提出了一种采用添加剂制造 (AM) 的表面具有微特征的复杂几何形状的注塑件的制作方案。
本文的目的是介绍一种采用添加剂制造 (AM) 的软模具工艺链制造具有微表面特征的注塑刀片的方法。软工具插入是由数字光处理 (vat 照片聚合) 制造的, 使用的光敏可以承受相对较高的 temperaturea。这里制造的部件有四尖角的角度。微柱 (Ø200µm, 长宽比 1) 由两排排列在表面上。聚乙烯 (PE) 注塑与软模具插入是用来制造最后的零件。该方法表明, 采用外加剂制造的刀片, 在复杂几何上获得具有显微结构的注塑件是可行的。与基于计算机数控 (CNC) 加工的传统模具相比, 加工时间和成本显著降低。微特征的尺寸受外加添加剂制造过程的影响。插入的寿命决定了此过程更适合于先导生产。刀片生产的精度也受到添加剂制造过程的限制。
本发明的目的是通过软加工工艺制造具有微特征的复杂表面,即利用高分子添加剂制造生产聚合物注塑成型的刀片。换言之, 具有功能表面的聚合物部件是由聚合物插入模塑而成。
表面功能可通过微特征实现;例如, 杜安等。1和 Luchetta等。2展示细胞生物学领域的功能表面, 以及胡等。3显示了一个光学元件的例子,等等.一种表面特征, 微柱, 已被深入研究, 以促进细胞增殖。如果微柱以一定的方式4,5, 它们能够增强增生组织与表面的结合。
对微特征的聚合物复制进行了深入研究, 并通过6多个工艺实现了精密成型。例如, Metwally等人报告了模塑零件和模具之间的高保真度, 以复制微和亚微特征在平坦表面7。
有许多制造微柱或特征的协议;然而, 它们大多只能应用在平坦的表面或具有恒定曲率的曲面上。例如, 年等。8表明, 在曲面上的热压花可以实现微特征。这些协议不适用于具有三维曲面的复杂形状, 这是大多数实际设备所必需的。显然, 表面具有微特征的三维腔的制造挑战了当前的协议;同时, 如果在复杂表面上的高纵横比柱子不垂直于脱模方向, 则部件的弹射可能会失败。Bissacco等。9 ) 采用3D 模刀片, 通过注塑成型获得亚微米特征;在研究中, 采用铝阳极氧化工艺, 在复杂组分上成功地复制了具有低长宽比的特异性亚微米特征。
研究人员试图在聚合物复制的过程链中加入添加剂制造, 以达到设计的表面纹理。Lantada等人描述了从 AM 原型开始的工艺链, 然后采用涂装技术获取注塑成型10的金属模刀片。由 AM 生产的高分子零件已被证明是直接适用于模具插入11,12, 这是软模具过程中提出的协议。
在我们以前的工作中, 我们证明了Ø4µm PEEK 柱 (2 µm 高) 成功 demolded 在垂直墙上注塑成型13。在本协议中, 所研究的产品是一个四尖的环, 每一个都有一个角度的一角。本产品已由张等研究。14、采用预制备的镍板进行微特征提取, 在齿尖上采用硅橡胶注射成型法, 得到了µm 的微柱 (Ø4), 其长宽比为0.5。
在所提出的方法中, 可以在软模具加工链所创建的复杂曲面上获得微特征。钢模腔被一组由还原光聚合为基础的镶件所取代。与金属相比, 基于光敏的 am 技术能够达到更高的精度15。而且, 与传统的数控加工工艺相比, 加工时间和成本大大降低。根据最近的案例研究16, 通过使用软模具进行热成型, 成本降低了 91%, 而消耗的时间减少了93%。该协议适用于要求高设计灵活性和中间生产量的产品。经证明, 碳纤维增强 photopolymers 制造的刀片在明显的模具变质17前可承受2500的聚乙烯注塑周期。注射成型材料的选择受所选光敏的热性能的限制。高熔融温度的聚合物在光敏腔中可能不适用。本研究选用聚乙烯 (PE) 进行注射成型试验。
该方法适用于复杂形状高分子零件的插入件的制作。它用一组由聚合物制成的软刀片代替注塑机中的刀具钢模腔。与传统的金属加工相比, 缩短了加工时间和成本;因此, 生产周期缩短。该工艺链适用于中等规模的产品 (从 1000年-1万周期注塑或类似) 生产, 但在设计上的变化很大。此外, 对于3D 印刷刀片, 不需要特殊的模具板。标准的商用注塑板被购买和加工, 以适应插入。
在当前的技术状态下, 软模具由不同的机制17失败。该失效机理已被确定为连接软模具插入件的热偏转温度, 而分解则被确定为由于出气。因此, 最关键的一步是选择合适的树脂为插入物生产的添加剂制造。热力学性能决定了插入件的寿命,即在注塑过程中能承受多少循环。它还决定了模塑聚合物的范围;模塑聚合物的模具温度不应高于插入材料的挠度温度。
协议中的第二个关键步骤是插入的设计。应遵循模具设计的一般规则, 在3D 印制聚合物插入件时应避免机械薄弱部件;否则, 刀具寿命会因裂纹等故障而受到影响。
所获得的注塑件表面质量受外加添加剂制造工艺的限制。后处理, 如化学蚀刻是一个可能的解决方案, 以提高表面质量。表面特性的精度是由于添加剂制造过程而引起的另一个问题。
该方法在满足工业需求的新生产平台上创造了在真实自由曲面上创建微特征的可能性。因此, 这种方法有可能被应用和研究的应用与下一代医疗设备, 需要微功能的复杂形状, 例如与医疗器械或植入设备14.该方法通过大幅度降低中小批量生产系列产品的成本来促进价值创造, 并对 1-10 个单独设备与实际批量生产之间的差距产生积极影响。它将开辟新的高附加值产品和设计方案。
The authors have nothing to disclose.
本文报告了由丹麦创新基金资助的 “植入式医疗设备先进表面处理” 项目所开展的工作。撰文人感谢欧洲创新培训网 MICROMAN “零缺陷网络形状 MICROMANufacturing 过程指纹” 的支持, 由2020欧洲研究和创新框架方案资助联盟。
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 |