El método presentado tiene como objetivo en la fabricación de superficie compleja con características micro por un proceso de soft tooling, es decir, utilizar la fabricación aditivos de polímero para producir insertos para el moldeo de polímeros. En otras palabras, partes de polímero con superficies funcionales son inyección moldeada por los rellenos de polímero.
Funcionalidades de superficie pueden realizarse por características de la micro; por ejemplo, Doan et al. 1 y Breakfastluchetta et al. 2 demostrar superficies funcionales en el campo de la biología de la célula y Hu et al. 3 muestra un ejemplo de elementos ópticos, etc. Un tipo de característica superficial, micro de pilares, se ha investigado intensamente para promover la proliferación celular. Son capaces de mejorar la adherencia entre la superficie y los tejidos proliferados si los pilares micro son estampados en ciertas maneras4,5.
Repeticiones de polímero de características micro han sido intensamente estudiados y moldeado exacto se puede alcanzar por muchos procesos6. Por ejemplo, Metwally et al ha informado entre las piezas moldeadas y molde para la replicación de las características micro y el micro de alta fidelidad sobre superficies planas7.
Existen muchos protocolos para pilares de micro fabricación o características; sin embargo, la mayoría de ellos sólo puede aplicarse en superficies planas o superficies con curvatura constante. Por ejemplo, Nian et al. 8 demostraron que podrían lograrse micro características de grabación en relieve caliente en una superficie curva. Los protocolos no son adecuados para formas complejas con superficies tridimensionales, que son requeridas por la mayoría de los dispositivos reales. Al parecer, la fabricación de tres dimensiones cavidad con micro características en la superficie desafía los protocolos actuales; mientras tanto, expulsión de las piezas puede fallar para pilares de alta relación de aspecto de una superficie compleja si son no perpendicular a la dirección de demolding. Bissacco et al. 9 utiliza insertos de molde 3D y obtiene las micro características de moldeo; en su estudio, características específicas el micro con un cociente de aspecto bajo fueron generados por una de aluminio anodizado y replicadas con éxito por polímero sobre un componente complejo.
Los investigadores han intentado involucrar fabricación aditiva en las cadenas de proceso para la replicación de polímero para lograr la textura de la superficie diseñada. Lantada et al describen una cadena de proceso que inicia desde prototipos de AM y luego emplea técnicas de recubrimiento para la obtención de insertos de molde metálico10de moldeo por inyección. Piezas de polímero producidas por AM han demostrado para ser directamente aplicable como molde inserta11,12, que es el proceso de suave herramientas presentado en este protocolo.
En nuestro trabajo anterior, nos demostró que Ø4 μm PEEK pilares (2 μm de alto) eran con éxito demolded sobre una pared vertical por13de moldeo por inyección. En este protocolo, el producto investigado es un anillo con cuatro puntas, cada uno caracterizado por tener un ángulo de 60°. Este producto ha sido estudiado por Zhang et al. 14, donde se introdujeron características micro implementando prefabricados placas de níquel, y micro pilares (Ø4 μm) con relación de aspecto de 0.5 fueron obtenidos por moldeo de caucho de silicona sobre los dientes.
En el método presentado, características micro pueden obtenerse en superficies complejas creadas por una cadena de proceso de mecanizado suave. Cavidades de molde de acero se reemplazan por un conjunto de inserciones de IVA foto polimerización basado en AM. Comparado con el metal AM, estoy fotopolímero basado en tecnología es capaz de lograr mayor precisión15. Por otra parte, el tiempo de mecanizado y el coste se reduce considerablemente comparado con procesos convencionales útiles basados en mecanizado CNC. Según un reciente estudio de caso16, mediante el uso de herramientas de soft para termoformado, el costo se reduce en 91%, mientras que el tiempo se reduce un 93%. Este protocolo es adecuado para productos que requieren un diseño de alta flexibilidad y volumen de producción intermedia. Se ha demostrado que insertos fabricados de fibra de carbono reforzada fotopolímeros pueden soportar hasta 2500 ciclos de polietileno antes de molde sensible deterioro17del moldeo. La elección del material de moldeo por inyección está limitada por las propiedades térmicas de los fotopolímeros solicitadas para insertos. Polímeros con alta temperatura de fusión no pueden ser aplicados en una cavidad de fotopolímero. En este estudio, polietileno (PE) fue elegido para llevar a cabo el prueba del moldeo.
Este método puede ayudar a abordar preguntas clave en el campo de la fabricación, como cómo reducir el tiempo y el costo de mecanizado para la producción piloto. La principal ventaja de esta técnica es que se pueden conseguir microcaracterísticas en superficies de piezas complejas gracias a la fabricación aditiva. Demostrando la parte de fabricación aditiva estará el Dr. David Bue Pedersen, que es investigador senior y Federico, que es estudiante de doctorado, Michael, que es técnico, hará las piezas de moldeo por inyección.
En primer lugar, utilice un software de diseño asistido por ordenador para diseñar el inserto. Aquí hay representaciones del lado móvil y el lado de inyección de un molde para producir el anillo con cuatro púas. Las púas están en un ángulo de 60 grados.
La tolerancia de fabricación es de 1/20 de milímetro. A continuación, prepare la resina para la fotopolimerización. Mezcle bien sus componentes en un dispositivo de mezcla durante 30 minutos.
Para la fabricación, elija una máquina de fotopolimerización. Inspeccione la etapa de construcción y asegúrese de que la máquina esté configurada correctamente para el paso de fabricación. Importe el diseño y ejecute la compilación a la resolución vertical más alta de la máquina.
Después de la fabricación, tome los insertos impresos para limpiarlos. Colóquelos en isopropanol en un baño ultrasónico durante tres minutos, tres veces. Después de que el solvente se evapore a temperatura ambiente, coloque los insertos en un desecador a temperatura ambiente.
Recupere los insertos y cúrelos dos veces con linternas UV. Cuando termine, retire los insertos. Este es un ejemplo de las inserciones en este punto.
Para evaluarlos, utilice un microscopio digital de barrido láser. Mida el diámetro y la profundidad de cuatro orificios cerca de la compuerta en el inserto del lado móvil y en el lado de inyección. Además, realice mediciones en cuatro orificios alejados de la puerta.
Estas imágenes de microscopio proporcionan ejemplos del inserto lateral móvil y del inserto lateral de inyección en esta etapa. La imagen SEM ilustra la calidad de la superficie. Trabaje con una máquina de moldeo por inyección convencional.
Asegúrese de que el módulo de microinyección esté instalado. Luego, trabaje con los insertos y las placas del molde. Luego, cargue la tolva con gránulos de polietileno.
En los controles, configure los parámetros de la máquina y permita el tiempo de enfriamiento para que la pieza se desmoldee. Caliente el tornillo durante la primera a la quinta sesión. Cuando la temperatura de fusión sea de 175 grados centígrados, inicie el moldeo por inyección preciso.
Una vez llena la cavidad, mantenga una presión de empaquetadura de 300 bar durante cinco segundos. A continuación, abre el molde. Permita que el pasador de expulsión empuje la pieza hacia afuera.
Este es un ejemplo de la pieza moldeada con este protocolo. Se ejecutaron cien ciclos. Para evaluar las piezas moldeadas, regrese al microscopio digital de escaneo láser.
Los pilares se obtienen en la superficie. Mida el diámetro y la altura de los pilares en las líneas de orugas en dos áreas a diferentes distancias de la puerta. Se trata de una imagen de micrografía electrónica de barrido de la superficie del inserto fabricada mediante fabricación aditiva.
A modo de comparación, aquí hay una imagen SEM de la pieza de polietileno producida por moldeo por inyección. Las dimensiones nominales de los orificios de la plaquita son de 200 micrómetros de diámetro y 200 micrómetros de profundidad. Se trata de una comparación de la altura del pilar dividida por la profundidad del agujero, denominada grado de replicación de la altura del pilar.
Los lotes se agrupan en grupos de 10 en el orden en que se producen en la tirada de 100 piezas producidas. Los valores proceden de una muestra elegida al azar de cada grupo. Las barras de diferentes colores se refieren a diferentes posiciones en el inserto.
Aquí hay un gráfico análogo para el grado de replicación del diámetro del pilar. El diámetro del pilar dividido por el diámetro del orificio. Estos gráficos demuestran que el proceso fue estable en cada posición en el transcurso de 100 ciclos.
La dimensión de los agujeros de las piezas no cambió después del moldeo por inyección, lo que respalda la conclusión. Esta técnica allanó el camino para que los investigadores en la fabricación y el procesamiento de polímeros exploraran el proceso de herramientas blandas. Permite la creación de microcaracterísticas en superficies de forma libre en la nueva plataforma de producción que satisface las demandas industriales.