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Engenharia

Uma cadeia de processo de ferramental macio para moldagem por injeção de um componente 3D com Micro pilares

Published: August 04, 2018
doi:
10.3791/57335
, , , , ,
1Department of Mechanical Engineering,Technical University of Denmark

Summary

Um protocolo para a fabricação de pastilhas para geometria complexa com características micro em superfícies empregando fabricação de aditivo (AM) de moldagem por injeção é apresentado.

Abstract

O objetivo deste trabalho é apresentar o método de uma cadeia de processo de ferramental macio empregando fabricação de aditivo (AM) para a fabricação de pastilhas de moldagem por injeção com micro características da superfície. As inserções de ferramental macio são fabricadas pela Digital Light Processing (IVA foto polimerização) usando um fotopolímero que pode suportar temperaturea relativamente alta. A parte fabricada aqui tem quatro dentes com um ângulo de 60°. Micro pilares (Ø200 µm, relação de aspecto de 1) são arranjados nas superfícies por duas linhas. Moldagem por injeção de polietileno (PE) com as inserções de ferramental macio é usada para fabricar as partes finais. Este método demonstra que é viável para obter peças moldadas por injeção com microestruturas na geometria complexa por aditivas inserções de manufaturados. O tempo de usinagem e o custo é reduzido significativamente em comparação com processos convencionais de ferramental baseados em computador de usinagem de controle numérico (CNC). As dimensões das características micro são influenciadas pelo processo de fabricação de aditivo aplicado. A vida útil das pastilhas determina que este processo é mais adequado para a produção piloto. A precisão da produção inserções é limitada pelo processo de fabrico aditivo também.

Introduction

O método apresentado visa fabricação de superfície complexa com características micro por um processo de macio-trabalho feito com ferramentas, ou seja, usar aditivo fabricação de polímero para produzir pastilhas para moldagem por injeção do polímero. Em outras palavras, partes de polímero com superfícies funcionais são injeção moldada por inserções de polímero.

Funcionalidades de superfície podem ser realizadas por características micro; por exemplo, Doan et al 1 e Luchetta et al 2 demonstrar superfícies funcionais no campo da biologia celular e Hu et al. 3 mostra um exemplo de elementos de óptica, etc. Um tipo de superfície característica, pilares micro, tem sido pesquisado intensamente para promover a proliferação celular. Eles são capazes de reforçar a ligação entre os tecidos proliferados e a superfície se os pilares micro são estampados em determinadas maneiras4,5.

Replicações de polímero de características de micro têm sido intensamente estudadas, e moldagem de precisa pode ser alcançada por muitos processos6. Por exemplo, et al . Metwally relatou alta fidelidade entre as peças moldadas e molde para a replicação de características de micro e micro sub superfícies planas7.

Existem muitos protocolos para fabricação de pilares micro ou recursos; no entanto, a maioria deles só pode ser aplicada em superfícies planas ou superfícies com curvatura constante. Por exemplo, Nian et al 8 mostrou que características micro poderiam ser alcançadas por estampagem quente em uma superfície curva. Esses protocolos não são adequados para formas complexas com superfícies tridimensionais, exigidos pela maioria dos dispositivos de vida real. Aparentemente, a fabricação de um três dimensional cavidade com micro características na superfície desafios atuais protocolos; Enquanto isso, ejeção das peças pode falhar por pilares de proporção elevada sobre uma superfície complexa se forem não perpendicular à direção de desmoldagem. Bissacco et al 9 usado insertos de molde 3D e obtidos recursos sub micro por injetoras; em seu estudo, especificidades sub micro com uma baixa proporção foram geradas por um processo de anodização de alumínio e replicadas com êxito pelo polímero em um componente do complexo.

Os pesquisadores tentaram envolvem fabricação aditiva nas cadeias de processo para replicação de polímero para atingir a superfície textura projetada. Lantada et al descreveram uma cadeia de processo que começa a partir de protótipos de AM e em seguida emprega técnicas de revestimento para a obtenção de insertos de molde metálico para10de moldagem por injeção. Peças de polímero produzidas por AM tem provadas ser directamente aplicável como molde insere11,12, que é o processo de macio das ferramentas apresentado neste protocolo.

Em nosso trabalho anterior, demonstrámos que Ø4 µm PEEK pilares (alta de 2 µm) foram com sucesso demolded em uma parede vertical por13de moldagem por injeção. Neste protocolo, o produto investigado é um anel com quatro dentes, cada um caracterizado por ter um ângulo de 60°. Este produto tem sido estudado por Zhang et al . 14, onde características micro foram introduzidas com a implementação de placas pré-fabricadas de níquel, e pilares micro (Ø4 µm) com relação de aspecto de 0,5 foram obtidas por moldagem por injeção de borracha de silicone nas pontas.

O método apresentado, características micro podem ser obtidas em superfícies complexas, criadas por uma corrente de processo ferramental macio. Cavidades de molde de aço são substituídas por um conjunto de inserções feitas por IVA AM baseados em foto-polimerização. Comparado ao metal AM, Fotopolímero com base estou a tecnologia é capaz de atingir maior precisão15. Além disso, o tempo de usinagem e o custo é reduzido significativamente em comparação com processos de trabalho feito com ferramentas convencionais baseados em usinagem CNC. De acordo com um recente estudo de caso16, usando macio-ferramental para termoformagem, o custo é reduzido em 91%, enquanto o tempo consumido é reduzido em 93%. Este protocolo é apropriado para produtos que exigem um design de alta flexibilidade e volume de produção intermediária. Provou-se que inserções fabricadas a partir de fibra de carbono reforçado fotopolímeros podem suportar até 2500 ciclos de polietileno antes de mofo visível deterioração17de injetoras. A escolha do material moldado por injeção é limitada pelas propriedades térmicas do fotopolímero escolhido para inserções. Polímeros com altas temperaturas de fusão não podem ser aplicados em uma cavidade de fotopolímero. Neste estudo, polietileno (PE) foi escolhido para realizar a teste de injetoras.

Protocol

1. Insira a fabricação por aditivo fabricação (AM) Desenha as cavidades necessárias pelo software de desenho assistido por computador (consulte Materiais complementares para arquivos usados neste trabalho).Nota: As inserções da manufatura diretamente na fase de construção sem suporte para evitar entortar as inserções durante a cura. A tolerância é de 0,05 mm. Escolha uma resina para polimerização de foto, em especial um que pode suportar o calor e a pressão durante a moldagem por injeção.Nota: A resina que escolhemos (ver Tabela de materiais) tem uma resistência de 56 MPa, alongamento na ruptura de 3,5%, uma resistência à flexão de 115 MPa, um módulo de flexão de 3350 MPa e uma temperatura de deflexão térmica de 140 ° C18. Homogeneizar a mistura de fotopolímero agravado (metacrilato de metilo proprietário e acrilamida, enrolado com um iniciador de foto do TiO2 com base) por um período mínimo de 30 minutos executando o cilindro de material em um rolo de garrafa molhado-laboratório, abanador de balão ou dispositivo de misturando similar. Prepare a máquina de polimerização de foto (tamanho de voxel de 16 µm): Para máquinas de AM de baixo para cima, verifique se o revestimento do IVA está intacta e completamente limpa. Para máquinas de cima para baixo, verifique se o sistema de limpeza para todos os defeitos. Inspecionar a fase de compilação e ajuste a placa de compilação usando uma folha de bitola de 100 µm para compensar correctamente a placa de compilação para o IVA. Pre-inflama a fonte de luz da máquina ferramenta se possível para atingir o estado estacionário temperatura antes de progredir. Esta temperatura deve ser de 65 ° C no motor de luz e 30 ° C no interior do IVA. Importe a geometria para o software de preparação de trabalho. Siga as orientações do fabricante a máquina19. Atribua parâmetros de máquina apropriada para coincidir com o fotopolímero escolhido (luz intensidade e camada de espessura para a máquina utilizada). Execute a compilação com a maior resolução de máquina vertical (25 µm nesta pesquisa). Limpe as inserções impressas. Enxágue-os em isopropanol exposto ao banho de ultra-sons durante 3 min. Enxágue completamente três vezes e certifique-se de que nenhum resíduo de fotopolímero é deixado na superfície das pastilhas impressas. Permitir que o solvente evapore completamente em temperatura ambiente e definir as inserções num exsicador até secar durante a noite em temperatura ambiente. Post curar as inserções secas usando UV luz pisca duas vezes, cada vez por 2000 pisca com uma frequência de 10 flashes por segundo (ver Tabela de materiais). 2. moldagem por injeção de (IM) Instale o módulo de injeção micro em uma máquina de injetoras convencionais (ver Tabela de materiais).Nota: No nosso caso, o módulo de injeção tinha um parafuso montado em um ângulo de 45°, diâmetro do parafuso era 8 mm, sendo a força de aperto 100 kN. Monte as inserções em placas do molde. Figura 1: máquina de injeção com moldes. (a) ao lado de injeção é montado com as placas. A inserção é destacada por um círculo vermelho. (b) o lado móvel é montado com as placas com pino de ejeção. A inserção é destacada por um círculo vermelho. Clique aqui para ver uma versão maior desta figura. Para explicar as variações durante o processo de impressão, faça manualmente modificações ligeiras as inserções necessárias para montar o molde. Dane-se as placas do molde na máquina. Grânulos de PE de carga para o funil. Defina o parâmetro de máquina Tmolde a 60 ° C, Tbarril a 175 ° C e Vinjeção em 65 mm/s. Aguarde tempo suficiente de resfriamento para a parte ser desenformada. Aquece o parafuso em 31 ° C, 155 ° C, 165 ° C, 170 ° C e 175 ° C, de 1 para a 5ª sessão. Quando a temperatura de fusão é de 175 ° C, começa a moldagem por injeção de precisão. Uma vez que a cavidade é preenchida, manter a pressão de embalagem de 300 bar durante 5 segundos compensar o encolhimento do PE. Abra o molde e permitir que o pino de ejeção empurrar a parte de PE fora do lado móvel da inserção. Se a parte de PE é pinçada na pastilha, tire a parte com a mão. Pare a máquina a 100 ciclos de moldagem por injeção (um ciclo é definido de quando o molde é fechado até que a parte é ejectada). 3. avaliação da qualidade Medir o diâmetro e a profundidade dos furos sobre as inserções antes de moldagem por injeção por um microscópio digital20 de exploração do laser. Medir em ambas as inserções; em cada inserção, medir quatro buracos em duas áreas com diferente distância ao portão “perto do portão” e “longe do portal”. Figura 2: medida áreas destacadas na imagem das pastilhas CAD. (a) a inserção lateral móvel correspondem os traseiros da réplica; (b) ao lado de injeção corresponde aos lados topo da réplica. O portão de injeção localiza-se no centro. Duas áreas com distância de diferença para o portão, “longe do portal” e “perto do portão” são comparadas na pesquisa. (Esta figura foi modificada de Zhang et al . 201722) Clique aqui para ver uma versão maior desta figura. Medida de diâmetro e a altura dos pilares nas pontas controladas obtidas de moldagem por injeção.Nota: Agrupar as peças de PE obtidas em lotes de 10 peças; ou seja, 1-10 é o 1º lote, 11-20 é o lote 2; até o último pedaço. Usar uma amostra aleatória em cada lote e fazer as medições na parte superior e laterais traseiras; de cada lado, meça quatro pilares em duas áreas com diferente distância ao portão (“perto do portão” e “longe do portal”). Analise os dados com a assistência de processamento de software21 a fim de obter as dimensões da imagem.

Representative Results

A Figura 3 mostra as inserções fabricadas por AM e as partes de PE produzidas por moldagem por injeção. Duas fileiras de furos circulares foram verticais à superfície nas pontas (Figura 3 (b)). A dimensão nominal dos furos sobre as inserções é Ø200 µm e 200 µm em profundidade, com uma distância do centro-à-centro 400 µm. As estruturas de camada devido ao processo de AM são claramente visíveis. No canto inferior esquerdo linha há uma marca de dobramento visível, que teve lugar involuntariamente durante a preparação para SEM. O processo de desmoldagem é ilustrado na Figura 4. Pilares não são paralelas à direção de desmoldagem. Nenhum pilar quebrando foi observado em todas as amostras estudadas (Figura 5). Neste sentido, a desmoldagem foi bem sucedida. Já é visível que os pilares na posição de longe-de-a-porta são notavelmente inferiores no lado superior devido a queda de pressão. Sobre o diâmetro, a diferença de posições não são tão importantes quanto a altura. Figura 6 e Figura 7 ilustram como a replicação propagadas ao longo de 100 ciclos de moldagem por injeção. O grau de replicação é definido pelo quociente entre a dimensão dos pilares e a dimensão das pastilhas. Ao longo dos 100 ciclos, processo estável foi alcançado em cada posição em relação a replicação vertical e lateral. A dimensão dos furos sobre as inserções foram alterados após a moldagem por injeção, que confirmou esta conclusão. A altura dos pilares posicionado longe do portal foram menores do que aqueles colocados perto do portão, porque o fluxo de polímero aumenta sua viscosidade quando aumenta o comprimento do fluxo. Os parâmetros de moldagem de injeção eram variados dentro do intervalo permitido pelo folha de dados material. Na janela do processo explorada, a maioria das pistas chegadas a mais de 80 ciclos, confirmar que a vida útil da ferramenta de AM insere não foi afetada na janela processo explorados. No entanto, rachando ocorreu para as inserções para o lado de injeção em alguns testes, quando a pressão de injeção era alta. Isto é devido a parte central da inserção é muito mais fino. Figura 3: inserções e réplicas. (a) inserções produzidas pelo processo de fabrico aditivo formam a cavidade do molde; uma réplica de polietileno (PE) produzida por moldagem por injeção é exibida. As marcas da régua de referência são milímetros; números marcam centímetros. (b) microscópio eletrônico de varredura (MEV) imagem mostra a superfície da pastilha; (c) SEM imagem mostra a superfície das peças feitas por moldagem por injeção do PE. ((a) e (b) ter sido modificado de Zhang et al . 201722) clique aqui para ver uma versão maior desta figura. Figura 4: sucesso desmoldagem. A desmoldagem foi bem sucedida, apesar de pilares não são paralelas à direção de desmoldagem. (a) fechem moldes e moldes (b) abrir para desmoldagem. (Esta figura foi modificada de Zhang et al . 201722) Clique aqui para ver uma versão maior desta figura. Figura 5: imagem SEM a visão lateral de um aleatório tine. As posições de quatro investigadas são rotuladas na imagem. (Esta figura foi modificada de Zhang et al . 201722) Clique aqui para ver uma versão maior desta figura. Figura 6: grau de replicação de altura da coluna. O grau de replicação da altura do pilar é definido pela altura da Pilar/profundidade do furo. O valor médio do grau de replicação nas quatro posições foi exibido em cada lote. Uma amostra selecionada aleatoriamente foi medida em cada lote. As posições de quatro são “Back-far” para a posição longe do portão no lado traseiro, “Back-perto” para a posição perto do portão no lado traseiro, “Top-far” para a posição longe do portal para o convés, e “Top-perto” para a posição perto do portão no lado superior. (Esta figura foi modificada de Zhang et al . 2017 22) Clique aqui para ver uma versão maior desta figura. Figura 7: grau de replicação do diâmetro da coluna. O grau de replicação do diâmetro pilares é definido pelo diâmetro do pilar/diâmetro do furo. O valor médio do grau de replicação nas quatro posições foi exibido em cada lote. Uma amostra selecionada aleatoriamente foi medida em cada lote. As posições de quatro são “Back-far” para a posição longe do portão no lado traseiro, “Back-perto” para a posição perto do portão no lado traseiro, “Top-far” para a posição longe do portal para o convés, e “Top-perto” para a posição perto do portão no lado superior. (Esta figura foi modificada de Zhang et al . 2017 22). Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.

Discussion

Este método é adequado para a fabricação de pastilhas para polímero as peças com formas complexas. Ele substitui a cavidade do molde de aço de ferramenta na máquina com um conjunto de inserções de ferramenta macio feito de polímeros de moldagem por injeção. o tempo de usinagem e o custo é reduzido em comparação com usinagem de metal convencional; Portanto, o ciclo de produção é encurtado. Essa cadeia de processo é apropriada para produtos em produção de escala intermédia (a partir de 1000-10.000 ciclos por injeção, moldagem ou similar), mas alta variação no design. Além disso, para inserções de impressas 3D, sem placas de molde especial são necessárias. Placas de moldagem de injeção comercial padrão foram compradas e usinadas para caber as inserções.

Com a tecnologia atual estado, macio de ferramental falha por um mecanismo distinto17. O mecanismo de falha foi identificado para ser ligada a temperatura de deflexão do calor da inserção da ferramental macio e a decomposição foi identificada para ser devido a gases. Portanto, o passo mais crítico é escolher a resina certa para as inserções produzido pela fabricação aditiva. A propriedade térmica e mecânica determina a vida dos implantes, ou seja, quantos ciclos pode suportar durante a moldagem por injeção. Ele também determina o intervalo de polímero moldado; a temperatura do molde do polímero moldado não deve ser superior à temperatura de deflexão do inserir material.

O segundo passo crítico no protocolo é o design da inserção. Devem ser seguidas as regras gerais de projeto de moldes e peças mecanicamente fracas devem ser evitadas em inserir um polímero impresso 3D; caso contrário, a vida útil da ferramenta será afetada devido a falhas como rachaduras.

A qualidade da superfície das peças moldadas por injeção obtidas é limitada pelo processo de fabrico aditivo aplicado. Pós-processamento como decapagem química é uma solução possível para melhorar a qualidade da superfície. Precisão as características de superfície é outra questão devido ao processo de fabricação aditiva.

Esse método irá criar a possibilidade para a criação de características de micro na superfície de forma livre real em uma novas demandas de reunião da plataforma de produção industrial. Portanto, esse método tem o potencial para ser aplicado e investigado para aplicações em relação a seguinte geração dispositivos médicos que requerem recursos micro em formas complexas, por exemplo, em conexão com dispositivos médicos ou dispositivos responsável14 . Este método irá facilitar a criação de valor através de despesas significativamente reduzidas para produções de série de volume de pequeno para médio e afetar positivamente a escala de tempo para a produção do vão entre 1-10 dispositivos individuais e real da produção em massa. Isso abrirá novos produtos de alto valor e soluções de design.

Declarações

The authors have nothing to disclose.

Acknowledgements

Este trabalho relata o trabalho realizado no âmbito do projeto “avançado de tratamento de superfície para dispositivos medicinais implantáveis activos” financiado pelo fundo de inovação Dinamarca. O autor reconhece com gratidão o apoio de treinamento inovador Europeu rede MICROMAN “Processo digital para zero-defeito MICROMANufacturing Net-forma”, financiada pelo Horizonte 2020 programa-quadro de investigação e inovação da União Europeia União.

Materials

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
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Referências

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Zhang, Y., Pedersen, D. B., Mischkot, M., Calaon, M., Baruffi, F., Tosello, G. A Soft Tooling Process Chain for Injection Molding of a 3D Component with Micro Pillars. J. Vis. Exp. (138), e57335, doi:10.3791/57335 (2018).
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