Uma cadeia de processo de ferramental macio para moldagem por injeção de um componente 3D com Micro pilares
4 de agosto de 2018
Um protocolo para a fabricação de pastilhas para geometria complexa com características micro em superfícies empregando fabricação de aditivo (AM) de moldagem por injeção é apresentado.
Esse método pode ajudar a abordar questões-chave no campo de fabricação, como reduzir o tempo e o custo de usinagem para a produção piloto. A principal vantagem dessa técnica é que os microrecursos podem ser alcançados em superfícies de peças complexas graças à manufatura aditiva. Demonstrativo da parte de manufatura aditiva será o Dr. David Bue Pedersen, que é pesquisador sênior e Federico, que é estudante de doutorado, Michael, que é técnico, fará as peças de moldagem por injeção.
Primeiro, use um software de design auxiliado por computador para projetar a inserção. Aqui estão as representações do lado móvel e do lado de injeção de um molde para produzir o anel com quatro dentes. Os dentes estão em um ângulo de 60 graus.
A tolerância de fabricação é de 1/20 de milímetro. Em seguida, prepare a resina para fotopolimerização. Misture bem seus componentes em um dispositivo de mistura por 30 minutos.
Para a fabricação, escolha uma máquina de fotopolimerização. Inspecione o estágio de construção e certifique-se de que a máquina esteja configurada corretamente para a etapa de fabricação. Importe o design e execute a construção na resolução vertical mais alta da máquina.
Após a fabricação, leve as inserções impressas para limpá-las. Coloque-os em isopropanol em um banho ultrassônico por três minutos, três vezes. Depois que o solvente evaporar à temperatura ambiente, coloque as inserções em um dessecador em temperatura ambiente.
Recupere as inserções e cure-as duas vezes com lanternas UV. Quando terminar, remova as inserções. Este é um exemplo das inserções neste ponto.
Para avaliá-los, use um microscópio digital de varredura a laser. Meça o diâmetro e a profundidade de quatro furos próximos ao portão no inserto do lado móvel e no lado da injeção. Além disso, faça medições em quatro furos distantes do portão.
Essas imagens de microscópio fornecem exemplos da inserção lateral móvel e da inserção lateral de injeção neste estágio. A imagem SEM ilustra a qualidade da superfície. Trabalhe com uma máquina de moldagem por injeção convencional.
Certifique-se de que o módulo de microinjeção esteja instalado. Em seguida, trabalhe com as inserções e placas de molde. Em seguida, carregue a tremonha com grânulos de polietileno.
Nos controles, defina os parâmetros da máquina e aguarde o tempo de resfriamento para que a peça seja desmoldada. Aqueça o parafuso durante a primeira à quinta sessão. Quando a temperatura de fusão for de 175 graus Celsius, inicie a moldagem por injeção precisa.
Uma vez preenchida a cavidade, mantenha uma pressão de enchimento de 300 bar por cinco segundos. Em seguida, abra o molde. Deixe o pino de ejeção empurrar a peça para fora.
Este é um exemplo da peça moldada com este protocolo. Cem ciclos foram executados. Para avaliar as peças moldadas, retorne ao microscópio digital de varredura a laser.
Os pilares são obtidos na superfície. Meça o diâmetro e a altura dos pilares nas linhas rastreadas em duas áreas a distâncias diferentes do portão. Esta é uma imagem de micrografia eletrônica de varredura da superfície do inserto fabricada por manufatura aditiva.
Para comparação, aqui está uma imagem SEM da peça de polietileno produzida por moldagem por injeção. As dimensões nominais dos furos no inserto são de 200 micrômetros de diâmetro e 200 micrômetros de profundidade. Esta é uma comparação da altura do pilar dividida pela profundidade do furo, conhecida como grau de replicação da altura do pilar.
Os lotes estão em grupos de 10 na ordem produzida na tiragem de 100 peças produzidas. Os valores são de uma amostra escolhida aleatoriamente de cada grupo. Barras de cores diferentes referem-se a diferentes posições na pastilha.
Aqui está um gráfico análogo para o grau de replicação do diâmetro do pilar. O diâmetro do pilar dividido pelo diâmetro do furo. Esses gráficos demonstram que o processo foi estável em cada posição ao longo de 100 ciclos.
A dimensão dos furos nas peças permaneceu inalterada após a moldagem por injeção, o que apóia a conclusão. Essa técnica abriu caminho para pesquisadores na fabricação e processamento de polímeros explorarem o processo de ferramentas macias. Possibilita a criação de microfeatures em superfícies de forma livre na nova plataforma de produção que atende às demandas industriais.
Visão Geral
Este artigo apresenta um protocolo para fabricar insertos de moldagem por injeção usando técnicas de fabricação aditiva. O método permite a criação de microcaracterísticas em geometrias complexas, abordando desafios-chave de fabricação.
Componentes Principais do Estudo
Área da Ciência
- Fabricação
- Fabricação Aditiva
- Moldagem por Injeção
Fundo
- Microcaracterísticas podem melhorar a funcionalidade de peças complexas.
- Reduzir o tempo e os custos de usinagem é crucial para a produção piloto.
- A fabricação aditiva permite a fabricação precisa de designs intrincados.
- Utilizar design assistido por computador é essencial no processo.
Objetivo do Estudo
- Desenvolver um método confiável para criar insertos de moldagem por injeção.
- Demonstrar a eficácia da fabricação aditiva na produção de microcaracterísticas.
- Fornecer um protocolo detalhado para pesquisadores em fabricação e processamento de polímeros.
Métodos Utilizados
- Projetando insertos usando software de design assistido por computador.
- Preparando resina para fotopolimerização e usando uma máquina de fotopolimerização.
- Limpando e curando os insertos fabricados.
- Realizando medições com um microscópio digital de varredura a laser.
Principais Resultados
- O protocolo produziu com sucesso microcaracterísticas nos insertos.
- As medições indicaram dimensões estáveis ao longo dos ciclos de produção.
- Imagens SEM demonstraram a qualidade das superfícies fabricadas.
- A técnica suporta a exploração de processos de ferramentas flexíveis na fabricação.
Conclusões
- Este método permite a criação de geometrias complexas com microcaracterísticas.
- Ele atende às demandas industriais de precisão na fabricação.
- Os pesquisadores podem aproveitar essa técnica para avanços adicionais no processamento de polímeros.
Perguntas Frequentes
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.
