièce à démouler. Chauffez la vis de la première à la cinquième séance. Lorsque la température de fusion est de 175 degrés Celsius, démarrez le moulage par injection précis.
Une fois la cavité remplie, maintenez une pression d’emballage de 300 bars pendant cinq secondes. Ensuite, ouvrez le moule. Laissez la goupille d’éjection pousser la pièce vers l’extérieur.
Voici un exemple de la pièce moulée avec ce protocole. Cent cycles ont été exécutés. Pour évaluer les pièces moulées, retournez au microscope numérique à balayage laser.
Les piliers sont obtenus en surface. Mesurez le diamètre et la hauteur des piliers sur les lignes à chenilles sur deux zones à différentes distances de la porte. Il s’agit d’une image en micrographie électronique à balayage de la surface de l’insert fabriquée par fabrication additive.
À titre de comparaison, voici une image MEB de la pièce en polyéthylène produite par moulage par injection. Les dimensions nominales des trous sur l’insert sont de 200 micromètres de diamètre et de 200 micromètres de profondeur. Il s’agit d’une comparaison de la hauteur du pilier divisée par la profondeur du trou, appelée degré de réplication de la hauteur du pilier.
Les lots sont par groupes de 10 dans l’ordre produit en série de 100 pièces produites. Les valeurs proviennent d’un échantillon choisi au hasard dans chaque groupe. Des barres de différentes couleurs font référence à différentes positions sur l’insert.
Voici un graphique analogue pour le degré de réplication du diamètre du pilier. Le diamètre du pilier divisé par le diamètre du trou. Ces graphiques démontrent que le processus était stable à chaque position au cours de 100 cycles.
La dimension des trous sur les pièces est restée inchangée après le moulage par injection, ce qui confirme la conclusion. Cette technique a ouvert la voie aux chercheurs dans le domaine de la fabrication et du traitement des polymères pour explorer le processus d’outillage souple. Il permet de créer des microcaractéristiques sur des surfaces de forme libre sur la nouvelle plateforme de production qui répond aux demandes industrielles.
Aperçu
Cet article présente un protocole pour la fabrication d'inserts de moulage par injection en utilisant des techniques de fabrication additive. La méthode permet la création de microcaractéristiques sur des géométries complexes, répondant aux défis clés de la fabrication.
Composantes clés de l'étude
Domaine de la science
- Fabrication
- Fabrication additive
- Moulage par injection
Contexte
- Les microcaractéristiques peuvent améliorer la fonctionnalité des pièces complexes.
- La réduction du temps de usinage et des coûts est cruciale pour la production pilote.
- La fabrication additive permet une fabrication précise de conceptions complexes.
- L'utilisation de la conception assistée par ordinateur est essentielle dans le processus.
Objectif de l'étude
- Développer une méthode fiable pour créer des inserts de moulage par injection.
- Démontrer l'efficacité de la fabrication additive dans la production de microcaractéristiques.
- Fournir un protocole détaillé pour les chercheurs en fabrication et en traitement des polymères.
Méthodes utilisées
- Conception des inserts à l'aide d'un logiciel de conception assistée par ordinateur.
- Préparation de la résine pour la photopolymérisation et utilisation d'une machine de photopolymérisation.
- Nettoyage et durcissement des inserts fabriqués.
- Réalisation de mesures avec un microscope numérique à balayage laser.
Résultats principaux
- Le protocole a réussi à produire des microcaractéristiques sur les inserts.
- Les mesures ont indiqué des dimensions stables tout au long des cycles de production.
- Les images SEM ont démontré la qualité des surfaces fabriquées.
- La technique soutient l'exploration des processus d'outillage souple dans la fabrication.
Conclusions
- Cette méthode permet la création de géométries complexes avec des microcaractéristiques.
- Elle répond aux exigences industrielles en matière de précision dans la fabrication.
- Les chercheurs peuvent exploiter cette technique pour d'autres avancées dans le traitement des polymères.
Questions fréquemment posées
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.
