Przedstawiona metoda ma na celu wytwarzanie złożonych powierzchni z mikrocechami za pomocą miękkiego procesu narzędziowego, tj. wykorzystanie wytwarzania przyrostowego polimerów do produkcji wkładek do formowania wtryskowego polimerów. Innymi słowy, części polimerowe z powierzchniami funkcjonalnymi są formowane wtryskowo za pomocą wkładek polimerowych.
Funkcjonalności powierzchni mogą być realizowane za pomocą mikrofunkcji; na przykład Doan et al.1 oraz Luchetta et al.2 demonstrują funkcjonalne powierzchnie w dziedzinie biologii komórki, a Hu et al.3 pokazuje przykład elementów optycznych, itp. Jeden z rodzajów cech powierzchniowych, mikrofilary, był intensywnie badany pod kątem promowania proliferacji komórek. Są one w stanie wzmocnić wiązanie między namnażającymi się tkankami a powierzchnią, jeśli mikrofilary są wzorzyste w określony sposób4,5.
Intensywnie badano replikacje mikrocech polimerowych, a precyzyjne formowanie można osiągnąć za pomocą wielu procesów6. Na przykład Metwally i in. stwierdzili wysoką wierność między formowanymi częściami a formą w celu replikacji mikro i submikro cech na płaskich powierzchniach7.
Istnieje wiele protokołów do produkcji mikrofilarów lub funkcji; jednak większość z nich może być stosowana tylko na płaskich powierzchniach lub powierzchniach o stałej krzywiźnie. Na przykład Nian i wsp.8 pokazał, że mikrocechy można uzyskać poprzez tłoczenie na gorąco na zakrzywionej powierzchni. Protokoły te nie są odpowiednie dla złożonych kształtów z trójwymiarowymi powierzchniami, które są wymagane przez większość rzeczywistych urządzeń. Wygląda na to, że wytworzenie trójwymiarowej wnęki z mikroelementami na powierzchni stanowi wyzwanie dla obecnych protokołów; Tymczasem wyrzucanie części może się nie powieść w przypadku słupków o wysokim współczynniku kształtu na złożonej powierzchni, jeśli nie są one prostopadłe do kierunku wyjmowania z formy. Bissacco i wsp.9 używał wkładek do form 3D i uzyskiwał sub-mikro cechy metodą formowania wtryskowego; W ich badaniach specyficzne cechy submikro o niskim współczynniku kształtu zostały wygenerowane w procesie anodowania aluminium i z powodzeniem odtworzone przez polimer na złożonym elemencie.
Badacze próbowali włączyć wytwarzanie przyrostowe do łańcuchów procesowych replikacji polimerów, aby osiągnąć zaprojektowaną teksturę powierzchni. Lantada i in. opisali łańcuch procesów, który zaczyna się od prototypów AM, a następnie wykorzystuje techniki powlekania w celu uzyskania metalowych wkładek do formy do formowania wtryskowego10. Udowodniono, że części polimerowe produkowane przez AM mają bezpośrednie zastosowanie jako wkładki do formy11,12, który jest procesem miękkiego oprzyrządowania przedstawionym w tym protokole.
W naszej poprzedniej pracy wykazaliśmy, że słupki PEEK Ø4 μm (2 μm wysokości) zostały pomyślnie zdeformowane na pionowej ścianie przez formowanie wtryskowe13. W tym protokole badany produkt jest pierścieniem z czterema zębami, z których każdy charakteryzuje się kątem 60°. Ten produkt został przebadany przez Zhang i wsp.14, gdzie wprowadzono mikro cechy poprzez zastosowanie prefabrykowanych płyt niklowych, a mikro słupki (Ø4 μm) o proporcjach 0,5 zostały uzyskane przez formowanie wtryskowe kauczuku silikonowego na zębach.
W prezentowanej metodzie, mikrocechy można uzyskać na skomplikowanych powierzchniach tworzonych przez łańcuch procesów miękkiego oprzyrządowania. Stalowe wnęki formy zastąpione są zestawem wkładek wykonanych metodą AM na bazie fotopolimeryzacji kadziowej. W porównaniu z AM metalu, technologia AM oparta na fotopolimerach jest w stanie osiągnąć wyższą precyzję15. Co więcej, czas i koszt obróbki są znacznie skrócone w porównaniu z konwencjonalnymi procesami narzędziowymi opartymi na obróbce CNC. Zgodnie z niedawnym studium przypadku16, dzięki zastosowaniu miękkich narzędzi do termoformowania, koszt jest zmniejszony o 91%, a czas zużycia jest krótszy o 93%. Protokół ten jest odpowiedni dla produktów wymagających dużej elastyczności projektowania i pośredniej wielkości produkcji. Udowodniono, że wkładki wykonane z fotopolimerów wzmocnionych włóknem węglowym mogą wytrzymać do 2500 cykli formowania wtryskowego polietylenu przed zauważalnym pogorszeniem stanu formy17. Wybór materiału formowanego wtryskowo jest ograniczony właściwościami termicznymi wybranego fotopolimeru do wkładek. Polimery o wysokich temperaturach topnienia nie mogą być stosowane we wnęce fotopolimerowej. W tym badaniu do przeprowadzenia testu formowania wtryskowego wybrano polietylen (PE).
Metoda ta może pomóc w rozwiązaniu kluczowych problemów w dziedzinie produkcji, takich jak skrócenie czasu obróbki i kosztów produkcji pilotażowej. Główną zaletą tej techniki jest to, że dzięki wytwarzaniu przyrostowemu można uzyskać mikrocechy na powierzchniach złożonych części. Demonstracją części produkcji addytywnej będzie dr David Bue Pedersen, który jest starszym badaczem, a Federico, który jest doktorantem, Michael, który jest technikiem, wykona części do formowania wtryskowego.
Najpierw użyj oprogramowania do projektowania wspomaganego komputerowo, aby zaprojektować wkładkę. Oto przedstawienia ruchomej strony i strony wtryskowej formy do produkcji pierścienia z czterema zębami. Zęby są ustawione pod kątem 60 stopni.
Tolerancja produkcyjna wynosi 1/20 milimetra. Następnie przygotuj żywicę do fotopolimeryzacji. Dokładnie wymieszaj jego składniki w urządzeniu mieszającym przez 30 minut.
Do produkcji wybierz maszynę do fotopolimeryzacji. Sprawdź etap budowy i upewnij się, że maszyna jest prawidłowo skonfigurowana do etapu produkcji. Zaimportuj projekt i uruchom kompilację w najwyższej rozdzielczości pionowej maszyny.
Po wyprodukowaniu weź wydrukowane wkładki, aby je wyczyścić. Umieść je w izopropanolu w kąpieli ultradźwiękowej na trzy minuty, trzy razy. Po odparowaniu rozpuszczalnika w temperaturze pokojowej umieścić wkładki w eksykatorze o temperaturze pokojowej.
Odzyskaj wkładki i utwardź je dwukrotnie za pomocą latarek UV. Po zakończeniu wyjmij wkładki. To jest przykład wkładek w tym momencie.
Aby je ocenić, użyj laserowego skaningowego mikroskopu cyfrowego. Zmierz średnicę i głębokość czterech otworów w pobliżu bramki po stronie ruchomej i po stronie wtryskowej. Ponadto wykonaj pomiary na czterech otworach oddalonych od bramy.
Te obrazy mikroskopowe dostarczają przykładów ruchomej wkładki bocznej i wkładki bocznej do wstrzykiwań na tym etapie. Zdjęcie SEM ilustruje jakość powierzchni. Praca z konwencjonalną wtryskarką.
Upewnij się, że moduł mikroiniekcji jest zainstalowany. Następnie pracuj z wkładkami i płytkami formy. Następnie załaduj lej samowyładowczy granulatem polietylenu.
Na elementach sterujących ustaw parametry maszyny i poczekaj, aż część zostanie wyjęta z formy, aby czas schładzania. Podgrzej podczas pierwszej do piątej sesji. Gdy temperatura topnienia wynosi 175 stopni Celsjusza, rozpocznij dokładne formowanie wtryskowe.
Po napełnieniu wnęki utrzymuj ciśnienie wypełnienia 300 barów przez pięć sekund. Następnie otwórz formę. Pozwól, aby kołek wypychający wypchnął część.
Jest to przykład części formowanej za pomocą tego protokołu. Wykonano sto cykli. Aby ocenić wypraski, wróć do laserowego skaningowego mikroskopu cyfrowego.
Filary uzyskuje się na powierzchni. Zmierz średnicę i wysokość słupków na torowych liniach w dwóch obszarach w różnych odległościach od bramy. Jest to skaningowy obraz mikroskopu elektronowego powierzchni wkładki wytwarzanej przez wytwarzanie przyrostowe.
Dla porównania, oto obraz SEM części polietylenowej wyprodukowanej przez formowanie wtryskowe. Nominalne wymiary otworów we wkładce to 200 mikrometrów średnicy i 200 mikrometrów głębokości. Jest to porównanie wysokości słupka podzielone przez głębokość otworu, określane jako stopień replikacji wysokości słupka.
Partie są w grupach po 10 sztuk w kolejności produkcji w seriach 100 wyprodukowanych części. Wartości pochodzą z jednej losowo wybranej próby z każdej grupy. Różne kolorowe paski odnoszą się do różnych pozycji na wkładce.
Oto analogiczny wykres dla stopnia replikacji średnicy filaru. Średnica słupka podzielona przez średnicę otworu. Wykresy te pokazują, że proces był stabilny w każdej pozycji w ciągu 100 cykli.
Wymiary otworów na częściach pozostały niezmienione po formowaniu wtryskowym, co potwierdza wniosek. Technika ta utorowała drogę naukowcom zajmującym się produkcją i przetwórstwem polimerów do zbadania procesu miękkiego oprzyrządowania. Umożliwia to tworzenie mikroelementów na powierzchniach o swobodnych kształtach na nowej platformie produkcyjnej, która spełnia wymagania przemysłowe.