Summary
En protokoll for fabrikasjon injeksjon molding innstikk for sammensatt geometri med mikro funksjoner på overflater ansette additiv produksjon (AM) er presentert.
Abstract
Formålet med utredningen er å presentere metoden for en myk verktøy prosessen kjede ansette additiv produksjon (AM) fabrikasjon av injeksjon molding innstikk med mikro overflaten funksjoner. Myk verktøy skivene er produsert av Digital Light Processing (mva Foto polymerisasjon) bruker en photopolymer som tåler relativt høye temperaturea. Delen produsert her har fire tines med en vinkel på 60°. Mikro pilarer (Ø200 µm, sideforhold på 1) arrangeres på overflater av to rader. Polyetylen injeksjon molding med myk verktøy skivene brukes til å utvikle den endelige deler. Denne metoden viser at det er mulig å få støpt deler med microstructures på sammensatt geometri ved additiv produsert setter. Maskinering tid og kostnader reduseres betydelig sammenlignet med konvensjonelle verktøy prosesser basert på datamaskinen numerisk kontroll (CNC) maskinering. Dimensjonene av mikro funksjoner påvirkes av anvendt additiv produksjonsprosessen. Levetiden for skivene bestemmer at denne prosessen er mer egnet for produksjon. Presisjonen for setter inn produksjonen er begrenset av additiv produksjonsprosessen også.
Introduction
Presentert metoden tar sikte på å produsere komplekse overflaten med mikro funksjoner av en myk-verktøy prosess, dvs. bruke polymer additive industrien for å produsere innstikk for polymer injeksjon molding. Med andre ord, er polymer deler med funksjonell flater sprøytestøpt av polymer setter inn.
Overflaten funksjonaliteten kan realiseres ved mikro funksjoner; for eksempel Doan et al. 1 og Luchetta et al. 2 demonstrere funksjonelle flater i cellebiologi, og Hu et al. 3 viser et eksempel på optiske elementer, osv. Én type overflate funksjonen, mikro søyler, har blitt undersøkt intensivt for å fremme celle spredning. De er kjøpedyktig forsterke binding mellom proliferated vev og overflaten hvis mikro søylene er mønstret i visse måter4,5.
Polymer replications av mikro funksjoner har studert intensivt og presis molding kan oppnås ved mange prosesser6. For eksempel rapporterte Metwally et al. Hi-Fi mellom støpte deler og mold for replikering mikro og sub mikro på flate overflater7.
Det er mange protokoller for produksjon mikro søyler eller funksjoner. de fleste av dem kan imidlertid bare brukes på flate overflater eller overflater med konstant kurvatur. For eksempel Nian et al. 8 viste at mikro funksjoner kan oppnås av varme preging på en buet overflate. Disse protokollene er ikke egnet for komplekse figurer med tredimensjonale flater, som kreves av de fleste virkelige enheter. Angivelig, fabrikasjon av en tre-dimensjonale hulrom med mikro funksjoner på overflaten utfordringer gjeldende protokoller; i mellomtiden utstøting av delene kan mislykkes for høy størrelsesforholdet pilarer på en komplisert overflate hvis de ikke er vinkelrett i demolding retning. Bissacco et al. 9 brukes 3D mold innsettinger og innhentet sub mikro funksjoner av injeksjon molding; i deres studie, var spesifikke sub mikro funksjoner med størrelsesforholdet lav generert av aluminium anodisering prosessen og ble kopiert av polymer på en kompleks komponent.
Forskere har forsøkt å involvere additiv produksjon i prosessen kjedene polymer replikering for å oppnå designet overflatestruktur. Lantada et al. beskrevet en prosessen kjede som starter fra AM prototyper, og deretter bruker belegg teknikker for å få metallisk mold innstikk for injeksjon molding10. Polymer deler produsert av AM har vist seg for å være direkte gjelder som mold setter inn11,12, som er myk verktøy prosessen presentert i denne protokollen.
I vår tidligere arbeid viste vi at Ø4 µm titt pilarer (2 µm høy) var vellykket demolded på en loddrett vegg av injeksjon molding13. I denne protokollen, undersøkte produktet er en ring med fire tinder, hver preget av har en vinkel på 60°. Dette produktet har blitt studert av Zhang et al. 14, der mikro funksjoner ble introdusert ved å implementere prefabrikert nikkel plater og mikro pilarer (Ø4 µm) med størrelsesforhold på 0,5 ble innhentet av silikon gummi injeksjon molding på tinder.
I metoden presentert kan mikro funksjoner fås på komplekse overflater laget av et mykt verktøy prosessen kjede. Stål mold hulrom er erstattet med et sett av innstikk laget av mva Foto-polymerisasjon-baserte AM. Sammenlignet med metall AM, er photopolymer basert teknologi er dugelig å oppnå høyere presisjon15. Videre er maskinering tid og kostnader redusert betydelig sammenlignet med konvensjonelle verktøy prosesser basert på CNC maskinering. Ifølge en fersk studie16, reduseres ved hjelp av soft-verktøy for thermoforming, kostnadene med 91%, mens de brukte er redusert med 93%. Denne protokollen er egnet for produkter som krever en høy utformingsfrihet og mellomliggende produksjonsvolumet. Det har blitt bevist at innlegg laget av karbonfiber forsterket photopolymers tåler opptil 2500 injeksjon molding sykluser polyetylen før merkbar mold forverring17. Valg av støpt materiale er begrenset av termisk egenskapene for den valgte photopolymer for setter inn. Polymerer med høy smeltingen temperaturer kan ikke brukes i en photopolymer hulrom. I denne studien, ble polyetylen (PE) valgt å gjennomføre injeksjon molding test.
Protocol
1. sett fabrikasjon av additiv produksjon (AM)
- Utforme de nødvendige hulrom dataassistert konstruksjon programvare (se Supplerende materiale for filer som brukes i dette arbeidet).
Merk: Produsere som setter inn direkte på bygningen scenen uten støtte å unngå fordreining skivene ved herding. Toleranse er 0.05 mm. - Velg en harpiks for foto polymerisasjon, spesielt en som tåler trykk og varme under injeksjon molding.
Merk: Harpiks vi valgte (se Tabell for materiale) har en strekkfasthet 56 MPA, forlengelse på pause på 3,5%, en Prøvelegemers bøyestrekkfasthet språk styrke 115 MPA, en Prøvelegemers bøyestrekkfasthet språk modulus 3350 MPA og en varme nedbøyning temperatur på 140 ° C18. - Bland forverret photopolymer blanding (proprietære methyl methacrylate og akrylamid blande, med en TiO2 basert Foto initiativtaker) godt i minst 30 minutter ved å kjøre den materielle beholderen på en våt-laboratoriet flaske roller, kolbe shaker eller blande liknende.
- Forbered Foto polymerisasjon maskinen (voxel-størrelsen på 16 µm):
- For opp-AM maskiner, sjekk at mva-belegget er uskadet og rengjøres grundig.
- For topp-ned maskiner, inspisere tørke systemet for feil.
- Kontroller bygge scenen og justere bygge platen med en 100 µm folie til riktig offset bygge platen til mva.
- Pre tenne lyskilden av verktøymaskiner hvis mulig å nå stabil temperatur før framover. Denne temperaturen skal 65 ° C i lys motoren og 30 ° C i mva.
- Importere geometrien til jobb forberedelse programvare. Følg retningslinjene fra maskinen produsenten19.
- Tilordne riktig maskin parametere tilsvarer den valgte photopolymer (lett intensitet og lag tykkelse for utnyttet maskinen).
- Kjøre bygge på den høyeste vertikale maskin oppløsningen (25 µm i denne forskningen).
- Rengjør trykte skivene.
- Skyll dem i isopropanol utsatt for ultralydbad for 3 min. skyll grundig tre ganger, og sikre at ingen photopolymer rester som er igjen på overflaten av trykte skivene.
- La løsemiddelet til å fordampe helt ved romtemperatur og satt som setter inn i en desiccator til tørre over natten i romtemperatur.
- Innlegget kurere tørket skivene bruker UV lampen blinker to ganger, hver gang av 2000 blinker med en frekvens på 10 blink per sekund (se Tabell for materiale).
2. injeksjon Molding (IM)
- Installere modulen mikro injeksjon på en konvensjonell injeksjon molding machine (se Tabell for materiale).
Merk: I vårt tilfelle modulen injeksjon hadde en skrue montert i en vinkel på 45°, Skrue diameter var 8 mm, og Klemkraften var 100 kN. - Montere skivene på mold plater.
Figur 1: injeksjon maskin med muggsopp. (a) siden injeksjon er montert med plater. Innsatsen er markert med en rød sirkel. (b) bevegelige side er montert med plater med utstøting pin. Innsatsen er markert med en rød sirkel. Klikk her for å se en større versjon av dette tallet.
- For å gjøre rede for variasjoner i utskriftsprosessen, manuelt foreta noen små endringer som setter inn nødvendig for å tilpasse mold.
- Skru mold platene på maskinen.
- Last PE granulater til beholderen.
- Sett parameteren maskin TMold på 60 ° C Tfat ved 175 ° C og Vinjeksjon på 65 mm/s. gi tilstrekkelig kjøling tid for del å bli demolded.
- Varme skruen på 31 ° C, 155 ° C, 165 ° C, 170 ° C og 175 ° C fra 1 til 5 økten. Når smelte temperaturen er 175 ° C, start nøyaktig injeksjon molding. Når hulrommet er fylt, opprettholde pakking presset av 300 bar i 5 sekunder å kompensere for PE krymping.
- Åpne mold og tillater utstøting pin å presse den PE delen av flyttbare siden av sett inn. Hvis delen PE er festet på innsatsen, ta delen ut for hånd.
- Stopp maskinen på 100 sykluser av injeksjon molding (en syklus er definert fra når mold er lukket før delen ut).
3. kvalitetsvurdering
- Måle diameter og dybden av hullene på skivene før injeksjon molding ved bruk av en laser digital mikroskop20 . Måle på både innlegg; ved hver innsetting, måle fire hull på to områder med ulike til gate "nær porten" og "langt fra gate".
Figur 2: målt uthevet på CAD bildet av skivene. (a) den bevegelige side sette tilsvarer backsides i replikasettet; (b) siden injeksjon tilsvarer de beste sidene i replikasettet. Injeksjon porten finner i sentrum. To områder med forskjellen avstand til porten, "langt fra gate" og "gate" sammenlignes i forskningen. (Dette tallet har blitt endret fra Zhang et al. 201722) Klikk her for å se en større versjon av dette tallet.
- Måle diameter og høyden på søylene på merkede tines fra injeksjon molding.
Merk: Gruppere innhentet PE delene i grupper av 10 stykker. dvs. 1-10 1 bunken, 11-20 er 2 bunken; inntil siste stykket. Bruke en tilfeldig utvalg i hver gruppe og gjøre målinger på toppen og baksiden sider; på hver side, kan du måle fire pilarer på to områder med ulike til gate ("nær porten" og "langt fra gate"). - Analysere data med hjelp av bildebehandling programvare21 for å oppnå målene.
Representative Results
Figur 3 viser skivene fabrikkert av AM og PE deler produsert av sprøytestøping. To rader med runde hull var loddrett til overflaten på tines (Figur 3 (b)). Den nominelle dimensjonen av hullene på skivene er Ø200 µm og 200 μm i dybden, med et midtpunkt til midtpunkt avstand 400 µm. Lagstrukturen på grunn av AM prosessen er klart synlig. På nedre venstre linjen er et synlig folding merke, som fant sted utilsiktet under forberedelsene til SEM.
Demolding prosessen er illustrert i Figur 4. Søylene er ikke parallell i demolding retning. Ingen pilar bryte ble observert i alle studerte prøvene (figur 5). I denne forstand var den demolding vellykket. Det er allerede synlig at pilarer på plasseringen av langt-fra-det-gate er spesielt lavere enn på oversiden grunn av trykkfall. Om diameter, forskjellen fra posisjoner er ikke like fremtredende som for høyden.
Figur 6 og figur 7 illustrerer hvordan replikering overført langs 100 sykluser av sprøytestøping. Graden av replikering er definert av forholdet mellom dimensjonen av søyler og dimensjonen av skivene. Langs de 100 syklusene, ble stabil prosessen oppnådd på hver posisjon om både vertikal og lateral replikering. Dimensjonen av hullene på skivene var uendret etter injeksjon molding, som bekreftet denne konklusjonen. Høyden av pilarene plassert langt fra porten var lavere enn i nærheten av porten, fordi polymer flyt øker sin viskositet når flyten lengden øker.
Parameterne injeksjon molding var variert innenfor de tillates av materielle dataarket. I vinduet utforsket prosessen, de fleste av går nådd mer enn 80 sykluser, var bekrefter at verktøyet livet til AM setter inn ikke berørt i vinduet utforsket prosessen. Men sprengning oppstod setter inn for injeksjon siden i noen tester da injeksjon Press var høy. Dette er midt delen av innsatsen blir mye tynnere.
Figur 3: INSERT og replikaer. (a) setter produsert av additiv produksjonsprosessen danne mold hulrom; en polyetylen replika produsert av sprøytestøping vises. Merker på linjalen referanse er millimeter; tall merke centimeter. (b) Scanning elektron mikroskop (SEM) bildet viser overflaten av sette; (c) SEM bildet viser overflaten av PE deler laget av sprøytestøping. ((a) og (b) er endret fra Zhang et al. 201722) Klikk her for å se en større versjon av dette tallet.
Figur 4: vellykket demolding. Den demolding var vellykket selv om pilarer ikke parallell i demolding retning. (a) muggsopp Lukk og (b) muggsopp åpne for demolding. (Dette tallet har blitt endret fra Zhang et al. 201722) Klikk her for å se en større versjon av dette tallet.
Figur 5: SEM bilde av side-visning av en tilfeldig tine. De undersøkte fire posisjonene er merket på bildet. (Dette tallet har blitt endret fra Zhang et al. 201722) Klikk her for å se en større versjon av dette tallet.
Figur 6: Pillar høyde replikering grad. Replikering graden av pilar høyden er definert av høyden på søylen/dybden av hullet. Middelverdien av replikering graden av fire posisjoner ble vist i hver gruppe. En tilfeldig utvalgt utvalg ble målt i hver gruppe. De fire posisjonene er "Back-langt" for stillingen langt fra porten på baksiden, "Back-nær" for posisjon nær porten på baksiden, "Topp-langt" for stillingen langt fra porten på dekket, "Topp-nær" for posisjon nær porten på oversiden. (Dette tallet har blitt endret fra Zhang et al. 2017 22) Klikk her for å se en større versjon av dette tallet.
Figur 7: Pillar diameter replikering grad. Replikering graden av pilarer diameter defineres av diameter pilar/diameteren på hullet. Middelverdien av replikering graden av fire posisjoner ble vist i hver gruppe. En tilfeldig utvalgt utvalg ble målt i hver gruppe. De fire posisjonene er "Back-langt" for stillingen langt fra porten på baksiden, "Back-nær" for posisjon nær porten på baksiden, "Topp-langt" for stillingen langt fra porten på dekket, "Topp-nær" for posisjon nær porten på oversiden. (Dette tallet er endret fra Zhang et al. 2017 22). Klikk her for å se en større versjon av dette tallet.
Discussion
Denne metoden er egnet for produksjon av innstikk for polymer deler med komplekse former. Erstatter verktøyet stål mold hulrom i injeksjon molding maskin med en bløt verktøyet inserts laget av polymerer. maskinering tid og kostnader er redusert sammenlignet med konvensjonelle metall maskinering; derfor forkortet syklusen av produksjon. Denne prosessen kjede er egnet for produkter i middels skala (fra 1000-10 000 sykluser av injeksjon molding eller lignende) produksjon, men høy variasjon i utformingen. Videre for 3D utskriften innsettinger er ingen spesiell form plater nødvendig. Standard kommersielle injeksjon molding platene ble kjøpt og maskinert tilpasses skivene.
På dagens teknologi svikter staten, myk verktøy av en distinkt mekanisme17. Feil mekanismen er oppdaget kobles varme nedbøyning temperaturen av myke verktøy sette og nedbryting er funnet for å være askepartikler. Derfor er det viktigste trinnet å velge riktig harpiks for skivene produsert av additive industrien. Egenskapen termisk og mekanisk bestemmer livet av skivene, dvs. hvor mange sykluser den tåler under injeksjon molding. Den avgjør også hvilket støpte polymer; mold temperaturen av støpte polymer bør ikke være høyere enn nedbøyning temperaturen av sett inn.
Det andre avgjørende skrittet i protokollen er design av sette. De generelle reglene for mold design bør følges og mekanisk svak deler bør unngås på en 3D trykt polymer sette; ellers påvirkes livets verktøyet på grunn av feil som sprekker.
Overflaten kvaliteten på innhentet støpt deler er begrenset av anvendt additiv produksjonsprosessen. Etterbehandling som kjemisk etsing er en mulig løsning å forbedre overflaten kvaliteten. Presisjon overflaten funksjonene er en annen sak grunnet additiv produksjonsprosessen.
Denne metoden oppretter muligheten for å lage mikro funksjoner på ekte fri form overflate på en ny produksjon plattform møte industrielle krav. Derfor har denne metoden potensial til å bli brukt og undersøkt for programmer i forbindelse med neste generasjon medisinsk utstyr som krever mikro funksjoner på komplekse figurer, for eksempel i forbindelse med medisinske enheter eller implanting enheter14 . Denne metoden vil rette verdiskaping gjennom reduserte kostnader for små til mellomstore volum serie produksjoner, og positivt påvirke tidsskalaen for produksjon i gapet mellom 1-10 individ anordninger og ekte masseproduksjon. Det vil åpne opp nye høyverdige produkter og designløsninger.
Disclosures
Forfatterne ikke avsløre.
Acknowledgments
Dette papiret rapporterer arbeid i forbindelse med prosjektet "Avansert overflatebehandling for implanterbare medisinsk utstyr" finansiert av Innovation fondet Danmark. Forfatter takknemlig anerkjenner støtte fra europeiske nyskapende opplæring nettverk MICROMAN "Prosessen fingeravtrykket for Zero-defect Net-form MICROMANufacturing" finansiert av Horizon 2020 rammeprogram for forskning og innovasjon av European Union.
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 |
References
- Doan, N., et al. Low-Cost Photolithographic Fabrication of Nanowires and Microfilters for Advanced Bioassay Devices. Sensors. 15 (3), 6091-6104 (2015).
- Lucchetta, G., et al. Effect of injection molded micro-structured polystyrene surfaces on proliferation of MC3T3-E1 cells. Express Polymer Letters. 9 (4), 354-361 (2015).
- Hu, H., Tian, H., Shao, J., Ding, Y., Jiang, C., Liu, H. Fabrication of bifocal microlens arrays based on controlled electrohydrodynamic reflowing of pre-patterned polymer. Journal of Micromechanics and Microengineering. 24 (9), 095027 (2014).
- Kolind, K., Dolatshahi-Pirouz, A., Lovmand, J., Pedersen, F. S., Foss, M., Besenbacher, F. A combinatorial screening of human fibroblast responses on micro-structured surfaces. Biomaterials. 31 (35), (2010).
- Wilkinson, C. D., Riehle, M., Wood, M., Gallagher, J., Curtis, A. S. G. The use of materials patterned on a nano- and micro-metric scale in cellular engineering. Materials Science and Engineering C. 19 (1-2), 263-269 (2002).
- Hansen, H. N., Hocken, R. J., Tosello, G. Replication of micro and nano surface geometries. CIRP Annals. 60 (2), 695-714 (2011).
- Metwally, K., Barriere, T., Khan-Malek, C. Replication of micrometric and sub-micrometric structured surfaces using micro-injection and micro-injection compression moulding. International Journal of Advanced Manufacturing Technology. 83 (5-8), 779-789 (2016).
- Nian, S. -C. Novel embossing system for replicating micro-structures on curved surfaces. International Polymer Processing. 29 (3), 364-370 (2014).
- Bissacco, G., et al. Application of functional nano-patterning to polymer medical micro implants. Proceedings of the 4m/icomm2015 Conference. , (2015).
- Diaz Lantada, A., Piotter, V., Plewa, K., Barie, N., Guttmann, M., Wissmann, M. Toward mass production of microtextured microdevices: Linking rapid prototyping with microinjection molding. International Journal of Advanced Manufacturing Technology. 76 (5-8), 1011-1020 (2015).
- Volpato, N., Solis, D. M., Costa, C. A. An analysis of Digital ABS as a rapid tooling material for polymer injection moulding. International Journal of Materials and Product Technology. 52 (1-2), 3-16 (2016).
- Mischkot, M., Hansen, H. N., Pedersen, D. B. Additive manufacturing for the production of inserts for micro injection moulding. Proceedings of Euspen's 15th International Conference & Exhibition. , (2015).
- Zhang, Y., Hansen, H. N., Sørensen, S. Injection molding of micro pillars on vertical side walls using polyether-ether-ketone (PEEK). Proceeding of 11th International Conference on Micro Manufacturing. , ICOMM. Orange County, California, USA. (2016).
- Zhang, Y., Mischkot, M., Hansen, H. N., Hansen, P. Replication of microstructures on three-dimensional geometries by injection moulding of liquid silicone rubber. Proceedings of the 15th International Conference on Metrology and Properties of Engineering Surfaces, ASPE, March 2015. , ASPE. Charlotte, NC, USA. (2015).
- Envisiontec Perfactory MML with ERM. Technical Specifications Document no. MK-MCS-P3MiniMulti-V01-FN-EN. , EnvisionTEC GmbH. (2018).
- Switching to FDM to Build Thermoforming Molds Reduces Cost From $1200 to $100. , Stratasys. Available from: http://www.stratasys.com/resources/case-studies/commercial-products/xerox-thermoforming (2016).
- Hofstätter, T., Mischkot, M., Pedersen, D. B., Tosello, G., Hansen, H. N. Evolution of surface texture and cracks during injection molding of fiber-reinforced, additively-manufactured, injection molding inserts. Proceedings of ASPE Summer Topical Meeting 2016: Dimensional Accuracy and Surface Finish in Additive Manufacturing. , (2016).
- Perfactory® Material. , EnvisionTEC Gmbh. Available from: https://envisiontec.com/wp-content/uploads/2016/09/MK-MTS-HTM140IndustrialIV-V01-FN-EN.pdf (2017).
- Software Manual, 2010. , EnvisionTEC Gmbh. Available from: https://digfablab.wikispaces.com/file/view/Getting+started.pdf (2010).
- Olympus LEXT OLS4100 laser scanning digital microscope Manual. , Olympus. (2018).
- SPIP™ - Analytical Software for Microscopy. , Image Metrology. Available from: https://www.imagemet.com/products/spip/ (2017).
- Zhang, Y., Pedersen, D. B., Gøtje, A. S., Mischkot, M., Tosello, G. A soft tooling process chain employing additive manufacturing for injection molding of a 3d component with micro pillars. Journal of Manufacturing Processes. 27, 138-144 (2017).
