Una catena di processo utensili morbido per lo stampaggio di un componente 3D con Micro pilastri
4 agosto 2018
Un protocollo per la realizzazione di inserti per geometrie complesse con micro caratteristiche su superfici impiegando additivo Manufacturing (AM) ad iniezione è presentato.
Questo metodo può aiutare a rispondere a domande chiave nel campo manifatturiero, ad esempio come ridurre i tempi e i costi di lavorazione per la produzione pilota. Il vantaggio principale di questa tecnica è che grazie alla produzione additiva è possibile ottenere microcaratteristiche su superfici di parti complesse. Dimostrativo della parte di produzione additiva sarà il Dr.David Bue Pedersen, che è un ricercatore senior e Federico, che è uno studente di dottorato, Michael, che è un tecnico, si occuperà delle parti di stampaggio a iniezione.
Innanzitutto, utilizzare un software di progettazione assistita da computer per progettare l'inserto. Ecco le raffigurazioni del lato mobile e del lato di iniezione di uno stampo per produrre l'anello con quattro denti. I denti hanno un angolo di 60 gradi.
La tolleranza di fabbricazione è di 1/20 di millimetro. Successivamente, preparare la resina per la fotopolimerizzazione. Mescolare accuratamente i suoi componenti in un dispositivo di miscelazione per 30 minuti.
Per la fabbricazione, scegliere una macchina per la fotopolimerizzazione. Ispezionare la fase di costruzione e assicurarsi che la macchina sia impostata correttamente per la fase di fabbricazione. Importa il progetto ed esegui la costruzione alla massima risoluzione verticale della macchina.
Dopo la fabbricazione, prendere gli inserti stampati per pulirli. Metterli nell'isopropanolo in un bagno ad ultrasuoni per tre minuti, tre volte. Dopo che il solvente è evaporato a temperatura ambiente, posizionare gli inserti in un essiccatore a temperatura ambiente.
Recupera gli inserti e polimerizzali due volte con le torce UV. Al termine, rimuovere gli inserti. Questo è un esempio degli inserti a questo punto.
Per valutarli, utilizzare un microscopio digitale a scansione laser. Misurare il diametro e la profondità di quattro fori vicino al cancello sull'inserto del lato mobile e sul lato di iniezione. Inoltre, eseguire le misurazioni su quattro fori lontani dal cancello.
Queste immagini al microscopio forniscono esempi dell'inserto laterale mobile e dell'inserto laterale di iniezione in questa fase. L'immagine SEM illustra la qualità della superficie. Lavora con una macchina per lo stampaggio a iniezione convenzionale.
Assicurarsi che il modulo di microiniezione sia installato. Quindi, lavorare con gli inserti e le piastre dello stampo. Quindi, caricare la tramoggia con granuli di polietilene.
Ai comandi, impostare i parametri della macchina e attendere il tempo di raffreddamento per il pezzo da sformare. Riscaldare la vite durante la prima e la quinta sessione. Quando la temperatura di fusione è di 175 gradi Celsius, avviare uno stampaggio a iniezione accurato.
Una volta riempita la cavità, mantenere una pressione di impaccamento di 300 bar per cinque secondi. Quindi, apri lo stampo. Lasciare che il perno di espulsione spinga fuori la parte.
Questo è un esempio della parte stampata con questo protocollo. Sono stati eseguiti cento cicli. Per valutare i pezzi stampati, tornare al microscopio digitale a scansione laser.
I pilastri sono ricavati in superficie. Misurare il diametro e l'altezza dei pilastri sulle linee tracciate su due zone a distanze diverse dal cancello. Si tratta di un'immagine al microscopio elettronico a scansione della superficie dell'inserto fabbricata mediante produzione additiva.
Per confronto, ecco un'immagine SEM della parte in polietilene prodotta mediante stampaggio a iniezione. Le dimensioni nominali dei fori sull'inserto sono di 200 micrometri di diametro e 200 micrometri di profondità. Questo è un confronto tra l'altezza del pilastro divisa per la profondità del foro, indicato come grado di replica dell'altezza del pilastro.
I lotti sono in gruppi di 10 nell'ordine prodotto nella serie di 100 parti prodotte. I valori provengono da un campione scelto a caso da ciascun gruppo. Barre di colore diverso si riferiscono a posizioni diverse sull'inserto.
Ecco un grafico analogo per il grado di replicabilità del diametro del pilastro. Il diametro del pilastro diviso per il diametro del foro. Questi grafici dimostrano che il processo è stato stabile in ogni posizione nel corso di 100 cicli.
La dimensione dei fori sulle parti è rimasta invariata dopo lo stampaggio a iniezione, il che supporta la conclusione. Questa tecnica ha spianato la strada ai ricercatori nel settore della produzione e della lavorazione dei polimeri per esplorare il processo di lavorazione degli utensili morbidi. Rende possibile la creazione di microelementi su superfici a forma libera sulla nuova piattaforma di produzione che soddisfa le esigenze industriali.
Panoramica
Questo articolo presenta un protocollo per la fabbricazione di inserti per lo stampaggio a iniezione utilizzando tecniche di produzione additiva. Il metodo consente la creazione di microcaratteristiche su geometrie complesse, affrontando le principali sfide di produzione.
Componenti chiave dello studio
Area della scienza
- Produzione
- Produzione additiva
- Stampaggio a iniezione
Sfondo
- Le microcaratteristiche possono migliorare la funzionalità di parti complesse.
- La riduzione dei tempi di lavorazione e dei costi è cruciale per la produzione pilota.
- La produzione additiva consente una fabbricazione precisa di disegni intricati.
- L'utilizzo della progettazione assistita da computer è essenziale nel processo.
Obiettivo dello studio
- Sviluppare un metodo affidabile per creare inserti per lo stampaggio a iniezione.
- Dimostrare l'efficacia della produzione additiva nella produzione di microcaratteristiche.
- Fornire un protocollo dettagliato per i ricercatori nella produzione e nella lavorazione dei polimeri.
Metodi utilizzati
- Progettazione degli inserti utilizzando software di progettazione assistita da computer.
- Preparazione della resina per la fotopolimerizzazione e utilizzo di una macchina per la fotopolimerizzazione.
- Pulizia e stagionatura degli inserti fabbricati.
- Condurre misurazioni con un microscopio digitale a scansione laser.
Risultati principali
- Il protocollo ha prodotto con successo microcaratteristiche sugli inserti.
- Le misurazioni hanno indicato dimensioni stabili durante i cicli di produzione.
- Le immagini SEM hanno dimostrato la qualità delle superfici fabbricate.
- La tecnica supporta l'esplorazione di processi di soft tooling nella produzione.
Conclusioni
- Questo metodo consente la creazione di geometrie complesse con microcaratteristiche.
- Soddisfa le esigenze industriali di precisione nella produzione.
- I ricercatori possono sfruttare questa tecnica per ulteriori progressi nella lavorazione dei polimeri.
Domande frequenti
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.
