Name: Miękki łańcuch procesów narzędziowych do formowania wtryskowego komponentu 3D z mikrofilarami (Wideo) | JoVE Journal
Uploaded: 2018-08-04T12:30:00.000+00:00
Duration: 5 min 32 s
Description: Poznaj protokół wytwarzania wkładów do formowania wtryskowego z mikrocechami przy użyciu druku 3D. Ta metoda umożliwia tworzenie złożonych geometrii i redukcję kosztów produkcji pilotażowej.

ai_agent_IP

ai_agent

maintenance

instantTrialDurationMinutes

isBiopharma

enableNewMyJoveSectionDesign

educationFeatures

seoMetaApi

ai_copilot_institution_blacklist

ai_chat_institution_blacklist

freeAccessWindow

ssoRoleCapture

scheduledMaintenanceBanner

joveLabsFeatures

disable_autoplay_for_bots

extended_trial_duration

5 minutes

Ten artykuł opisuje prace podjęte w kontekście projektu "Zaawansowana obróbka powierzchni dla wszczepialnych urządzeń medycznych" finansowanego przez Duński Fundusz Innowacji. Autor dziękuje za wsparcie ze strony Europejskiej Sieci Szkoleń Innowacyjnych MICROMAN "Process Fingerprint for Zero-defect Net-shape MICROMANufacturing" finansowane przez Program Ramowy Unii Europejskiej w zakresie badań naukowych i innowacji "Horyzont 2020".

1. Wytwarzanie wkładki metodą przyrostową (AM)
<ol>
	<li>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.</li>
	<li>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.</li>
	<li>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.</li>
	<li>Przygotuj urządzenie do fotopolimeryzacji (rozmiar woksela 16 µm):
	<ol>
		<li>W przypadku maszyn AM typu bottom-up sprawdź, czy powłoka kuwety nie jest uszkodzona i czy została dokładnie oczyszczona.</li>
		<li>W przypadku maszyn typu top-down sprawdź system wycieraka pod kątem ewentualnych wad.</li>
		<li>Obejrzyj platformę roboczą i wyreguluj płytę budowy za pomocą folii pomiarowej 100 µm, aby prawidłowo ustawić offset płyty względem kuwety.</li>
		<li>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.</li>
	</ol>
	</li>
	<li>Zaimportuj geometrię do oprogramowania przygotowującego zadanie. Postępuj zgodnie z wytycznymi producenta maszyny19.
	<ol>
		<li>Przypisz odpowiednie parametry maszyny dopasowane do wybranego fotopolimeru (natężenie światła i grubość warstwy dla używanego urządzenia).</li>
		<li>Uruchom druk z najwyższą rozdzielczością pionową maszyny (w niniejszych badaniach 25 µm).</li>
	</ol>
	</li>
	<li>Oczyść wydrukowane wkładki.
	<ol>
		<li>Płucz je w izopropanolu w kąpieli ultradźwiękowej przez 3 min. Płucz dokładnie trzykrotnie, upewniając się, że na powierzchni wydrukowanych wkładek nie pozostały resztki fotopolimeru.</li>
		<li>Pozostaw rozpuszczalnik do całkowitego odparowania w temperaturze pokojowej, a następnie umieść wkładki w eksykanie do wyschnięcia przez noc w temperaturze pokojowej.</li>
	</ol>
	</li>
	<li>Utwardź wtórnie wysuszone wkładki, stosując dwa cykle błysków światła UV, każdy po 2000 błysków z częstotliwością 10 błysków na sekundę (patrz Tabela materiałów).</li>
</ol>
2. Wtryskiwanie (IM)
<ol>
	<li>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.</li>
	<li>Zamontuj wkładki na płytach formy.</li>
</ol>
<img alt="Przemysłowe urządzenie do formowania, zaznaczone otwory wtryskowe, proces obróbki metali, analiza produkcji." class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/57335/57335fig1.jpg" data-altupdatedat="1788250015000" data-alt="Rycina 1"> 
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. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/57335/57335fig1large.jpg" target="_blank">Kliknij tutaj, aby wyświetlić powiększoną wersję tej ryciny.</a>
<ol start="3">
	<li>Aby uwzględnić różnice występujące podczas procesu drukowania, należy ręcznie wprowadzić wszelkie niewielkie modyfikacje wkładów niezbędne do dopasowania ich do formy.</li>
	<li>Przykręcić płyty formy do maszyny.</li>
	<li>Załadować granulat PE do zasobnika.</li>
	<li>Ustawić parametry maszyny: TMold na 60 °C, TBarrel na 175 °C oraz Vinjection na 65 mm/s. Pozostawić wystarczający czas chłodzenia, aby element mógł zostać wyjęty z formy.</li>
	<li>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.</li>
	<li>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.</li>
	<li>Zatrzymać maszynę po 100 cyklach wtryskiwania (cykl definiuje się od momentu zamknięcia formy do momentu wypchnięcia elementu).</li>
</ol>
3. Ocena jakości
<ol>
	<li>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”.</li>
</ol>
<img alt="Schemat analizy formy wtryskowej; efekty bliskości wlewu; konstrukcja części; strona ruchoma i wtryskowa." class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/57335/57335fig2.jpg" data-altupdatedat="1788250015000" data-alt="Rycina 2"> 
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) <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/57335/57335fig2large.jpg" target="_blank">Kliknij tutaj, aby wyświetlić powiększoną wersję tej ryciny.</a>
<ol start="2">
	<li>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”).</li>
	<li>Analiza danych przy użyciu oprogramowania do przetwarzania obrazów21 w celu uzyskania wymiarów.</li>
</ol>

<ol><li>Doan, N., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Low-Cost+Photolithographic+Fabrication+of+Nanowires+and+Microfilters+for+Advanced+Bioassay+Devices%5BTitle%5D)+AND+%22Sensors%22%5BJournal%5D)">Low-Cost Photolithographic Fabrication of Nanowires and Microfilters for Advanced Bioassay Devices.</a> Sensors. 15 (3), 6091-6104 (2015).</li>
<li>Lucchetta, G., et al. <a target="_blank" href="https://www.researchgate.net/publication/271833481_Effect_of_injection_molded_micro-structured_polystyrene_surfaces_on_proliferation_of_MC3T3-E1_cells">Effect of injection molded micro-structured polystyrene surfaces on proliferation of MC3T3-E1 cells.</a> Express Polymer Letters. 9 (4), 354-361 (2015).</li>
<li>Hu, H., Tian, H., Shao, J., Ding, Y., Jiang, C., Liu, H. <a target="_blank" href="http://iopscience.iop.org/article/10.1088/0960-1317/24/9/095027/meta">Fabrication of bifocal microlens arrays based on controlled electrohydrodynamic reflowing of pre-patterned polymer.</a> Journal of Micromechanics and Microengineering. 24 (9), 095027(2014).</li>
<li>Kolind, K., Dolatshahi-Pirouz, A., Lovmand, J., Pedersen, F. S., Foss, M., Besenbacher, F. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((A+combinatorial+screening+of+human+fibroblast+responses+on+micro-structured+surfaces%5BTitle%5D)+AND+%22Biomaterials%22%5BJournal%5D)">A combinatorial screening of human fibroblast responses on micro-structured surfaces.</a> Biomaterials. 31 (35), (2010).</li>
<li>Wilkinson, C. D., Riehle, M., Wood, M., Gallagher, J., Curtis, A. S. G. <a target="_blank" href="https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0928493101003964">The use of materials patterned on a nano- and micro-metric scale in cellular engineering.</a> Materials Science and Engineering C. 19 (1-2), 263-269 (2002).</li>
<li>Hansen, H. N., Hocken, R. J., Tosello, G. <a target="_blank" href="https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0007850611002101">Replication of micro and nano surface geometries.</a> CIRP Annals. 60 (2), 695-714 (2011).</li>
<li>Metwally, K., Barriere, T., Khan-Malek, C. <a target="_blank" href="https://link.springer.com/article/10.1007/s00170-015-7602-4">Replication of micrometric and sub-micrometric structured surfaces using micro-injection and micro-injection compression moulding.</a> International Journal of Advanced Manufacturing Technology. 83 (5-8), 779-789 (2016).</li>
<li>Nian, S. -C. <a target="_blank" href="http://www.hanser-elibrary.com/doi/abs/10.3139/217.2790">Novel embossing system for replicating micro-structures on curved surfaces.</a> International Polymer Processing. 29 (3), 364-370 (2014).</li>
<li>Bissacco, G., et al. <a target="_blank" href="http://orbit.dtu.dk/en/publications/application-of-functional-nanopatterning-to-polymer-medical-micro-implants(bfcd89e2-27be-48aa-a5d6-a33ef8125567).html">Application of functional nano-patterning to polymer medical micro implants.</a> Proceedings of the 4m/icomm2015 Conference. , (2015).</li>
<li>Diaz Lantada, A., Piotter, V., Plewa, K., Barie, N., Guttmann, M., Wissmann, M. <a target="_blank" href="https://link.springer.com/article/10.1007/s00170-014-6333-2">Toward mass production of microtextured microdevices: Linking rapid prototyping with microinjection molding.</a> International Journal of Advanced Manufacturing Technology. 76 (5-8), 1011-1020 (2015).</li>
<li>Volpato, N., Solis, D. M., Costa, C. A. <a target="_blank" href="https://www.inderscienceonline.com/doi/abs/10.1504/IJMPT.2016.073616">An analysis of Digital ABS as a rapid tooling material for polymer injection moulding.</a> International Journal of Materials and Product Technology. 52 (1-2), 3-16 (2016).</li>
<li>Mischkot, M., Hansen, H. N., Pedersen, D. B. <a target="_blank" href="http://orbit.dtu.dk/en/publications/additive-manufacturing-for-the-production-of-inserts-for-micro-injection-moulding(9c55c6b1-5641-4654-9b5c-29ebd7ed8f46).html">Additive manufacturing for the production of inserts for micro injection moulding.</a> Proceedings of Euspen's 15th International Conference & Exhibition. , (2015).</li>
<li>Zhang, Y., Hansen, H. N., Sørensen, S. <a target="_blank" href="http://orbit.dtu.dk/files/123116383/Injection_molding.pdf">Injection molding of micro pillars on vertical side walls using polyether-ether-ketone (PEEK).</a> Proceeding of 11th International Conference on Micro Manufacturing. , ICOMM. Orange County, California, USA. (2016).</li>
<li>Zhang, Y., Mischkot, M., Hansen, H. N., Hansen, P. <a target="_blank" href="http://orbit.dtu.dk/files/106717230/Replication_of_microstructures.pdf">Replication of microstructures on three-dimensional geometries by injection moulding of liquid silicone rubber.</a> Proceedings of the 15th International Conference on Metrology and Properties of Engineering Surfaces, ASPE, March 2015. , ASPE. Charlotte, NC, USA. (2015).</li>
<li><a target="_blank" href="http://envisiontec.asia/wp-content/uploads/2016/09/MK-MCS-P3MiniMulti-V01-FN-EN.pdf">Envisiontec Perfactory MML with ERM. Technical Specifications Document no. MK-MCS-P3MiniMulti-V01-FN-EN</a>. , EnvisionTEC GmbH. (2018).</li>
<li>Switching to FDM to Build Thermoforming Molds Reduces Cost From $1200 to $100. , Stratasys. Available from:
 <a target="_blank" href="http://www.stratasys.com/resources/case-studies/commercial-products/xerox-thermoforming">http://www.stratasys.com/resources/case-studies/commercial-products/xerox-thermoforming</a> (2016).</li>
<li>Hofstätter, T., Mischkot, M., Pedersen, D. B., Tosello, G., Hansen, H. N. <a target="_blank" href="http://orbit.dtu.dk/files/124304068/4682.pdf">Evolution of surface texture and cracks during injection molding of fiber-reinforced, additively-manufactured, injection molding inserts.</a> Proceedings of ASPE Summer Topical Meeting 2016: Dimensional Accuracy and Surface Finish in Additive Manufacturing. , (2016).</li>
<li>Perfactory® Material. , EnvisionTEC Gmbh. Available from:
 <a target="_blank" href="https://envisiontec.com/wp-content/uploads/2016/09/MK-MTS-HTM140IndustrialIV-V01-FN-EN.pdf">https://envisiontec.com/wp-content/uploads/2016/09/MK-MTS-HTM140IndustrialIV-V01-FN-EN.pdf</a> (2017).</li>
<li>Software Manual, 2010. , EnvisionTEC Gmbh. Available from:
 <a target="_blank" href="https://digfablab.wikispaces.com/file/view/Getting+started.pdf">https://digfablab.wikispaces.com/file/view/Getting+started.pdf</a> (2010).</li>
<li><a target="_blank" href="http://www.techsansystem.co.kr/image/4100/OLS4100_.pdf">Olympus LEXT OLS4100 laser scanning digital microscope Manual</a>. , Olympus. (2018).</li>
<li>SPIP™ - Analytical Software for Microscopy. , Image Metrology. Available from:
 <a target="_blank" href="https://www.imagemet.com/products/spip/">https://www.imagemet.com/products/spip/</a> (2017).</li>
<li>Zhang, Y., Pedersen, D. B., Gøtje, A. S., Mischkot, M., Tosello, G. <a target="_blank" href="https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S1526612517300993">A soft tooling process chain employing additive manufacturing for injection molding of a 3d component with micro pillars.</a> Journal of Manufacturing Processes. 27, 138-144 (2017).</li>
</ol>

Autorzy nie mają nic do ujawnienia.

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.

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 sposób4,5.
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 formy11,12, 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).

<table><tbody><tr><td>Żywica fotopolimerowa</td><td>EnvisionTec</td><td>HTM140 V2</td><td></td></tr><tr><td>Urządzenie do mieszania żywicy</td><td>Drukarka</td> 3d IKA <td>Vortex Genius 3</td><td></td></tr><tr><td></td><td>Envisiontec</td><td>Perfactory 3&nbsp;</td><td></td></tr><tr><td>Lampa błyskowa</td><td>UV EnvisionTec</td><td>Otoflash Polietylen</td><td></td></tr><tr><td></td><td>lyondellbasell</td><td>PE Purell 1840</td><td></td></tr><tr><td>Wtryskarka</td><td>Arburg</td><td>Allrounder 370A&nbsp;</td><td></td></tr><tr><td>Przetwarzanie obrazu</td><td>SPIP</td><td>6.2.8</td><td></td></tr></tbody></table>

miękki łańcuch procesów narzędziowych do formowania wtryskowego komponentu 3d z mikrofilarami

A Soft Tooling Process Chain for Injection Molding of a 3D Component with Micro Pillars

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.

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.
<img alt="Produkcja wkładki polietylenowej i analiza SEM; wkładka 1mm, porównanie z formowaniem wtryskowym." class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/57335/57335fig3.jpg" data-altupdatedat="1788250015000" data-alt="Rycina 3"> 
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) <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/57335/57335fig3large.jpg" target="_blank">Kliknij tutaj, aby wyświetlić powiększoną wersję tej ryciny.</a>
<img alt="Schemat równowagi statycznej; rozkład sił w konstrukcjach wsporczych mostu (a, b)." class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/57335/57335fig4.jpg" data-altupdatedat="1788250015000" data-alt="Rysunek 4"> 
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) <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/57335/57335fig4large.jpg" target="_blank">Kliknij tutaj, aby wyświetlić powiększoną wersję tego rysunku.</a>
<img alt="Obraz SEM struktury cienkowarstwowej; etykiety wskazują orientację; skala 500 μm; analiza materiałowa." class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/57335/57335fig5.jpg" data-altupdatedat="1788250015000" data-alt="Rycina 5"> 
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) <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/57335/57335fig5large.jpg" target="_blank">Kliknij tutaj, aby wyświetlić powiększoną wersję tej ryciny.</a>
<img alt="Wykres stopnia replikacji filarów; wykres słupkowy wysokości/głębokości w cyklach IM do analizy danych." class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/57335/57335fig6.jpg" data-altupdatedat="1788250015000" data-alt="Rycina 6"> 
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) <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/57335/57335fig6large.jpg" target="_blank">Kliknij tutaj, aby wyświetlić powiększoną wersję tej ryciny.</a>
<img alt="Wykres słupkowy stopnia replikacji przedstawiający stosunki średnicy filaru do średnicy otworu w cyklach IM, analiza danych." class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/57335/57335fig7.jpg" data-altupdatedat="1788250015000" data-alt="Rycina 7"> 
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). <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/57335/57335fig7large.jpg" target="_blank">Kliknij tutaj, aby wyświetlić większą wersję tej ryciny.</a>

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

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

The purpose of this paper is to present the method of a soft tooling process chain employing Additive Manufacturing (AM) for fabrication of injection ...

Metoda ta może pomóc w rozwiązaniu kluczowych problemów w dziedzinie produkcji, takich jak skrócenie czasu obróbki i kosztów produkcji pilotażowej. Główną zaletą tej techniki jest to, że dzięki wytwarzaniu przyrostowemu można uzyskać mikrocechy na powierzchniach złożonych części. Demonstracją części produkcji addytywnej będzie dr David Bue Pedersen, który jest starszym badaczem, a Federico, który jest doktorantem, Michael, który jest technikiem, wykona części do formowania wtryskowego.Najpierw użyj oprogramowania do projektowania wspomaganego komputerowo, aby zaprojektować wkładkę. Oto przedstawienia ruchomej strony i strony wtryskowej formy do produkcji pierścienia z czterema zębami. Zęby są ustawione pod kątem 60 stopni.Tolerancja produkcyjna wynosi 1/20 milimetra. Następnie przygotuj żywicę do fotopolimeryzacji. Dokładnie wymieszaj jego składniki w urządzeniu mieszającym przez 30 minut.Do produkcji wybierz maszynę do fotopolimeryzacji. Sprawdź etap budowy i upewnij się, że maszyna jest prawidłowo skonfigurowana do etapu produkcji. Zaimportuj projekt i uruchom kompilację w najwyższej rozdzielczości pionowej maszyny.Po wyprodukowaniu weź wydrukowane wkładki, aby je wyczyścić. Umieść je w izopropanolu w kąpieli ultradźwiękowej na trzy minuty, trzy razy. Po odparowaniu rozpuszczalnika w temperaturze pokojowej umieścić wkładki w eksykatorze o temperaturze pokojowej.Odzyskaj wkładki i utwardź je dwukrotnie za pomocą latarek UV. Po zakończeniu wyjmij wkładki. To jest przykład wkładek w tym momencie.Aby je ocenić, użyj laserowego skaningowego mikroskopu cyfrowego. Zmierz średnicę i głębokość czterech otworów w pobliżu bramki po stronie ruchomej i po stronie wtryskowej. Ponadto wykonaj pomiary na czterech otworach oddalonych od bramy.Te obrazy mikroskopowe dostarczają przykładów ruchomej wkładki bocznej i wkładki bocznej do wstrzykiwań na tym etapie. Zdjęcie SEM ilustruje jakość powierzchni. Praca z konwencjonalną wtryskarką.Upewnij się, że moduł mikroiniekcji jest zainstalowany. Następnie pracuj z wkładkami i płytkami formy. Następnie załaduj lej samowyładowczy granulatem polietylenu.Na elementach sterujących ustaw parametry maszyny i poczekaj, aż część zostanie wyjęta z formy, aby czas schładzania. Podgrzej podczas pierwszej do piątej sesji. Gdy temperatura topnienia wynosi 175 stopni Celsjusza, rozpocznij dokładne formowanie wtryskowe.Po napełnieniu wnęki utrzymuj ciśnienie wypełnienia 300 barów przez pięć sekund. Następnie otwórz formę. Pozwól, aby kołek wypychający wypchnął część.Jest to przykład części formowanej za pomocą tego protokołu. Wykonano sto cykli. Aby ocenić wypraski, wróć do laserowego skaningowego mikroskopu cyfrowego.Filary uzyskuje się na powierzchni. Zmierz średnicę i wysokość słupków na torowych liniach w dwóch obszarach w różnych odległościach od bramy. Jest to skaningowy obraz mikroskopu elektronowego powierzchni wkładki wytwarzanej przez wytwarzanie przyrostowe.Dla porównania, oto obraz SEM części polietylenowej wyprodukowanej przez formowanie wtryskowe. Nominalne wymiary otworów we wkładce to 200 mikrometrów średnicy i 200 mikrometrów głębokości. Jest to porównanie wysokości słupka podzielone przez głębokość otworu, określane jako stopień replikacji wysokości słupka.Partie są w grupach po 10 sztuk w kolejności produkcji w seriach 100 wyprodukowanych części. Wartości pochodzą z jednej losowo wybranej próby z każdej grupy. Różne kolorowe paski odnoszą się do różnych pozycji na wkładce.Oto analogiczny wykres dla stopnia replikacji średnicy filaru. Średnica słupka podzielona przez średnicę otworu. Wykresy te pokazują, że proces był stabilny w każdej pozycji w ciągu 100 cykli.Wymiary otworów na częściach pozostały niezmienione po formowaniu wtryskowym, co potwierdza wniosek. Technika ta utorowała drogę naukowcom zajmującym się produkcją i przetwórstwem polimerów do zbadania procesu miękkiego oprzyrządowania. Umożliwia to tworzenie mikroelementów na powierzchniach o swobodnych kształtach na nowej platformie produkcyjnej, która spełnia wymagania przemysłowe.

a-soft-tooling-process-chain-for-injection-molding-3d-component-with

Research

JoVE Journal

Engineering

Inżynieria

Przedstawiamy dwa procesy mikrofabrykacji porowatych polimerowych chipów do trójwymiarowej hodowli komórek. Pierwszy z nich to tłoczenie na gorąco w połączeniu z procesem spawania oparami rozpuszczalnika. Drugi wykorzystuje niedawno opracowany proces mikrotermoformowania w połączeniu z technologią śladów jonowych, co prowadzi do znacznego uproszczenia produkcji.

Mikrofabrykacja rusztowań w skali chipa do trójwymiarowej hodowli komórek

Proces waporyzacji składnika ofiarnego (VaSC) jest używany do wytwarzania struktur mikronaczyniowych. Ta procedura wykorzystuje protektorowe włókna kwasu poli(mlekowego) do tworzenia pustych mikrokanalików z precyzyjnym pozycjonowaniem geometrycznym 3D zapewnianym przez laserowo obrabiane mikroobrabiane płytki prowadzące.

Proces wytwarzania trójwymiarowych mikrostruktur z wykorzystaniem parowania składnika protektorowego

Trójwymiarowe (3D) mikrostrukturalne wiązki kompozytowe są wytwarzane poprzez ukierunkowaną i zlokalizowaną infiltrację nanokompozytów do porowatych sieci mikroprzepływowych 3D. Elastyczność tej metody produkcji umożliwia wykorzystanie różnych materiałów termoutwardzalnych i nanowypełniaczy w celu uzyskania różnorodnych funkcjonalnych makroskopowych produktów nanokompozytowych wzmocnionych 3D.

Wytwarzanie trójwymiarowych mikrostrukturalnych nanokompozytów metodą infiltracji mikroprzepływowej

Opracowaliśmy metodę taniego i szybkiego prototypowania urządzeń do formowania wtryskowego płynnego elastomeru, używając drukarek 3D do modelowania osadzania topionego do projektowania form i zmodyfikowanego eksykatora jako systemu wtrysku cieczy.

Szybkie i tanie prototypowanie wyrobów medycznych przy użyciu drukowanych w 3D form do formowania wtryskowego cieczy

Tutaj prezentujemy protokół budowy sterowanej ciśnieniem pompy strzykawkowej do zastosowań mikroprzepływowych. Ta pompa strzykawkowa jest wykonana z korpusu wytwarzanego przyrostowo, gotowego sprzętu i elektroniki typu open source. Powstały w ten sposób system jest tani, prosty w budowie i zapewnia dobrze regulowany przepływ płynów, co umożliwia szybkie badania mikroprzepływowe.

Trójwymiarowy druk materiałów termoplastycznych w celu stworzenia zautomatyzowanych pomp strzykawkowych ze sterowaniem zwrotnym do zastosowań mikroprzepływowych

Prezentujemy technologię, która wykorzystuje wspomagany kapilarność montaż w platformie mikroprzepływowej do modelowania mikroobiektów zawieszonych w cieczy, takich jak bakterie i koloidy, w określone tablice na podłożu z polidimetylosiloksanu.

Modelowanie mikroorganizmów i mikrocząstek poprzez sekwencyjny montaż wspomagany kapilarnością

Protokół demonstruje wygodną metodę wytwarzania harmonicznego przepływu oscylacyjnego od 10 do 1000 Hz w mikrokanałach. Odbywa się to poprzez połączenie sterowanej komputerowo membrany głośnika z mikrokanałem w sposób modułowy.

Montaż i charakterystyka zewnętrznego sterownika do generowania subkilohercowego przepływu oscylacyjnego w mikrokanałach

Protokół ten przedstawia ulepszoną procedurę wyjmowania z formy dla techniki podwójnego odlewania polidimetylosiloksanu (PDMS) poprzez wprowadzenie oleju silikonowego jako nieadhezyjnej bariery między warstwami PDMS. W przeciwieństwie do metod plazmowej lub chemicznej modyfikacji powierzchni, podejście to nie wymaga specjalistycznego ani kosztownego sprzętu, co czyni je bardziej dostępną i opłacalną alternatywą.

Ulepszone podwójne odlewanie polidimetylosiloksanu (PDMS) poprzez obróbkę olejem silikonowym w celu gęsto upakowanej replikacji mikrostruktury

Opisujemy metody hodowli pęcherzyków jajników w nowej, wolnej od rusztowania agarozowej pleśni, które uzupełniają gametogenezę in vitro .

Produkcja i stosowanie konfigurowalnych form agarozowych do hodowli pęcherzyków jajników myszy wolnych od rusztowania

Przedstawiamy metody wytwarzania wzorowanych mikrostruktur z pionowo wyrównanych nanorurek węglowych (CNTs) oraz ich zastosowanie jako form macierzystych do produkcji polimerowych mikrostruktur z uporządkowaną nanostrukturą powierzchni. Las nanorurek CNT jest zagęszczany poprzez kondensację rozpuszczalnika na podłożu, co znacznie zwiększa ich gęstość upakowania i umożliwia samokierowane tworzenie kształtów 3D.

Wytwarzanie, zagęszczanie i odlewanie replik trójwymiarowych mikrostruktur z nanorurek węglowych

Poznaj protokół wytwarzania wkładów do formowania wtryskowego z mikrocechami przy użyciu druku 3D. Ta metoda umożliwia tworzenie złożonych geometrii i redukcję kosztów produkcji pilotażowej.

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

Przeglądaj więcej filmów