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
W tym artykule przedstawiono protokół wytwarzania wkładów do form wtryskowych z wykorzystaniem technik wytwarzania addytywnego. Metoda umożliwia tworzenie mikroukładów na złożonych geometriach, rozwiązując kluczowe wyzwania produkcyjne.
Kluczowe Elementy Badania
Dział Nauki
- Produkcja
- Wytwarzanie Addytywne
- Formowanie Wtryskowe
Tło
- Mikroukłady mogą poprawić funkcjonalność złożonych części.
- Redukcja czasu obróbki i kosztów jest kluczowa dla produkcji pilotażowej.
- Wytwarzanie addytywne umożliwia precyzyjne wytwarzanie skomplikowanych konstrukcji.
- Wykorzystanie projektowania wspomaganego komputerowo jest niezbędne w procesie.
Cel Badania
- Opracowanie niezawodnej metody wytwarzania wkładek do form wtryskowych.
- Wykażanie skuteczności wytwarzania addytywnego w produkcji mikroukładów.
- Dostarczenie szczegółowego protokołu dla badaczy w dziedzinie produkcji i przetwórstwa polimerów.
Wykorzystane Metody
- Projektowanie wkładek przy użyciu oprogramowania do projektowania wspomaganego komputerowo.
- Przygotowywanie żywicy do fotopolimeryzacji i wykorzystanie maszyny do fotopolimeryzacji.
- Czyszczenie i utwardzanie wytworzonych wkładek.
- Prowadzenie pomiarów przy użyciu cyfrowowego mikroskopu skanującego laserem.
Główne Wyniki
- Protokół pomyślnie wytworzył mikroukłady na wkładkach.
- Pomiary wskazywały stabilne wymiary w trakcie cykli produkcyjnych.
- Obrazy SEM wykazały jakość wytworzonych powierzchni.
- Technika wspiera eksplorację procesów miękkiego opratyzmu w produkcji.
Wnioski
- Ta metoda umożliwia tworzenie złożonych geometrii z mikroukładami.
- Spełnia wymagania przemysłowe dotyczące precyzji w produkcji.
- Badacze mogą wykorzystać tę technikę do dalszych postępów w przetwarzaniu polimerów.
Często Zadawane Pytania
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.
