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. Produkcja wkładek metodą wytwarzania przyrostowego (AM)

1. Zaprojektuj potrzebne wnęki za pomocą oprogramowania do projektowania wspomaganego komputerowo (zobacz Materiały uzupełniające dla plików używanych w tej pracy).
   UWAGA: Wkładki należy wykonywać bezpośrednio na etapie budowy bez podparcia, aby uniknąć wypaczania wkładek podczas utwardzania. Tolerancja wynosi 0,05 mm.
2. Wybierz żywicę do fotopolimeryzacji, w szczególności taką, która wytrzyma ciśnienie i ciepło podczas formowania wtryskowego.
   UWAGA: Wybrana przez nas żywica (patrz Tabela Materiałów) ma wytrzymałość na rozciąganie 56 MPa, wydłużenie przy zerwaniu 3,5%, wytrzymałość na zginanie 115 MPa, moduł zginania 3350 MPa i temperaturę ugięcia pod wpływem ciepła 140 °C¹⁸.
3. Wymieszaj złożoną mieszaninę fotopolimerów (zastrzeżoną mieszaninę metakrylanu metylu i akrylamidu, z fotoinicjatorem na bazie TiO₂) dokładnie przez co najmniej 30 minut, uruchamiając pojemnik z materiałem na wałku do butelek w laboratorium mokrym, wytrząsarce kolby lub podobnym urządzeniu do mieszania.
4. Przygotować maszynę do fotopolimeryzacji (wielkość woksela 16 μm):
   1. W przypadku maszyn AM od dołu do góry należy sprawdzić, czy powłoka jest nieuszkodzona i dokładnie oczyszczona.
   2. W przypadku maszyn odgórnych należy sprawdzić system wycierania pod kątem wad.
   3. Sprawdź etap budowy i wyreguluj platformę roboczą za pomocą folii o grubości 100 μm, aby prawidłowo przesunąć platformę roboczą do.
   4. Jeśli to możliwe, należy wstępnie zapalić źródło światła obrabiarki, aby osiągnąć temperaturę w stanie ustalonym przed kontynuowaniem. Temperatura ta powinna wynosić 65 °C w silniku lekkim i 30 °C wewnątrz.
5. Zaimportuj geometrię do oprogramowania do przygotowania zadania. Postępuj zgodnie ze wskazówkami producenta maszyny¹⁹.
   1. Przypisz odpowiednie parametry maszyny, aby pasowały do wybranego fotopolimeru (natężenie światła i grubość warstwy dla używanej maszyny).
   2. Uruchom kompilację w najwyższej rozdzielczości pionowej maszyny (25 μm w tym badaniu).
6. Wyczyść wydrukowane wkładki.
   1. Opłucz je w izopropanolu wystawionym na działanie kąpieli ultradźwiękowej przez 3 min. Dokładnie spłucz trzy razy i upewnij się, że na powierzchni zadrukowanych wkładek nie pozostały żadne pozostałości fotopolimeru.
   2. Pozostawić rozpuszczalnik do całkowitego odparowania w temperaturze pokojowej i ustawić wkładki w eksykatorze do wyschnięcia przez noc w temperaturze pokojowej.
7. Po utwardzeniu wysuszonych wkładek za pomocą błysków światła UV dwukrotnie, za każdym razem po 2000 błysków z częstotliwością 10 błysków na sekundę (patrz Tabela Materiałów).

2. Formowanie wtryskowe (IM)

1. Zamontuj moduł mikrowtrysku na konwencjonalnej wtryskarce (patrz Tabela materiałów).
   UWAGA: W naszym przypadku moduł wtryskowy miał zamontowaną pod kątem 45°, średnica ślimaka wynosiła 8 mm, a siła docisku wynosiła 100 kN.
2. Zamontuj wkładki na płytach formy.

Rysunek 1: Wtryskarka z formami. a) Strona wtryskowa jest połączona z płytkami. Wkładka jest podświetlona czerwonym kółkiem. b) Strona ruchoma jest zmontowana z płytami z kołkiem wyrzutowym. Wkładka jest podświetlona czerwonym kółkiem. Kliknij tutaj, aby zobaczyć większą wersję tego rysunku.

3. Aby uwzględnić różnice podczas procesu drukowania, ręcznie dokonaj wszelkich niewielkich modyfikacji wkładek niezbędnych do dopasowania do formy.
4. Przykręć płyty formy do maszyny.
5. Załaduj granulat PE na lej samowyładowczy.
6. Ustaw parametr maszyny T_Mold na 60 °C,_{T Barrel} na 175 °C, a_wtrysk V na 65 mm/s. Poczekaj, aż część zostanie wyjęta z formy, aby zapewnić wystarczający czas chłodzenia.
7. Podgrzej w temperaturze 31 °C, 155 °C, 165 °C, 170 °C i 175 °C od 1 do 5 sesji. Gdy temperatura stopu wynosi 175 °C, rozpocznij dokładne formowanie wtryskowe. Po wypełnieniu wnęki utrzymuj ciśnienie uszczelnienia 300 barów przez 5 sekund, aby skompensować skurcz PE.
8. Otwórz formę i pozwól, aby kołek wypychający wypchnął część PE z ruchomej strony wkładki. Jeśli część PE jest zaciśnięta na wkładce, wyjmij ją ręcznie.
9. Zatrzymaj maszynę na 100 cyklach formowania wtryskowego (cykl jest definiowany od momentu zamknięcia formy do wyrzucenia części).

3. Ocena jakości

1. Zmierz średnicę i głębokość otworów w wkładkach przed formowaniem wtryskowym za pomocą laserowego skaningowego mikroskopu cyfrowego²⁰ . Zmierz na obu wkładkach; Na każdej wkładce zmierz cztery otwory w dwóch miejscach o różnej odległości od bramy "w pobliżu bramy" i "daleko od bramy".

Rysunek 2: Zmierzone obszary wyróżnione na obrazie CAD wkładek. (a) ruchoma wkładka boczna odpowiada tylnej części repliki; (b) strona wtryskowa odpowiada górnym stronom repliki. Bramka iniekcyjna znajduje się pośrodku. W badaniach porównano dwa obszary o różnej odległości od bramy, "Daleko od bramy" i "W pobliżu bramy". (Ten rysunek został zmodyfikowany na podstawie Zhang et al. 2017²²) Kliknij tutaj, aby zobaczyć większą wersję tego rysunku.

2. Zmierz średnicę i wysokość słupków na zębach gąsienicowych uzyskanych z formowania wtryskowego.
   UWAGA: Otrzymane części PE należy pogrupować w partie po 10 sztuk; tj. 1-10 to pierwsza partia, 11-20 to 2. partia; aż do ostatniego kawałka. Użyj jednej próbki losowej w każdej partii i wykonaj pomiary na górnej i tylnej stronie; Z każdej strony zmierz cztery filary w dwóch miejscach o różnej odległości od bramy ("w pobliżu bramy" i "daleko od bramy").
3. Analizuj dane za pomocą oprogramowania do przetwarzania obrazu²¹ w celu uzyskania wymiarów.

Wyniki

Rysunek 3 pokazuje wkładki wyprodukowane przez AM oraz części PE wyprodukowane metodą formowania wtryskowego. Dwa rzędy okrągłych otworów były pionowo do powierzchni na zębach (Rysunek 3 (b)). Nominalny wymiar otworów we wkładkach wynosi Ø200 μm i głębokość 200 μm, przy odległości od środka do środka 400 μm. Struktury warstw powstałe w wyniku procesu AM są wyraźnie widoczne. W lewym dolnym wierszu widoczny jest ślad po zagięciu, które miało miejsce przypadkowo podczas przygotowań do SEM.

Proces deformowania jest zilustrowany w Rysunek 4. Słupki nie są równoległe do kierunku wyjmowania z formy. We wszystkich badanych próbkach nie zaobserwowano złamania filarów (Ryc. 5). W tym sensie wyjęcie z formy zakończyło się sukcesem. Widać już, że słupki w miejscu daleko od bramy są znacznie niższe niż po górnej stronie ze względu na spadek ciśnienia. Jeśli chodzi o średnicę, różnica w stosunku do pozycji nie jest tak wyraźna, jak w przypadku wysokości.

Rysunek 6 i Rysunek 7 ilustrują, jak replikacja rozprzestrzeniała się podczas 100 cykli formowania wtryskowego. Stopień replikacji jest określany przez stosunek między wymiarem filarów a wymiarem wkładek. W ciągu 100 cykli osiągnięto stabilny proces na każdej pozycji, zarówno w odniesieniu do replikacji pionowej, jak i bocznej. Wymiary otworów na wkładkach pozostały niezmienione po wtrysku, co potwierdziło ten wniosek. Wysokość słupków umieszczonych daleko od bramy była niższa niż tych umieszczonych w pobliżu bramy, ponieważ przepływ polimeru zwiększa swoją lepkość wraz ze wzrostem długości przepływu.

Parametry formowania wtryskowego były zróżnicowane w zakresie dozwolonym przez arkusz danych materiału. W badanym oknie procesu większość przebiegów osiągnęła ponad 80 cykli, co potwierdza, że żywotność narzędzi płytek AM nie uległa zmianie w badanym oknie procesu. Jednak w niektórych testach dochodziło do pękania wkładek po stronie wtrysku, gdy ciśnienie wtrysku było wysokie. Wynika to z faktu, że środkowa część wkładki jest znacznie cieńsza.

Rysunek 3: Wstawki i repliki. (a) Wkładki wytwarzane w procesie wytwarzania przyrostowego tworzą wnękę formy; wyświetlana jest jedna replika z polietylenu (PE) wyprodukowana metodą formowania wtryskowego. Oznaczenia na linijce odniesienia są podawane w milimetrach; Cyfry oznaczają centymetry. (b) Obraz ze skaningowego mikroskopu elektronowego (SEM) pokazuje powierzchnię wkładki; (c) Obraz SEM przedstawia powierzchnię części PE wykonanych metodą formowania wtryskowego. (a) i (b) zostały zmodyfikowane z Zhang et al. 2017²²) Kliknij tutaj, aby zobaczyć większą wersję tego rysunku.

Rysunek 4: Udane wyjęcie z formy. Rozformowanie zakończyło się sukcesem, mimo że słupki nie są równoległe do kierunku rozformowywania. (a) Formy zamykają się i (b) formy otwierają się w celu wyjęcia z formy. (Ten rysunek został zmodyfikowany na podstawie Zhang et al. 2017²²) Kliknij tutaj, aby zobaczyć większą wersję tego rysunku.

Rysunek 5: Obraz SEM przedstawiający widok z boku jednego losowego zęba. Badane cztery pozycje są oznaczone na obrazie. (Ten rysunek został zmodyfikowany na podstawie Zhang et al. 2017²²) Kliknij tutaj, aby zobaczyć większą wersję tego rysunku.

Rysunek 6: Stopień replikacji wysokości słupka. Stopień replikacji wysokości słupka jest definiowany przez wysokość słupka/głębokość otworu. Średnia wartość stopnia replikacji w czterech pozycjach była wyświetlana w każdej partii. W każdej partii zmierzono jedną losowo wybraną próbkę. Cztery pozycje to "Tył-daleko" dla pozycji daleko od bramki z tyłu, "Tył-blisko" dla pozycji w pobliżu bramki z tyłu, "Góra-daleko" dla pozycji daleko od bramki na górze i "Góra-blisko" dla pozycji w pobliżu bramki po górnej stronie. (Ten rysunek został zmodyfikowany na podstawie Zhang et al. 2017 ²²) Kliknij tutaj, aby zobaczyć większą wersję tego rysunku.

Rysunek 7: Stopień replikacji średnicy słupa. Stopień replikacji średnicy filarów jest definiowany przez średnicę słupka/średnicę otworu. Średnia wartość stopnia replikacji w czterech pozycjach była wyświetlana w każdej partii. W każdej partii zmierzono jedną losowo wybraną próbkę. Cztery pozycje to "Tył-daleko" dla pozycji daleko od bramki z tyłu, "Z tyłu-blisko" dla pozycji w pobliżu bramki z tyłu, "Góra-daleko" dla pozycji daleko od bramki na górze i "Góra-blisko" dla pozycji w pobliżu bramki po górnej stronie. (Ten rysunek został zmodyfikowany na podstawie Zhang et al. 2017 ²²). Kliknij tutaj, aby zobaczyć większą wersję tego rysunku.

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