עמודי רשת אבזור רך בתהליך הזרקה של רכיב 3D עם מיקרו

Summary

פרוטוקול עבור בדיית הזרקה מוסיף על גאומטריה מורכבת עם תכונות מיקרו על משטחים העסקת כתוסף בייצור (AM) מוצג.

Abstract

מטרת מאמר זה היא להציג את השיטה של שרשרת תהליך אבזור רך העסקת כתוסף בייצור (AM) להרכבת מוסיף לכייר הזרקת עם תכונות פני השטח מיקרו. התוספות חריטת רך מיוצרים על ידי דיגיטלית אור עיבוד (מע מ צילום הפילמור) באמצעות photopolymer כי יכול לעמוד temperaturea גבוה יחסית. החלק מיוצרים כאן יש ארבע שיני עם זווית של 60 מעלות. עמודי מיקרו (Ø200 מיקרומטר, יחס גובה-רוחב של 1) מסודרות על המשטחים לפי שתי שורות. פוליאתילן (PE) הזרקה עם התוספות אבזור רך משמש כדי לפברק את החלקים הסופי. שיטה זו ממחישה כי זה ריאלי להשיג חלקים הזריקה יצוק עם מזערים על גאומטריה מורכבת על ידי תוסף מוסיף מיוצרים. עלות וזמן עיבוד שבבי פוחת באופן משמעותי בהשוואה לתהליכים אבזור קונבנציונאלי המבוסס על מחשב בקרת נומרית (CNC) עיבוד שבבי. הממדים של התכונות מיקרו מושפעים תהליך הייצור מוספים יישומית. החיים של התוספות קובע כי תהליך זה מתאים יותר לייצור נסיוני. הדיוק של ההפקה מוסיף הוא מוגבל על ידי תהליך הייצור מוספים גם כן.

Introduction

השיטה הציג שמטרתה ייצור מורכב משטח עם תכונות מיקרו של תהליך חריטת רך, קרי, להשתמש הייצור מוספים פולימרים לייצר הכנסות עבור פולימר הזרקה. במילים אחרות, פולימר חלקים עם תפקודי משטחים הם הזרקת מכויר על-ידי הוספת פולימר.

פונקציות פני השטח ניתן למימוש על-ידי תכונות מיקרו; למשל, Doan. et al. ¹ ו- Luchetta. et al. ² להדגים תפקודי משטחים בתחום ביולוגיה של התא, ו- Hu. et al. ³ מראה דוגמה של רכיבים אופטיים, וכו '. סוג אחד של תכונה משטח, עמודים מיקרו, נחקר נמרצות לקידום התפשטות תאים. הם מסוגלים לשפר לקשר בין הרקמות proliferated פני השטח אם העמודים מיקרו הם בדוגמת דרכים מסוימות,^4,5.

פולימר שכפולי של תכונות מיקרו נחקרו באינטנסיביות, לכייר מדויק יכולה להיות מושגת על ידי תהליכים רבים⁶. למשל, Metwally. et al. דיווח דיוק גבוה בין חלקים יצוקים עובש לצורך שכפול של תכונות מיקרו מיקרו תת על משטחים שטוחים⁷.

ישנם פרוטוקולים רבים עבור ייצור מיקרו העמודים או תכונות; עם זאת, ניתן להחיל רובם רק על משטחים שטוחים או משטחים עם עקמומיות קבועה. למשל, Nian. et al. ⁸ הראה כי תכונות מיקרו יכולה להיות מושגת על ידי הטבעה חמה על משטח מעוקל. פרוטוקולים אלה אינם מתאימים עבור צורות מורכבות במשטחים תלת מימדי, אשר נדרשים על-ידי רוב מכשירי החיים האמיתיים. ככל הנראה, הזיוף של שלוש חלל תלת-ממדי עם תכונות מיקרו על פני אתגרים פרוטוקולים הנוכחי; בינתיים, הוצאה של החלקים עלול להיכשל עבור עמודי יחס גבוה על משטח מורכב אם הם שאינה ניצבת לכיוון demolding. . Bissacco et al. ⁹ משמש תבנית תלת-ממד מוסיף והשיג תכונות תת מיקרו על ידי הזרקה; במחקר שלהם, תכונות ספציפיות תת מיקרו עם יחס רוחב-גובה נמוך שנוצר על ידי אלומיניום אלגון תהליך, בהצלחה משוכפלים על-ידי פולימר על רכיב מורכבים.

החוקרים ניסו כרוך הייצור מוספים בשלשלאות תהליך השכפול פולימר על מנת להשיג את מרקם פני השטח מעוצב. . Lantada et al. תיאר שרשרת התהליך מתחיל מ AM טיפוס ולאחר מכן מפעיל טכניקות ציפוי להשגת עובש מתכתי מוסיף עבור הזרקה¹⁰. חלקים פולימר המיוצר על ידי AM הוכיחו להיות ישים ישירות כמו עובש מוסיף^11,12, זהו התהליך אבזור רך הוצג פרוטוקול זה.

בעבודה הקודמת שלנו, אנחנו הראו כי Ø4 מיקרומטר הצצה עמודים (גבוהה 2 מיקרומטר) היו demolded בהצלחה על קיר אנכי על ידי הזרקה¹³. פרוטוקול זה, הגורם הנבדק היא טבעת עם ארבע שיני, כל אחד מאופיין על ידי בעל זווית של 60 מעלות. מוצר זה נחקר על ידי ג'אנג. et al. ¹⁴, שבו תכונות מיקרו הוכנסו על-ידי יישום pre-fabricated צלחות ניקל, עמודים מיקרו (Ø4 מיקרומטר) עם יחס של 0.5 התקבלו על ידי הזרקה גומי סיליקון על שיני.

ב שיטת שהוצגו, ניתן להשיג תכונות מיקרו על משטחים מורכבות שנוצרו על-ידי שרשרת תהליך אבזור רך. עובש פלדה חללים מוחלפים על-ידי קבוצת מוסיף שנעשו על ידי מע מ AM המבוססות על צילום-הפילמור. לעומת מתכת AM, photopolymer מבוסס אני טכנולוגיה הוא מסוגל להשיג דיוק גבוה¹⁵. יתר על כן, עלות וזמן עיבוד שבבי פוחת באופן משמעותי בהשוואה לתהליכים אבזור המקובלת המבוססת על עיבוד שבבי CNC. על-פי האחרונות חקר מקרה¹⁶, באמצעות חריטת קלים עבור thermoforming, העלות הוא מופחת על ידי 91%, ואילו הפעם נצרך הוא מופחת על ידי 93%. פרוטוקול זה מתאים מוצרים הדורשים גמישות עיצוב גבוהה בעלת נפח הייצור ביניים. הוכח, מוסיף המיוצרים סיב פחמן מחוזק photopolymers יכול לעמוד עד 2500 הזרקה מחזורים פוליאתילן לפני עובש ניכרת הידרדרות¹⁷. הבחירה של החומר הזריקה יצוק מוגבל על ידי תכונות תרמיות photopolymer שבחרת עבור מוסיף. לא ניתן להחיל פולימרים עם טמפרטורות ההיתוך גבוהה בחור photopolymer. במחקר זה, פוליאתילן (PE) נבחרה לנהל במבחן ההזרקה.

Protocol

1. הוספת פבריקציה נוספת על ידי תוסף ייצור (AM)

1. עיצוב חללים הדרושים על-ידי תוכנת תכנון בעזרת מחשב (ראה תוספת חומרים עבור הקבצים שבה נעשה שימוש בעבודה זו).
   הערה: מייצרים את הכיסויים ישירות על הבמה הבניין ללא תמיכה כדי להימנע עיקום התוספות במהלך ריפוי. הסובלנות הוא מ מ 0.05.
2. בחר שרף עבור צילום פלמור, בפרט אחד כי יכול לעמוד בלחץ וחום במהלך הזרקה.
   הערה: שרף שבחרנו (ראה טבלה של חומרים) יש כוח מתיחה של MPa 56, התארכות-הפסקה של 3.5%, חוזק flexural של 115 MPa, של מודולוס flexural של 3350 MPa, סטיה חום לטמפרטורה של 140 ° C¹⁸.
3. לערבב את התערובת photopolymer מורכב (קניינית חומצתי, אקרילאמיד להשתלב, עם היוזם צילום TiO₂ מבוסס) ביסודיות למשך תקופה מינימלית של 30 דקות על-ידי הפעלת המיכל גשמי על גלגלת רטוב-מעבדה בקבוק, flask בשייקר או התקן ערבול דומה.
4. הכן את המכונה פלמור של צילום (voxel בגודל של מיקרומטר 16):
   1. מכונות AM מלמטה למעלה, בדוק כי הציפוי מע מ הוא ניזוק וניקו ביסודיות.
   2. מכונות מלמעלה למטה, בדוק את מערכת ניגוב עבור כל פגמים.
   3. בדוק את הבמה לבנות ולהתאים את הצלחת לבנות באמצעות תשובה מכשילה 100 מיקרומטר מד להסטת כראוי את הצלחת לבנות מהר.
   4. מראש להצית את מקור האור של הכלי מכונת אם אפשר להגיע לטמפרטורה מצב יציב לפני מתקדמים. טמפרטורה זו צריכה להיות 65 ° C במנוע אור ו- 30 מעלות צלזיוס בתוך המיכל.
5. יבא את הגיאומטריה לתוכנה הכנת העבודה. בצע את ההנחיות יצרן המכונה¹⁹.
   1. הקצה המכונה המתאימה פרמטרים כדי להתאים את photopolymer שבחרת (אור בעוצמה, שכבת עובי למכונת שימוש).
   2. להפעיל את ה-build לרזולוציה הגבוהה ביותר המכונה אנכי (25 מיקרומטר במחקר זה).
6. לנקות את הכיסויים המודפס.
   1. יש לשטוף אותם אלכוהול איזופרופיל נחשפים באמבט אולטרא במשך 3 דקות יש לשטוף ביסודיות שלוש פעמים, ולוודא כי לא נמצאו שאריות של photopolymer נשאר על פני השטח של התוספות המודפס.
   2. לאפשר הממס להתאדות לחלוטין בטמפרטורת החדר, להגדיר את הכיסויים desiccator כדי לילה יבש בטמפרטורת החדר.
7. פוסט לרפא את הכיסויים מיובשים באמצעות UV מהבהבת פעמיים, בכל פעם על-ידי 2000 מהבהבת עם תדירות של 10 הבהובים בשנייה (ראה טבלה של חומרים).

2. הזרקה (IM)

1. להתקין את המודול הזרקת המיקרו על-קונבנציונאלי הזרקה מכונת (ראה טבלה של חומרים).
   הערה: במקרה שלנו, המודול הזרקת היה בורג רכוב בזווית של 45°, קוטר בורג היה 8 מ"מ, כח היה 100 kN.
2. לטעון את המכסים על צלחות עובש.

איור 1: מחשב הזרקת עם עובש. (א) בצד הזריקה מורכב עם הצלחות. תותב מודגשת על ידי עיגול אדום. (ב) הצד מטלטלין מורכב עם הצלחות עם הוצאה ה-pin. תותב מודגשת על ידי עיגול אדום. אנא לחץ כאן כדי להציג גירסה גדולה יותר של הדמות הזאת.

3. לקחת בחשבון וריאציות במהלך תהליך ההדפסה, ידנית שינויים כלשהם קלה כדי התוספות הדרושים כדי להתאים את התבנית.
4. בורג הלוחות עובש על המכונה.
5. לטעון PE בגרגרים על הופר.
6. להגדיר את הפרמטר המכונה T_עובש -60 ° C, T_חבית ב 175 ° C, V_הזרקת 65 מ"מ/ס לאפשר מספיק זמן קירור עבור החלק להיות demolded.
7. מחממים את הבורג 31 ° C, 155 מעלות צלזיוס, 165 מעלות צלזיוס, 170 ° C, ו 175 ° C מ-1 עד הפגישה החמישית. כאשר הטמפרטורה להמיס 175 ° C, להתחיל הזרקה מדויקת. ברגע החלל מלא, לשמור על הלחץ אריזה של סרגל 300 במשך 5 שניות לפצות על PE הצטמקות.
8. פתח את התבנית ולאפשר את הסיכה הפליטה לדחוף את החלק PE מהצד ניד של הוספה. אם החלק PE היא המאמצים על הוספה להוציא את החלק בעבודת יד.
9. לעצור את המכונה ב- 100 מחזורים של הזרקה (מחזור מוגדר מתוך העובש סגור עד הוצאת החלק).

3. איכות הערכה

1. למדוד את קוטר ועומק של החורים על השרוול לפני הזרקת פלסטיק על ידי לייזר סורק מיקרוסקופ דיגיטלי²⁰ . למדוד על שני מוסיף; על כל הוספה, למדוד ארבעה חורים על שני אזורים עם מרחק שונה לשער "ליד שער" ו- "רחוק מהשער".

איור 2: למדוד אזורים מסומנים התמונה CAD של התוספות. (א) הוספה לצד להזזה שיתאימו התחת של העותק המשוכפל; (ב) הצד הזרקת מקביל הצדדים העליונה של העותק המשוכפל. השער הזרקת מאתר במרכז. שני אזורים עם ההבדל המרחק אל השער, "רחוק מהשער" ו "ליד שער" מושווים במחקר. (איור זה שונה מג'אנג. ואח 2017²²) אנא לחץ כאן כדי להציג גירסה גדולה יותר של הדמות הזאת.

2. קוטר מדידה, גובה העמודים על שיני מסומנים המתקבל הזרקה.
   הערה: לקבץ את החלקים PE שהושג אצוות של-10 חלקים; קרי, 1-10 האצווה הראשונה, 11-20 הוא החבילה השנייה; עד החתיכה האחרונה. להשתמש במדגם אקראי אחד בכל אצווה ולעשות את המידות העליונה או הצדדים האחוריים; בכל צד, למדוד ארבעה עמודים על שני אזורים עם מרחק שונה לשער ("ליד שער" ו "רחוק מהשער").
3. ניתוח נתונים בסיועם של עיבוד תוכנה²¹ על מנת לקבל את המידות התמונה.

Representative Results

איור 3 מראה את הכיסויים מפוברק על ידי AM ואת החלקים PE המיוצר על ידי הזרקת פלסטיק. שתי שורות של בורות עגולים היו אנכי אל פני השטח על שיני (איור 3 (b)). המימד הנומינלי של החורים על השרוול הוא Ø200 מיקרומטר מיקרומטר 200 לעומק, עם מיקרומטר מרכז למרכז מרחק 400. המבנים שכבה עקב תהליך AM הם נראים בבירור. על קו ימין למטה יש סימן מתקפלים גלוי, אשר התקיימה בשוגג במהלך ההכנות ב- SEM.

תהליך demolding מודגם באיור4. עמודי אינם מקבילים לכיוון demolding. לא עמוד שבירת נצפתה כל הדגימות למדה (איור 5). במובן זה, demolding היה מוצלח. זה כבר נראה לעין כי התווך על המיקום הרחוק-מה-שער הם יותר נמוך בעיקר בצדו העליון בשל הירידה בלחץ. לגבי הקוטר, ההבדל בין עמדות אינם בולטים כמו לגבי הגובה.

איור 6 ו- 7 איור להמחיש איך השכפול מופצות לאורך 100 במחזורים של הזרקת פלסטיק. מידת שכפול מוגדרת על-ידי היחס בין המימד של העמודים לבין המימד של התוספות. לאורך 100 המחזורים, תהליך יציב הושג בבית כל עמדה לגבי שכפול אנכי והן לרוחב. המימד של החורים על התוספות היו ללא שינוי לאחר הזרקת פלסטיק, אשר אישרה מסקנה זו. גובה העמודים ממוקם רחוק מהשער היו נמוכות יותר מאשר להציב ליד השער, כי פולימר זרימה עולה צמיגות שלה. כאשר אורך זרימה מגביר.

הפרמטרים לכייר הזרקת היו מגוונות בתוך הטווח המותר ע י חומרים גליון הנתונים. בחלון תהליך בחנו, רוב מסלולי הגיעו יותר מ-80 מחזורים, המאשר כי הכלי חיי אני מוסיף לא הושפע בחלון תהליך בחנו. עם זאת, פיצוח התרחשה המכסים על הצד הזרקת ב בדיקות כאשר הלחץ הזרקת היה גבוה. זאת בשל החלק במרכז תותב להיות הרבה יותר רזה.

איור 3: מוסיף והעתקים. (א) מוסיף המיוצר על ידי תהליך הייצור מוספים יוצרים את חלל עובש; מוצג בעותק משוכפל אחד פוליאתילן (PE) המיוצר על ידי הזרקת פלסטיק. הסימנים על הסרגל הפניה מילימטרים; מספרים לסמן סנטימטרים. (ב) מיקרוסקופ אלקטרונים סריקה (SEM) תמונת מראה פני תותב; (ג) במיקרוסקופ אלקטרוני מראה פני השטח החלקים PE שנעשו על ידי הזרקת פלסטיק. ((א) ו- (ב) שונו מ מ. ואח 2017 ג'אנג²²) אנא לחץ כאן כדי להציג גירסה גדולה יותר של הדמות הזאת.

איור 4: מוצלח demolding. Demolding היה מוצלח למרות עמודי אינם מקבילים לכיוון demolding. (א) בתבניות לסגור ולפתוח (ב) תבניות עבור demolding. (איור זה שונה מג'אנג. ואח 2017²²) אנא לחץ כאן כדי להציג גירסה גדולה יותר של הדמות הזאת.

איור 5: SEM דימוי להציג צד של שן אחת אקראית. העמדות ארבע ובדוקים מסומנות על התמונה. (איור זה שונה מג'אנג. ואח 2017²²) אנא לחץ כאן כדי להציג גירסה גדולה יותר של הדמות הזאת.

איור 6: עמוד גובה שכפול מעלות. מידת שכפול גובה עמוד מוגדרת על-ידי הגובה של העמוד/עומק החור. הערך הממוצע של דרגת שכפול-ארבע העמדות הוצגה בכל אצווה. דוגמא שנבחרו באקראי אחת נמדדה בכל אצווה. ארבע העמדות "גב-פאר" עבור המיקום רחוק מהשער בצדו האחורי, "גב-ליד" עבור המיקום ליד השער בצד האחורי, "העליונה הרחוקה" עבור המיקום רחוק מהשער-למעלה, "העליון-ליד" עבור המיקום ליד השער בצד העליון. (איור זה שונה מג'אנג. ואח 2017 ²²) אנא לחץ כאן כדי להציג גירסה גדולה יותר של הדמות הזאת.

איור 7: עמוד קוטר שכפול מעלות. מידת שכפול קוטר עמודי מוגדרת על-ידי קוטר של העמוד/קוטר החור. הערך הממוצע של דרגת שכפול-ארבע העמדות הוצגה בכל אצווה. דוגמא שנבחרו באקראי אחת נמדדה בכל אצווה. ארבע העמדות "גב-פאר" עבור המיקום רחוק מהשער בצדו האחורי, "גב-ליד" עבור המיקום ליד השער בצד האחורי, "העליונה הרחוקה" עבור המיקום רחוק מהשער-למעלה, "העליון-ליד" לתפקיד ליד השער בצד העליון. (איור זה השתנה מ. ואח 2017 ג'אנג ²²). אנא לחץ כאן כדי להציג גירסה גדולה יותר של הדמות הזאת.

Discussion

שיטה זו מתאימה להרכבת מוסיף עבור פולימר חלקים עם צורות מורכבות. הוא מחליף את חלל עובש פלדה הכלי של מכונת עם סט של כלי רך מוסיף מחומרים פולימרים ההזרקה. עלות וזמן עיבוד שבבי מופחתת בהשוואה שבבי מתכת קונבנציונאלי; לכן, מחזור הייצור מתקצר. זו שרשרת תהליכים מתאים מוצרים בייצור סולם ביניים (מ-10,000 1000 מחזורים בזריקה molding או דומה), אבל הווריאציה גבוהה בעיצוב. יתר על כן, עבור תלת-ממד מוסיף המודפס, בלי לוחיות עובש מיוחדים נדרשים. צלחות פלסטיק הזרקת מסחרי רגיל היו שנרכשו, במכונה כדי להתאים את התוספות.

הטכנולוגי הנוכחי של המדינה, רכה חריטת נכשל על ידי מנגנון ייחודי¹⁷. מנגנון כשל זוהתה יקושרו הטמפרטורה סטיה חום של הקדמי רך אבזור, ריקבון הגופה זוהתה עקב outgassing. לכן, השלב הקריטי ביותר הוא לבחור שרף נכון עבור מוסיף המיוצר על ידי הייצור מוספים. המאפיין מכאני ותרמי קובע את החיים של התוספות, קרי, כמה מחזורים זה יכול לעמוד בזמן הזרקת פלסטיק. זה גם קובע את טווח פולימר עי; הטמפרטורה עובש של הפולימר עי לא צריך להיות גבוה יותר מאשר הטמפרטורה הסטה של החומר הוספה.

השלב הקריטי השני בפרוטוקול הוא העיצוב של הקדמי. צריכה להיות מלווה את החוקים הכלליים של שבלונה, יש להימנע חלקים חלש באופן מכני על הוספה פולימר מודפס 3D; אחרת, החיים כלי יושפעו בשל כשלים כמו סדקים.

איכות פני השטח החלקים הזריקה יצוק שהושג הוא מוגבל על ידי תהליך הייצור מוספים יישומית. פוסט עיבוד כמו צריבה כימי הוא פיתרון אפשרי כדי לשפר את איכות השטח. דיוק של תכונות פני השטח הוא בעיה נוספת עקב תהליך הייצור מוספים.

שיטה זו תיצור את האפשרות ליצירת מיקרו תכונות פני השטח בצורה חופשית אמיתית על דרישות חדשות הפגישה פלטפורמה לייצור תעשייתי. לכן, בשיטה זו יש פוטנציאל להיות מיושם, חקר עבור יישומים בקשר הבא הדור מכשירים רפואיים הדורשים מיקרו תכונות על צורות מורכבות, למשל לגבי מכשירים רפואיים או התקנים implanting¹⁴ . שיטה זו להקל על יצירת ערך דרך הוצאות מופחתת באופן משמעותי עבור אמצעי אחסון קטנים עד בינוניים סדרת הפקות, בהחלט משפיעים על ציר הזמן עבור הייצור בהפער בין 1-10 התקנים אינדיווידואליים לבין הייצור ההמוני האמיתי. זה יפתח מוצרים חדשים בעלי ערך גבוה, פתרונות עיצוב.

Materials

Name	Company	Catalog Number	Comments
Photopolymer resin	EnvisionTec	HTM140 V2
Resin mixing device	IKA	Vortex Genius 3
3d printer	Envisiontec	Perfactory 3
UV light flash unit	EnvisionTec	Otoflash unit
Polyethylene	lyondellbasell	PE Purell 1840
Injection moulding machine	Arburg	Allrounder 370A
Image processing	SPIP	6.2.8