Een zachte Tooling Process Chain voor spuitgieten van een 3D-Component met Micro pijlers
4 augustus 2018
Een protocol voor het fabriceren van spuitgieten inzetstukken voor complexe geometrie met micro functies op oppervlakken met Additive Manufacturing (AM) wordt gepresenteerd.
Deze methode kan helpen bij het beantwoorden van belangrijke vragen op het gebied van productie, zoals hoe de bewerkingstijd en de kosten voor pilotproductie kunnen worden verminderd. Het belangrijkste voordeel van deze techniek is dat microkenmerken kunnen worden bereikt op oppervlakken van complexe onderdelen dankzij additieve productie. Demonstratie van het additief geproduceerde onderdeel zal worden gedaan door Dr.David Bue Pedersen, die een senior onderzoeker is en Federico, die een promovendus is, Michael, die een technicus is, zal de injectieonderdelen maken.
Gebruik eerst computerondersteund ontwerpsoftware om de insert te ontwerpen. Hier zijn afbeeldingen van de beweegbare zijde en de injectiezijde van een mal om de ring met vier tanden te produceren. De tanden staan onder een hoek van 60 graden.
De fabricagetolerantie is 1/20e van een millimeter. Bereid vervolgens de hars voor voor fotopolymerisatie. Meng de componenten grondig gedurende 30 minuten in een mengapparaat.
Kies voor de fabricage een fotopolymerisatieapparaat. Inspecteer het bouwplatform en zorg ervoor dat de machine goed is ingesteld voor de fabricage. Importeer het ontwerp en voer de bouw uit met de hoogste verticale resolutie van de machine.
Na de fabricage, neem de geprinte inserts om ze te reinigen. Plaats ze drie keer gedurende drie minuten in isopropanol in een ultrasone bad. Nadat het oplosmiddel bij kamertemperatuur is verdampt, plaatst u de inserts in een exsiccator bij kamertemperatuur.
Haal de inserts terug en verhardt ze twee keer met UV-zaklampen. Wanneer u klaar bent, verwijdert u de inserts. Dit is een voorbeeld van de inserts op dit punt.
Gebruik een laserscanning digitaal microscoop om ze te beoordelen. Meet de diameter en diepte van vier gaten dicht bij de poort op de insert van de beweegbare zijde en op de injectiezijde. Voer bovendien metingen uit op vier gaten ver van de poort.
Deze microscoopafbeeldingen geven voorbeelden van de beweegbare zijde insert en de injectiezijde insert in dit stadium. De SEM-foto illustreert de oppervlaktekwaliteit. Werk met een conventionele spuitgietmachine.
Zorg ervoor dat de micro-injectiemodule is geïnstalleerd. Werk vervolgens met de inserts en malplaten. Laad vervolgens de trechter met polyethyleenkorrels.
Stel bij de bediening de machineparameters in en laat de koeltijd toe voor het ontvormen van het onderdeel. Verwarm de schroef tijdens de eerste tot de vijfde sessie. Wanneer de smelttemperatuur 175 graden Celsius is, start u met nauwkeurige injectievorming.
Zodra de holte is gevuld, handhaaft u een vuldruk van 300 bar gedurende vijf seconden. Open vervolgens de mal. Laat de uitwerper de pen uitduwen.
Dit is een voorbeeld van het onderdeel gevormd met dit protocol. Er werden honderd cycli uitgevoerd. Om de gevormde stukken te beoordelen, keert u terug naar de laserscanning digitale microscoop.
Er worden pilaren verkregen op het oppervlak. Meet de diameter en hoogte van de pilaren op de volglijnen op twee gebieden op verschillende afstanden van de poort. Dit is een rasterelektronenmicroscoopbeeld van het insertoppervlak dat is vervaardigd door additieve productie.
Voor vergelijking, hier is een SEM-afbeelding van het polyethyleen onderdeel geproduceerd door spuitgieten. De nominale afmetingen van de gaten op de insert zijn 200 micrometer in diameter en 200 micrometer in diepte. Dit is een vergelijking van de hoogte van de pilaar gedeeld door de diepte van het gat, ook wel de replicatiegraad van de pilaardiameter genoemd.
De batchgrootte is 10 in groepen in de volgorde geproduceerd in de run van 100 geproduceerde onderdelen. De waarden zijn van één willekeurig gekozen monster uit elke groep. Verschillend gekleurde balken verwijzen naar verschillende posities op de insert.
Hier is een analoog diagram voor de replicatiegraad van de pilaardiameter. De pilaardiameter gedeeld door de gatdiameter. Deze grafieken tonen aan dat het proces stabiel was op elke positie gedurende de 100 cycli.
De afmetingen van de gaten op de onderdelen waren na het spuitgieten onveranderd, wat de conclusie ondersteunt. Deze techniek heeft de weg gebaand voor onderzoekers in de productie en polymeerverwerking om het soft tooling proces te verkennen. Het maakt de creatie van microkenmerken op vrije vormoppervlakken op het nieuwe productieplatform mogelijk dat aan industriële eisen voldoet.
Overzicht
Dit artikel presenteert een protocol voor het fabriceren van spuitgietinserts met behulp van additieve fabricagetechnieken. De methode maakt het mogelijk om microkenmerken op complexe geometrieën te creëren, waardoor belangrijke productie-uitdagingen worden aangepakt.
Belangrijke studiecomponenten
Wetenschapsgebied
- Productie
- Additieve fabricage
- Spuitgieten
Achtergrond
- Microkenmerken kunnen de functionaliteit van complexe onderdelen verbeteren.
- Het verminderen van bewerkingstijd en kosten is cruciaal voor pilotproductie.
- Additieve fabricage maakt precieze fabricage van ingewikkelde ontwerpen mogelijk.
- Het gebruik van computerondersteund ontwerp is essentieel in het proces.
Doel van de studie
- Om een betrouwbare methode te ontwikkelen voor het maken van spuitgietinserts.
- Om de effectiviteit van additieve fabricage bij het produceren van microkenmerken te demonstreren.
- Om een gedetailleerd protocol te bieden voor onderzoekers in fabricage en polymeerverwerking.
Gebruikte methoden
- Het ontwerpen van inserts met behulp van computerondersteund ontwerpsoftware.
- Het voorbereiden van hars voor fotopolymerisatie en het gebruik van een fotopolymerisatiemachine.
- Het reinigen en uitharden van de gefabriceerde inserts.
- Het uitvoeren van metingen met een laserscanning digitaal microscoop.
Belangrijkste resultaten
- Het protocol produceerde met succes microkenmerken op de inserts.
- Metingen gaven stabiele afmetingen gedurende de productiecycli aan.
- SEM-beelden demonstreerden de kwaliteit van de gefabriceerde oppervlakken.
- De techniek ondersteunt de verkenning van zachte gereedschapsprocessen in de fabricage.
Conclusies
- Deze methode maakt de creatie van complexe geometrieën met microkenmerken mogelijk.
- Het voldoet aan industriële eisen voor precisie in de fabricage.
- Onderzoekers kunnen deze techniek aangrijpen voor verdere vorderingen in polymeerverwerking.
Veelgestelde vragen
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.
