De onderhavige methode is gericht op de productie van complexe oppervlak met micro functies door een soft-tooling proces, dat wil zeggen, met polymeer additieve productie te produceren inzetstukken voor polymeer spuitgieten. Met andere woorden, zijn polymeer delen met functionele oppervlakken spuitgegoten door polymeer inserts.
Oppervlakte functionaliteiten kunnen worden gerealiseerd door micro functies; bijvoorbeeld, Doan et al. 1 en Luchetta et al. 2 tonen functionele oppervlakken op het gebied van celbiologie en Hu et al. 3 ziet u een voorbeeld van optische elementen, enz. Één type van oppervlakte functie, micro pijlers, is intensief onderzocht voor het bevorderen van celproliferatie. Ze zijn in staat om de hechting tussen de verspreide weefsels en de oppervlakte als de micro pijlers zijn patroon in bepaalde manieren4,5.
Polymeer replicaties van micro functies zijn intensief bestudeerd en precieze molding kan worden bereikt door vele processen6. Bijvoorbeeld, heeft Metwally et al. HiFi tussen de vormdelen en schimmel voor replicatie van micro- en sub micro functies voor vlakke oppervlakken7gerapporteerd.
Er zijn veel protocollen voor productie micro pijlers of functies; de meeste van hen kan echter alleen worden toegepast op vlakke oppervlakten of oppervlakken met constante kromming. Bijvoorbeeld, Nian et al. 8 toonde aan dat micro functies kunnen worden bereikt door hete preegdruk op een gebogen oppervlak. Deze protocollen zijn niet geschikt voor complexe vormen met drie-dimensionale oppervlakken, die door de meeste levensechte apparaten worden vereist. Blijkbaar, de fabricage van een drie dimensionale holte met micro functies op het oppervlak uitdagingen huidige protocollen; Ondertussen uitwerpen van de onderdelen voor hoge hoogte-breedteverhouding pijlers op een complex oppervlak kan mislukken als er niet-loodrecht op de demolding richting. Bissacco et al. 9 gebruikt 3D mal inzetstukken en sub micro functies verkregen door spuitgieten; in hun studie, werden specifieke sub micro kenmerken met een lage hoogte-breedteverhouding gegenereerd door een aluminium anodiseren proces en met succes zijn gerepliceerd door polymeer op een complexe component.
Onderzoekers hebben geprobeerd te betrekken van additieve productie in het proces kettingen voor polymeer replicatie met het oog op de ontworpen oppervlaktetextuur. Lantada et al. beschreef een proces keten die begint vanaf AM prototypes, en vervolgens maakt gebruik van coating technieken voor het verkrijgen van metalen mal inzetstukken voor spuitgieten10. Polymeer onderdelen geproduceerd door AM hebben bewezen te zijn rechtstreeks toepasselijk als schimmel voegt11,12, dat het proces van de zachte tooling gepresenteerd in dit protocol is.
In onze eerdere werk, we laten zien dat Ø4 µm PEEK pijlers (2 µm hoge) werden met succes demolded op een verticale muur door spuitgieten13. In dit protocol, het onderzochte product is een ring met vier tanden, elk gekenmerkt door een hoek van 60°. Dit product is bestudeerd door Zhang et al. 14, waar micro functies werden geïntroduceerd door uitvoering van geprefabriceerde platen van nikkel, en micro pijlers (Ø4 µm) met hoogte-breedteverhouding van 0,5 werden verkregen door silicone rubber spuitgieten op de tanden.
In de onderhavige methode, kunnen de micro functies op complexe oppervlakken gemaakt door een zachte tooling proces keten worden verkregen. Stalen mal holtes worden vervangen door een aantal inserts gemaakt door BTW foto polymerisatie-gebaseerde AM. In vergelijking tot metaal AM, ben fotopolymeer gebaseerd technologie is in staat om een hogere precisie15. Bovendien is de machinale bewerking tijd en kosten beperkt aanzienlijk ten opzichte van conventionele tooling processen op basis van CNC verspaning. Volgens een recente casestudy16, met behulp van de soft-tooling voor thermoforming, de kostprijs wordt verlaagd met 91%, terwijl de verbruikte tijd met 93% wordt verminderd. Dit protocol is geschikt voor producten waarvoor een hoge ontwerpflexibiliteit en tussenliggende productievolume. Het is bewezen dat inzetstukken vervaardigd uit koolstofvezel versterkt fotopolymeren delen bevinden tot 2500 spuitgieten cycli voor polyethyleen vóór17verslechtering merkbaar schimmel kunnen weerstaan. De keuze van injectie-gegoten materiaal wordt beperkt door de thermische eigenschappen van de gekozen fotopolymeer voor inzetstukken. Polymeren met een hoge smelttemperatuur temperaturen kunnen niet worden toegepast in een holte van fotopolymeer. In deze studie, werd polyethyleen (PE) gekozen om te voeren de test voor spuitgieten.
Deze methode kan helpen bij het beantwoorden van belangrijke vragen op het gebied van productie, zoals hoe de bewerkingstijd en de kosten voor pilotproductie kunnen worden verminderd. Het belangrijkste voordeel van deze techniek is dat microkenmerken kunnen worden bereikt op oppervlakken van complexe onderdelen dankzij additieve productie. Demonstratie van het additief geproduceerde onderdeel zal worden gedaan door Dr.David Bue Pedersen, die een senior onderzoeker is en Federico, die een promovendus is, Michael, die een technicus is, zal de injectieonderdelen maken.
Gebruik eerst computerondersteund ontwerpsoftware om de insert te ontwerpen. Hier zijn afbeeldingen van de beweegbare zijde en de injectiezijde van een mal om de ring met vier tanden te produceren. De tanden staan onder een hoek van 60 graden.
De fabricagetolerantie is 1/20e van een millimeter. Bereid vervolgens de hars voor voor fotopolymerisatie. Meng de componenten grondig gedurende 30 minuten in een mengapparaat.
Kies voor de fabricage een fotopolymerisatieapparaat. Inspecteer het bouwplatform en zorg ervoor dat de machine goed is ingesteld voor de fabricage. Importeer het ontwerp en voer de bouw uit met de hoogste verticale resolutie van de machine.
Na de fabricage, neem de geprinte inserts om ze te reinigen. Plaats ze drie keer gedurende drie minuten in isopropanol in een ultrasone bad. Nadat het oplosmiddel bij kamertemperatuur is verdampt, plaatst u de inserts in een exsiccator bij kamertemperatuur.
Haal de inserts terug en verhardt ze twee keer met UV-zaklampen. Wanneer u klaar bent, verwijdert u de inserts. Dit is een voorbeeld van de inserts op dit punt.
Gebruik een laserscanning digitaal microscoop om ze te beoordelen. Meet de diameter en diepte van vier gaten dicht bij de poort op de insert van de beweegbare zijde en op de injectiezijde. Voer bovendien metingen uit op vier gaten ver van de poort.
Deze microscoopafbeeldingen geven voorbeelden van de beweegbare zijde insert en de injectiezijde insert in dit stadium. De SEM-foto illustreert de oppervlaktekwaliteit. Werk met een conventionele spuitgietmachine.
Zorg ervoor dat de micro-injectiemodule is geïnstalleerd. Werk vervolgens met de inserts en malplaten. Laad vervolgens de trechter met polyethyleenkorrels.
Stel bij de bediening de machineparameters in en laat de koeltijd toe voor het ontvormen van het onderdeel. Verwarm de schroef tijdens de eerste tot de vijfde sessie. Wanneer de smelttemperatuur 175 graden Celsius is, start u met nauwkeurige injectievorming.
Zodra de holte is gevuld, handhaaft u een vuldruk van 300 bar gedurende vijf seconden. Open vervolgens de mal. Laat de uitwerper de pen uitduwen.
Dit is een voorbeeld van het onderdeel gevormd met dit protocol. Er werden honderd cycli uitgevoerd. Om de gevormde stukken te beoordelen, keert u terug naar de laserscanning digitale microscoop.
Er worden pilaren verkregen op het oppervlak. Meet de diameter en hoogte van de pilaren op de volglijnen op twee gebieden op verschillende afstanden van de poort. Dit is een rasterelektronenmicroscoopbeeld van het insertoppervlak dat is vervaardigd door additieve productie.
Voor vergelijking, hier is een SEM-afbeelding van het polyethyleen onderdeel geproduceerd door spuitgieten. De nominale afmetingen van de gaten op de insert zijn 200 micrometer in diameter en 200 micrometer in diepte. Dit is een vergelijking van de hoogte van de pilaar gedeeld door de diepte van het gat, ook wel de replicatiegraad van de pilaardiameter genoemd.
De batchgrootte is 10 in groepen in de volgorde geproduceerd in de run van 100 geproduceerde onderdelen. De waarden zijn van één willekeurig gekozen monster uit elke groep. Verschillend gekleurde balken verwijzen naar verschillende posities op de insert.
Hier is een analoog diagram voor de replicatiegraad van de pilaardiameter. De pilaardiameter gedeeld door de gatdiameter. Deze grafieken tonen aan dat het proces stabiel was op elke positie gedurende de 100 cycli.
De afmetingen van de gaten op de onderdelen waren na het spuitgieten onveranderd, wat de conclusie ondersteunt. Deze techniek heeft de weg gebaand voor onderzoekers in de productie en polymeerverwerking om het soft tooling proces te verkennen. Het maakt de creatie van microkenmerken op vrije vormoppervlakken op het nieuwe productieplatform mogelijk dat aan industriële eisen voldoet.