Miękki łańcuch procesów narzędziowych do formowania wtryskowego komponentu 3D z mikrofilarami
4 sierpnia 2018
Przedstawiono protokół wytwarzania wkładek do formowania wtryskowego dla złożonej geometrii z mikrocechami na powierzchniach wykorzystujących Additive Manufacturing (AM).
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.
Przegląd
Niniejszy artykuł przedstawia protokół wytwarzania wkładów do form wtryskowych z wykorzystaniem technik wytwarzania przyrostowego. Metoda ta umożliwia tworzenie mikrostruktur na złożonych geometriach, rozwiązując kluczowe problemy produkcyjne.
Kluczowe elementy badania
Dziedzina nauki
- Wytwarzanie
- Wytwarzanie addytywne
- Wtryskiwanie
Wstęp
- Mikroelementy mogą zwiększyć funkcjonalność złożonych części.
- Zmniejszenie czasu obróbki oraz kosztów jest kluczowe dla produkcji pilotażowej.
- Wytwarzanie addytywne umożliwia precyzyjne wykonanie skomplikowanych projektów.
- Wykorzystanie wspomaganego komputerowo projektowania jest niezbędne w tym procesie.
Cel badania
- Opracowanie niezawodnej metody wytwarzania wkładów do form wtryskowych.
- Wykazanie skuteczności wytwarzania addytywnego w produkcji mikroelementów.
- Przedstawienie szczegółowego protokołu dla badaczy z zakresu produkcji i przetwarzania polimerów.
Zastosowane metody
- Projektowanie wkładów przy użyciu oprogramowania do wspomaganego komputerowo projektowania.
- Przygotowywanie żywicy do fotopolimeryzacji i obsługa urządzenia do fotopolimeryzacji.
- Czyszczenie i utwardzanie wykonanych wkładów.
- Wykonywanie pomiarów za pomocą cyfrowego mikroskopu z laserowym skanowaniem.
Główne wyniki
- Protokół pozwolił na skuteczne wytworzenie mikrostruktur na wkładkach.
- Pomiary wykazały stabilność wymiarów w trakcie cykli produkcyjnych.
- Obrazy SEM potwierdziły jakość wytworzonych powierzchni.
- Technika ta wspiera badanie procesów miękkiego oprzyrządowania w produkcji.
Wnioski
- Ta metoda umożliwia tworzenie złożonych geometrii z mikroelementami.
- Spełnia ona przemysłowe wymagania dotyczące precyzji w produkcji.
- Badacze mogą wykorzystać tę technikę do dalszego rozwoju w zakresie przetwarzania polimerów.
Najczęściej zadawane pytania
Znaczenie dla przemysłu
Ten proces łańcucha oprzyrządowania miękkiego umożliwia kosztowo efektywną produkcję komponentów mikrostrukturalnych w skali pilotażowej, rozwiązując krytyczny problem wąskiego gardła w początkowej fazie opracowywania urządzeń. Dzięki wykorzystaniu wytwarzania addytywnego do tworzenia wkładów do form wtryskowych, zespoły badawczo-rozwojowe w sektorze biofarmaceutycznym mogą szybko prototypować platformy mikroprzepływowe lub typu lab-on-a-chip o złożonych geometriach i funkcjonalnych cechach powierzchniowych. Podejście to skraca czas realizacji i obniża koszty oprzyrządowania, wspierając jednocześnie iteracyjną walidację projektu przed przejściem do produkcji seryjnej z wykorzystaniem oprzyrządowania wysokowydajnego.
Strategiczne zastosowania w badaniach i rozwoju biofarmaceutycznym
Wczesne etapy odkrywania i walidacja celu
- Wartość naukowa: Umożliwia wytwarzanie urządzeń mikroprzepływowych z precyzyjnymi macierzami mikrosłupków do zastosowań w analizie pojedynczych komórek lub przesiewaniu biomarkerów.
- Wartość operacyjna: Wspiera szybką iterację geometrii urządzeń w celu optymalizacji dynamiki płynów i oddziaływań powierzchniowych na wczesnym etapie opracowywania testów.
Przesiewanie i opracowywanie testów
- Wartość naukowa: Pozwala na wytwarzanie powtarzalnych mikrostruktur na złożonych powierzchniach, zapewniając spójne prowadzenie płynów oraz stosunki powierzchni do objętości, które są kluczowe dla czułości analizy.
- Wartość operacyjna: Zapewnia stabilną replikację wymiarową przez ponad 100 cykli formowania wtryskowego, wspierając niezawodne przepływy pracy w badaniach przesiewowych o średniej przepustowości.
Badania translacyjne i przedkliniczne
- Wartość naukowa: Ułatwia przeniesienie mikroinżynieryjnych projektów z etapu odkrycia do testów przedklinicznych, umożliwiając pilotażową produkcję funkcjonalnych prototypów.
- Wartość operacyjna: Zmniejsza zależność od tradycyjnej obróbki CNC, przyspieszając harmonogramy prototypowania platform terapeutycznych lub diagnostycznych opartych na urządzeniach.
Integracja potoku i przepływu pracy
Metoda ta wpisuje się w kontinuum od odkrycia do badań przedklinicznych, umożliwiając szybkie prototypowanie komponentów mikroprzepływowych wykorzystywanych w walidacji celów, optymalizacji testów oraz wczesnej ocenie przedklinicznej kombinacji urządzeń i leków.
- Biologia odkrywcza: Wspiera weryfikację hipotez poprzez konfigurowalne mikrośrodowiska, które naśladują nisze fizjologiczne lub wzorce oddziaływań komórkowych.
- Przesiewanie: Umożliwia znormalizowaną produkcję podłoży kompatybilnych z analizami, posiadających mierzalną topografię powierzchni do badań przesiewowych związków chemicznych lub komórek.
- Analityka: Zapewnia mierzalne wyniki, takie jak stopnie replikacji wysokości i średnicy filarów, co pozwala na ilościową ocenę wierności procesu w kolejnych seriach produkcyjnych.
- Badania translacyjne: Łączy projektowanie z walidacją poprzez wytwarzanie elementów w skali pilotażowej, które zachowują wierność geometryczną i powierzchniową dla przedklinicznych badań wykonalności.
- Ponowne wykorzystanie w przedsiębiorstwie: Ustanawia powtarzalny przepływ pracy z wykorzystaniem miękkich narzędzi (soft tooling) dla iteracyjnych cykli projektowych w ramach wielu projektów rozwoju urządzeń mikrofluidycznych.
Wpływ operacyjny i przedsiębiorczy
- Wartość naukowa: Zwiększa pewność predykcji dotyczącą wydajności urządzenia poprzez umożliwienie precyzyjnej replikacji mikrostruktur kluczowych dla funkcji biologicznych.
- Wartość operacyjna: Skraca czas i obniża koszty obróbki w porównaniu z konwencjonalnym oprzyrządowaniem, zwiększając przepustowość w fazach prototypowania.
- Wartość strategiczna: Usprawnia podejmowanie decyzji o kontynuacji lub przerwaniu projektu (go/no-go) poprzez umożliwienie wczesnej oceny wykonalności produkcyjnej i wydajności funkcjonalnej urządzeń mikrostrukturalnych.
- Wpływ na portfolio: Wspiera rozwój z uwzględnieniem analizy ryzyka poprzez walidację wykonalności produkcji przed inwestycją w stałe oprzyrządowanie do skalowania procesu.
Uwagi dotyczące wdrożenia
- Wymaga wiedzy specjalistycznej w zakresie wytwarzania przyrostowego, fotopolimeryzacji oraz kontroli procesu wtryskiwania.
- Zależne od dostępu do drukarek 3D w technologii DLP i kompatybilnych fotopolimerów wysokotemperaturowych.
- Wymaga znormalizowanej obróbki końcowej, w tym czyszczenia ultradźwiękowego, utwardzania UV oraz metrologii wymiarowej za pomocą laserowskiej mikroskopii skaningowej.
- Ograniczone przez żywotność wkładki, co sprawia, że metoda ta najlepiej nadaje się do produkcji pilotażowej, a nie do masowej produkcji.
- Wymaga współpracy międzyzespołowej w zakresie projektowania, wytwarzania i kontroli jakości, aby zapewnić wierność powielania mikrostruktur w partiach produkcyjnych.
