Miękki łańcuch procesów narzędziowych do formowania wtryskowego komponentu 3D z mikrofilarami

Podsumowanie

Przedstawiono protokół wytwarzania wkładek do formowania wtryskowego dla złożonej geometrii z mikrocechami na powierzchniach wykorzystujących Additive Manufacturing (AM).

Streszczenie

Celem tego artykułu jest przedstawienie metody łańcucha procesów miękkiego oprzyrządowania wykorzystującego Additive Manufacturing (AM) do wytwarzania wkładek do formowania wtryskowego z mikro cechami powierzchni. Wkładki Soft Tooling są wytwarzane metodą cyfrowej obróbki światłem (fotopolimeryzacja kadziowa) przy użyciu fotopolimeru, który może wytrzymać stosunkowo wysoką temperaturę. Wytwarzana tu część posiada cztery zęby o kącie nachylenia 60°. Mikrofilary (Ø200 μm, współczynnik kształtu 1) są rozmieszczone na powierzchniach w dwóch rzędach. Formowanie wtryskowe polietylenu (PE) z miękkimi wkładkami narzędziowymi służy do wytwarzania końcowych części. Metoda ta pokazuje, że możliwe jest uzyskanie formowanych wtryskowo części z mikrostrukturami o złożonej geometrii za pomocą wkładek wytwarzanych przyrostowo. Czas i koszt obróbki jest znacznie skrócony w porównaniu z konwencjonalnymi procesami narzędziowymi opartymi na obróbce sterowanej numerycznie (CNC). Na wymiary mikroelementów ma wpływ zastosowany proces wytwarzania przyrostowego. Żywotność wkładek decyduje o tym, że proces ten jest bardziej odpowiedni do produkcji pilotażowej. Precyzja produkcji wkładek jest również ograniczona przez proces wytwarzania przyrostowego.

Wprowadzenie

Przedstawiona metoda ma na celu wytwarzanie złożonych powierzchni z mikrocechami za pomocą miękkiego procesu narzędziowego, tj. wykorzystanie wytwarzania przyrostowego polimerów do produkcji wkładek do formowania wtryskowego polimerów. Innymi słowy, części polimerowe z powierzchniami funkcjonalnymi są formowane wtryskowo za pomocą wkładek polimerowych.

Funkcjonalności powierzchni mogą być realizowane za pomocą mikrofunkcji; na przykład Doan et al.¹ oraz Luchetta et al.² demonstrują funkcjonalne powierzchnie w dziedzinie biologii komórki, a Hu et al.³ pokazuje przykład elementów optycznych, itp. Jeden z rodzajów cech powierzchniowych, mikrofilary, był intensywnie badany pod kątem promowania proliferacji komórek. Są one w stanie wzmocnić wiązanie między namnażającymi się tkankami a powierzchnią, jeśli mikrofilary są wzorzyste w określony sposób^4,5.

Intensywnie badano replikacje mikrocech polimerowych, a precyzyjne formowanie można osiągnąć za pomocą wielu procesów⁶. Na przykład Metwally i in. stwierdzili wysoką wierność między formowanymi częściami a formą w celu replikacji mikro i submikro cech na płaskich powierzchniach⁷.

Istnieje wiele protokołów do produkcji mikrofilarów lub funkcji; jednak większość z nich może być stosowana tylko na płaskich powierzchniach lub powierzchniach o stałej krzywiźnie. Na przykład Nian i wsp.⁸ pokazał, że mikrocechy można uzyskać poprzez tłoczenie na gorąco na zakrzywionej powierzchni. Protokoły te nie są odpowiednie dla złożonych kształtów z trójwymiarowymi powierzchniami, które są wymagane przez większość rzeczywistych urządzeń. Wygląda na to, że wytworzenie trójwymiarowej wnęki z mikroelementami na powierzchni stanowi wyzwanie dla obecnych protokołów; Tymczasem wyrzucanie części może się nie powieść w przypadku słupków o wysokim współczynniku kształtu na złożonej powierzchni, jeśli nie są one prostopadłe do kierunku wyjmowania z formy. Bissacco i wsp.⁹ używał wkładek do form 3D i uzyskiwał sub-mikro cechy metodą formowania wtryskowego; W ich badaniach specyficzne cechy submikro o niskim współczynniku kształtu zostały wygenerowane w procesie anodowania aluminium i z powodzeniem odtworzone przez polimer na złożonym elemencie.

Badacze próbowali włączyć wytwarzanie przyrostowe do łańcuchów procesowych replikacji polimerów, aby osiągnąć zaprojektowaną teksturę powierzchni. Lantada i in. opisali łańcuch procesów, który zaczyna się od prototypów AM, a następnie wykorzystuje techniki powlekania w celu uzyskania metalowych wkładek do formy do formowania wtryskowego¹⁰. Udowodniono, że części polimerowe produkowane przez AM mają bezpośrednie zastosowanie jako wkładki do formy^11,12, który jest procesem miękkiego oprzyrządowania przedstawionym w tym protokole.

W naszej poprzedniej pracy wykazaliśmy, że słupki PEEK Ø4 μm (2 μm wysokości) zostały pomyślnie zdeformowane na pionowej ścianie przez formowanie wtryskowe¹³. W tym protokole badany produkt jest pierścieniem z czterema zębami, z których każdy charakteryzuje się kątem 60°. Ten produkt został przebadany przez Zhang i wsp.¹⁴, gdzie wprowadzono mikro cechy poprzez zastosowanie prefabrykowanych płyt niklowych, a mikro słupki (Ø4 μm) o proporcjach 0,5 zostały uzyskane przez formowanie wtryskowe kauczuku silikonowego na zębach.

W prezentowanej metodzie, mikrocechy można uzyskać na skomplikowanych powierzchniach tworzonych przez łańcuch procesów miękkiego oprzyrządowania. Stalowe wnęki formy zastąpione są zestawem wkładek wykonanych metodą AM na bazie fotopolimeryzacji kadziowej. W porównaniu z AM metalu, technologia AM oparta na fotopolimerach jest w stanie osiągnąć wyższą precyzję¹⁵. Co więcej, czas i koszt obróbki są znacznie skrócone w porównaniu z konwencjonalnymi procesami narzędziowymi opartymi na obróbce CNC. Zgodnie z niedawnym studium przypadku¹⁶, dzięki zastosowaniu miękkich narzędzi do termoformowania, koszt jest zmniejszony o 91%, a czas zużycia jest krótszy o 93%. Protokół ten jest odpowiedni dla produktów wymagających dużej elastyczności projektowania i pośredniej wielkości produkcji. Udowodniono, że wkładki wykonane z fotopolimerów wzmocnionych włóknem węglowym mogą wytrzymać do 2500 cykli formowania wtryskowego polietylenu przed zauważalnym pogorszeniem stanu formy¹⁷. Wybór materiału formowanego wtryskowo jest ograniczony właściwościami termicznymi wybranego fotopolimeru do wkładek. Polimery o wysokich temperaturach topnienia nie mogą być stosowane we wnęce fotopolimerowej. W tym badaniu do przeprowadzenia testu formowania wtryskowego wybrano polietylen (PE).

Protokół

1. Wytwarzanie wkładki metodą przyrostową (AM)

1. Zaprojektuj niezbędne wnęki za pomocą oprogramowania do projektowania wspomaganego komputerowo (pliki wykorzystane w tej pracy znajdują się w Materiałach uzupełniających).
   UWAGA: Wykonaj wkładki bezpośrednio na platformie roboczej bez podpór, aby uniknąć ich odkształcenia podczas utwardzania. Tolerancja wynosi 0,05 mm.
2. Wybierz żywicę do fotopolimeryzacji, w szczególności taką, która wytrzyma ciśnienie i temperaturę podczas wtryskiwania.
   UWAGA: Wybrana przez nas żywica (patrz Tabela materiałów) posiada wytrzymałość na rozciąganie 56 MPa, wydłużenie przy zerwaniu 3,5%, wytrzymałość na zginanie 115 MPa, moduł sprężystości przy zginaniu 3350 MPa oraz temperaturę ugięcia pod obciążeniem 140 °C¹⁸.
3. Dokładnie wymieszaj złożoną mieszaninę fotopolimerową (autorską mieszaninę metakrylanu metylu i akrylamidu z fotoinicjatorem na bazie TiO₂), mieszając kanister z materiałem przez minimum 30 minut na walcatorze do probówek, wytrząsarce do kolb lub podobnym urządzeniu mieszającym.
4. Przygotuj urządzenie do fotopolimeryzacji (rozmiar woksela 16 µm):
   1. W przypadku maszyn AM typu bottom-up sprawdź, czy powłoka kuwety nie jest uszkodzona i czy została dokładnie oczyszczona.
   2. W przypadku maszyn typu top-down sprawdź system wycieraka pod kątem ewentualnych wad.
   3. Obejrzyj platformę roboczą i wyreguluj płytę budowy za pomocą folii pomiarowej 100 µm, aby prawidłowo ustawić offset płyty względem kuwety.
   4. Jeśli to możliwe, wstępnie rozgrzej źródło światła maszyny, aby osiągnąć temperaturę stanu ustalonego przed kontynuacją. Temperatura ta powinna wynosić 65 °C w module świetlnym i 30 °C wewnątrz kuwety.
5. Zaimportuj geometrię do oprogramowania przygotowującego zadanie. Postępuj zgodnie z wytycznymi producenta maszyny¹⁹.
   1. Przypisz odpowiednie parametry maszyny dopasowane do wybranego fotopolimeru (natężenie światła i grubość warstwy dla używanego urządzenia).
   2. Uruchom druk z najwyższą rozdzielczością pionową maszyny (w niniejszych badaniach 25 µm).
6. Oczyść wydrukowane wkładki.
   1. Płucz je w izopropanolu w kąpieli ultradźwiękowej przez 3 min. Płucz dokładnie trzykrotnie, upewniając się, że na powierzchni wydrukowanych wkładek nie pozostały resztki fotopolimeru.
   2. Pozostaw rozpuszczalnik do całkowitego odparowania w temperaturze pokojowej, a następnie umieść wkładki w eksykanie do wyschnięcia przez noc w temperaturze pokojowej.
7. Utwardź wtórnie wysuszone wkładki, stosując dwa cykle błysków światła UV, każdy po 2000 błysków z częstotliwością 10 błysków na sekundę (patrz Tabela materiałów).

2. Wtryskiwanie (IM)

1. Zainstaluj moduł mikro-wtryskiwania w konwencjonalnej wtryskarce (patrz Tabela materiałów).
   UWAGA: W naszym przypadku moduł wtryskowy posiadał ślimak zamontowany pod kątem 45°, średnica ślimaka wynosiła 8 mm, a siła zacisku 100 kN.
2. Zamontuj wkładki na płytach formy.

Rycina 1: Maszyna wtryskowa z formami. (a) Strona wtryskowa zmontowana z płytami. Wkład zaznaczono czerwonym okręgiem. (b) Strona ruchoma zmontowana z płytami z bolcami wypychającymi. Wkład zaznaczono czerwonym okręgiem. Kliknij tutaj, aby wyświetlić powiększoną wersję tej ryciny.

3. Aby uwzględnić różnice występujące podczas procesu drukowania, należy ręcznie wprowadzić wszelkie niewielkie modyfikacje wkładów niezbędne do dopasowania ich do formy.
4. Przykręcić płyty formy do maszyny.
5. Załadować granulat PE do zasobnika.
6. Ustawić parametry maszyny: T_Mold na 60 °C, T_Barrel na 175 °C oraz V_injection na 65 mm/s. Pozostawić wystarczający czas chłodzenia, aby element mógł zostać wyjęty z formy.
7. Nagrzać śrubę do temperatur 31 °C, 155 °C, 165 °C, 170 °C i 175 °C od pierwszej do piątej sesji. Gdy temperatura stopu osiągnie 175 °C, rozpocząć precyzyjne wtryskiwanie. Po wypełnieniu gniazda utrzymać ciśnienie docisku 300 bar przez 5 sekund, aby skompensować skurcz PE.
8. Otworzyć formę i pozwolić, aby trzpień wypychacza wypchnął element z PE z ruchomej strony wkładu. Jeśli element z PE zakleszczy się we wkładzie, wyjąć go ręcznie.
9. Zatrzymać maszynę po 100 cyklach wtryskiwania (cykl definiuje się od momentu zamknięcia formy do momentu wypchnięcia elementu).

3. Ocena jakości

1. Przed wtryskiwaniem zmierz średnicę i głębokość otworów w insertach za pomocą cyfrowego mikroskopu skaningowego laserowego²⁰. Pomiary należy przeprowadzić na obu insertach; w każdym z nich zmierz cztery otwory w dwóch obszarach o różnej odległości od wlewu: „blisko wlewu” oraz „daleko od wlewu”.

Rycina 2: Wyznaczone obszary pomiarowe zaznaczone na obrazie CAD wkładek. (a) Wkładka strony ruchomej odpowiada tylnym ściankom repliki; (b) strona wtryskowa odpowiada górnym ściankom repliki. Wlew znajduje się w centrum. W badaniu porównano dwa obszary o różnej odległości od wlewu: „Daleko od wlewu” oraz „Blisko wlewu”. (Rycina zmodyfikowana na podstawie pracy Zhang et al. 2017²²) Kliknij tutaj, aby wyświetlić powiększoną wersję tej ryciny.

2. Zmierz średnicę i wysokość filarów na śledzonych zębach otrzymanych w procesie wtryskiwania.
   UWAGA: Pogrupować otrzymane części z PE w partie po 10 sztuk; t.j. Próbki od 1 do 10 stanowią pierwszą partię, od 11 do 20 drugą partię i tak dalej, aż do ostatniego elementu. Z każdej partii należy pobrać jedną losową próbkę i wykonać pomiary na górnej oraz tylnej stronie; na każdej z tych stron należy zmierzyć cztery filary w dwóch obszarach o różnej odległości od bramki („blisko bramki” oraz „daleko od bramki”).
3. Analiza danych przy użyciu oprogramowania do przetwarzania obrazów²¹ w celu uzyskania wymiarów.

Wyniki

Rysunek 3 przedstawia wkładki wykonane przy użyciu AM oraz części z PE wytworzone metodą wtryskiwania. Dwa rzędy okrągłych otworów były prostopadłe do powierzchni na zębach (Rysunek 3 (b)). Nominalny wymiar otworów we wkładkach to Ø200 µm i 200 µm głębokości, z odległością między środkami wynoszącą 400 µm. Struktury warstwowe wynikające z procesu AM są wyraźnie widoczne. Na dolnej lewej linii widoczny jest ślad zagięcia, który powstał przypadkowo podczas przygotowania do SEM.

Proces wyjmowania z formy przedstawiono na Rysunku 4. Filary nie są równoległe do kierunku wyjmowania. We wszystkich badanych próbkach nie zaobserwowano pękania filarów (Rysunek 5). W tym znaczeniu proces wyjmowania z formy zakończył się pomyślnie. Już teraz widać, że filary w pozycji oddalonej od wlewki są wyraźnie niższe niż te po stronie górnej ze względu na spadek ciśnienia. Jeśli chodzi o średnicę, różnice wynikające z położenia nie są tak znaczące jak w przypadku wysokości.

Rysunek 6 oraz Rysunek 7 ilustrują, w jaki sposób replikacja przebiegała w ciągu 100 cykli wtryskiwania. Stopień replikacji zdefiniowano jako stosunek wymiaru filarów do wymiaru wkładek. W ciągu 100 cykli osiągnięto stabilny proces w każdej pozycji, zarówno w odniesieniu do replikacji pionowej, jak i bocznej. Wymiary otworów we wkładkach nie uległy zmianie po wtryskiwaniu, co potwierdziło ten wniosek. Wysokość filarów umieszczonych daleko od wtrysku była mniejsza niż tych znajdujących się blisko wtrysku, ponieważ lepkość przepływu polimeru wzrasta wraz ze zwiększeniem długości przepływu.

Parametry wtryskiwania były zmieniane w zakresie dopuszczonym przez kartę charakterystyki materiału. W badanym oknie procesowym większość serii osiągnęła ponad 80 cykli, co potwierdza, że żywotność narzędzia wkładów wykonanych w technologii AM nie uległa pogorszeniu w badanym zakresie parametrów. Jednakże w niektórych próbach, przy wysokim ciśnieniu wtrysku, doszło do pękania wkładów od strony wtrysku. Wynika to z faktu, że środkowa część wkładu jest znacznie cieńsza.

Rycina 3: Wkładki i repliki. (a) Wkładki wytworzone procesem wytwarzania addytywnego tworzące jamę formy; przedstawiono jedną replikę z polietylenu (PE) wykonaną metodą formowania wtryskowego. Znaczniki na linijce referencyjnej to milimetry; liczby oznaczają centymetry. (b) Obraz z transmisyjnego mikroskopu elektronowego (SEM) przedstawia powierzchnię wkładki; (c) obraz SEM przedstawia powierzchnię części z PE wykonanych metodą formowania wtryskowego. ((a) i (b) zostały zmodyfikowane na podstawie pracy Zhang et al. 2017²²) Kliknij tutaj, aby wyświetlić powiększoną wersję tej ryciny.

Rysunek 4: Pomyślne rozformowanie. Rozformowanie przebiegło pomyślnie, mimo że filary nie są równoległe do kierunku rozformowania. (a) formy zamknięte i (b) formy otwarte do rozformowania. (Rysunek zmodyfikowany na podstawie Zhang et al. 2017²²) Kliknij tutaj, aby wyświetlić powiększoną wersję tego rysunku.

Rycina 5: Obraz SEM widoku bocznego jednego losowego zęba. Na obrazie oznaczono cztery badane pozycje. (Rycina została zmodyfikowana na podstawie pracy Zhang et al. 2017²²) Kliknij tutaj, aby wyświetlić powiększoną wersję tej ryciny.

Rycina 6: Stopień replikacji wysokości filarów. Stopień replikacji wysokości filara definiuje stosunek wysokości filara do głębokości otworu. W każdej partii przedstawiono średnią wartość stopnia replikacji w czterech pozycjach. W każdej partii zmierzono jedną losowo wybraną próbkę. Cztery pozycje to: „Back-far” dla pozycji oddalonej od wlewu po stronie tylnej, „Back-near” dla pozycji bliskiej wlewowi po stronie tylnej, „Top-far” dla pozycji oddalonej od wlewu po stronie górnej oraz „Top-near” dla pozycji bliskiej wlewowi po stronie górnej. (Rycina zmodyfikowana na podstawie pracy Zhang et al. 2017 ²²) Kliknij tutaj, aby wyświetlić powiększoną wersję tej ryciny.

Rycina 7: Stopień replikacji średnicy filarów. Stopień replikacji średnicy filarów jest definiowany jako stosunek średnicy filaru do średnicy otworu. Dla każdej partii przedstawiono średnią wartość stopnia replikacji w czterech pozycjach. W każdej partii zmierzono jedną losowo wybraną próbkę. Cztery pozycje to: „Back-far” dla pozycji oddalonej od wlewu po stronie tylnej, „Back-near” dla pozycji bliskiej wlewowi po stronie tylnej, „Top-far” dla pozycji oddalonej od wlewu po stronie górnej oraz „Top-near” dla pozycji bliskiej wlewowi po stronie górnej. (Rycina zmodyfikowana na podstawie pracy Zhang et al. 2017 ²²). Kliknij tutaj, aby wyświetlić większą wersję tej ryciny.

Dyskusja

Ta metoda jest odpowiednia do wytwarzania wkładek do części polimerowych o skomplikowanych kształtach. Zastępuje on wnękę formy ze stali narzędziowej we wtryskarce zestawem miękkich wkładek narzędziowych wykonanych z polimerów. czas i koszt obróbki jest skrócony w porównaniu z konwencjonalną obróbką metali; W związku z tym skraca się cykl produkcji. Ten łańcuch procesów jest odpowiedni dla produktów w produkcji na skalę pośrednią (od 1000 do 10 000 cykli metodą wtrysku lub podobnych), ale o dużej różnorodności konstrukcyjnej. Co więcej, w przypadku wkładek drukowanych w 3D nie są wymagane żadne specjalne płyty formy. Zakupiono standardowe komercyjne płyty do formowania wtryskowego i obrobiono je maszynowo tak, aby pasowały do wkładek.

Przy obecnym stanie technologii miękkie oprzyrządowanie zawodzi przez odrębny mechanizm¹⁷. Stwierdzono, że mechanizm uszkodzenia jest związany z temperaturą ugięcia pod wpływem ciepła miękkiej płytki narzędziowej, a rozkład jest spowodowany odgazowaniem. Dlatego najważniejszym krokiem jest wybór odpowiedniej żywicy do wkładek wytwarzanych metodą wytwarzania przyrostowego. Właściwości termiczne i mechaniczne decydują o żywotności wkładek, czyli o tym, ile cykli może wytrzymać podczas formowania wtryskowego. Określa również zakres formowanego polimeru; Temperatura formy formowanego polimeru nie powinna być wyższa niż temperatura ugięcia materiału wkładki.

Drugim krytycznym krokiem w protokole jest projekt wkładki. Należy przestrzegać ogólnych zasad projektowania form i unikać słabych mechanicznie części na wkładce polimerowej wydrukowanej w 3D; W przeciwnym razie żywotność narzędzia zostanie zakłócona z powodu awarii, takich jak pęknięcia.

Jakość powierzchni otrzymywanych części formowanych wtryskowo jest ograniczona przez zastosowany proces wytwarzania przyrostowego. Obróbka końcowa, taka jak trawienie chemiczne, jest możliwym rozwiązaniem w celu poprawy jakości powierzchni. Precyzja cech powierzchni jest kolejną kwestią wynikającą z procesu wytwarzania przyrostowego.

Metoda ta stworzy możliwość tworzenia mikroelementów na rzeczywistej powierzchni o dowolnym kształcie na nowej platformie produkcyjnej spełniającej wymagania przemysłu. W związku z tym metoda ta może być stosowana i badana pod kątem zastosowań związanych z wyrobami medycznymi nowej generacji, które wymagają mikrocech na złożonych kształtach, na przykład w związku z wyrobami medycznymi lub urządzeniami do implantacji¹⁴. Metoda ta ułatwi tworzenie wartości poprzez znaczne obniżenie wydatków na mało- i średnioseryjną produkcję, a także pozytywnie wpłynie na harmonogram produkcji w paśmie pomiędzy 1 – 10 pojedynczymi urządzeniami a realną produkcją masową. Otworzy to nowe produkty i rozwiązania projektowe o wysokiej wartości.

Materiały

Lista materiałów użytych w tym artykule

Nazwa	Firma	Numer katalogowy	Komentarze
Żywica fotopolimerowa	EnvisionTec	HTM140 V2
Urządzenie do mieszania żywicy	Drukarka	Vortex Genius 3
	Envisiontec	Perfactory 3
Lampa błyskowa	UV EnvisionTec	Otoflash Polietylen
	lyondellbasell	PE Purell 1840
Wtryskarka	Arburg	Allrounder 370A
Przetwarzanie obrazu	SPIP	6.2.8

3d IKA