Een protocol voor het fabriceren van spuitgieten inzetstukken voor complexe geometrie met micro functies op oppervlakken met Additive Manufacturing (AM) wordt gepresenteerd.
Het doel van deze paper is te presenteren van de methode van een zachte tooling proces keten Additive Manufacturing (AM) in dienst voor de fabricage van injection molding inzetstukken met micro oppervlaktekenmerken. De zachte Tooling inserts worden vervaardigd door Digital Light Processing (BTW-foto polymerisatie) met behulp van een fotopolymeer die relatief hoge temperaturea kan weerstaan. Het deel vervaardigd hier heeft vier tanden met een hoek van 60°. Micro pijlers (Ø200 µm, hoogte-breedteverhouding van 1) worden gerangschikt op de oppervlakken van twee rijen. Spuitgieten van polyethyleen (PE) met de zachte tooling inzetstukken wordt gebruikt voor het fabriceren van de laatste delen. Deze methode geeft aan dat het haalbaar is om het verkrijgen van injectie-gegoten onderdelen met microstructuren op complexe geometrie door additieve vervaardigde inserts. De machinale bewerking tijd en kosten wordt verminderd aanzienlijk ten opzichte van conventionele tooling processen op basis van computer numerieke besturing (CNC) draaien. De afmetingen van de micro functies worden beïnvloed door het toegepaste additieve productieproces. De levensduur van de inserts bepaalt dat dit proces meer geschikt voor de productie van de piloot is. De precisie van de inzetstukken productie wordt beperkt door het additieve productieproces zo goed.
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 is geschikt voor de fabricage van inzetstukken voor polymeer delen met complexe vormen. Het vervangt de tool stalen matrijs holte in het spuitgieten machine met een reeks van zachte gereedschap tussenvoegsels gemaakt van polymeren. de machinale bewerking tijd en kosten wordt verminderd in vergelijking met conventionele metaal bewerking; Dus, de cyclus van productie wordt ingekort. Deze proces-ketting is geschikt voor producten in de tussenliggende schaal (van 1000-10.000 cycli door injectie natpers of gelijkaardig) productie, maar hoge variatie in design. Bovendien, voor 3D bedrukte inserts, geen speciale schimmel platen zijn vereist. Standaard commerciële injection molding platen werden gekocht en machinaal aanpassen aan de inserts.
Bij de huidige technologie mislukt staat, zacht tooling door een verschillend mechanisme17. De mislukking-mechanisme is vastgesteld om de temperatuur warmte doorbuiging van de zachte tooling insert worden gekoppeld en de decompositie is aangewezen om te worden vanwege de explosieve. Daarom is de meest kritische stap om te kiezen van de juiste hars voor de inserts geproduceerd door additieve productie. De thermische en mechanische eigenschap bepaalt het leven van de inserts, dat wil zeggen, hoeveel cycli het kan weerstaan tijdens spuitgieten. Het bepaalt ook het bereik van het gevormde polymeer; de temperatuur van de mal van het gevormde polymeer mag niet hoger dan de temperatuur van de uitwijking van het materiaal invoegen.
De tweede cruciale stap in het protocol is het ontwerp van het donormateriaal. Algemene regels van schimmel ontwerp moeten worden gevolgd en mechanisch zwakke delen moeten worden vermeden op een 3D gedrukte polymeer invoegen; anders, zal de levensduur van het gereedschap worden beïnvloed als gevolg van storingen zoals scheuren.
De oppervlakkwaliteit van de verkregen injectie-gegoten onderdelen wordt beperkt door het toegepaste additieve productieproces. Nabewerking zoals chemische etsen is een mogelijke oplossing voor het verbeteren van de kwaliteit van het oppervlak. Nauwkeurigheid van de oppervlaktekenmerken is een ander probleem te wijten aan het additief productieproces.
Hierdoor ontstaat de mogelijkheid voor het creëren van micro functies op de oppervlakte van de echte vrije-vorm op een nieuwe productie platform bijeenkomst industriële eisen. Dus, deze methode heeft het potentieel om te worden toegepast en onderzocht voor toepassingen in verband met de komende generatie medische hulpmiddelen waarvoor micro functies op complexe vormen, bijvoorbeeld in verband met medische hulpmiddelen of implanteren apparaten14 . Deze methode zal waardecreatie door aanzienlijk lagere kosten voor kleine tot middelgrote volume serie producties te vergemakkelijken, en positieve invloed hebben op de tijdschaal voor de productie in de kloof tussen 1-10 afzonderlijke apparaten en reële massa productie. Het zal openstellen nieuwe hoogwaardige producten en ontwerpoplossingen.
The authors have nothing to disclose.
Dit papier rapporteert werk verricht in het kader van het project “geavanceerde oppervlaktebehandeling voor implanteerbare medische hulpmiddelen” gefinancierd door innovatiefonds Denemarken. De auteur mijn dankbaarheid uitspreken voor de steun van de Europese innovatieve opleiding netwerk MICROMAN “Proces vingerafdruk voor continue Net-vorm MICROMANufacturing” gefinancierd door het kaderprogramma voor Horizon 2020 voor onderzoek en innovatie van de Europese Unie.
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 |