Hersteller von medizinischen Geräten, Elektronik und biopharmazeutischen Produkten benötigen neuere Mikro-Spritzgießen Produkte, um kleinere und platzsparendere Mikrogeräte herzustellen. Mikrospritzgegossene Bauteile können so klein wie ein Staubkorn sein.

Was ist ein mikrospritzgegossenes Bauteil?

Viele neue Fortschritte in der Mikrospritzgießen Techniken haben die Entwicklung und Herstellung von Mikroformen ermöglicht, die das Mikrospritzgießen von Thermoplasten, Silikonen und Metallpulvern ermöglichen.

Diese Computertechnik hat die Entwicklung von minimalinvasiven medizinischen und pharmazeutischen Mikrogeräten weltweit erleichtert.

In diesem Papier werden viele der wichtigsten Faktoren und Herausforderungen sowie Lösungen für den Erfolg von konventionellen Mikrogeräten und Komponenten beschrieben Spritzgießen.

Herausforderungen für Micro Molding

Die meisten Mikroprodukte beginnen mit einer gewissen extremen Herausforderung. Sie sind in der Regel verkleinerte Versionen ähnlicher Produkte auf dem Markt.

Mikrokomponenten werden immer komplexer, da sie in winzige und empfindliche Arterien, Pumpen, Katheter oder Endoskope eingebaut werden und in ihrem Inneren Mikrokomponenten enthalten sein können, die funktionieren müssen.

Sie haben oft eine schwierige Geometrie, weil sie früher aus zwei oder mehr Komponenten bestanden, aber aus Kostengründen auf eine Komponente reduziert wurden, damit sie nicht unter dem Mikroskop zusammengebaut werden müssen.

Für diese Geräte können Medikamente erforderlich sein, die direkt mit Polymeren, Metallen oder Membranen verbunden oder diesen hinzugefügt werden, und sie sind mit funktionierenden Zahnrädern, Hebeln und Antriebsmechanismen ausgestattet, damit das Gerät wiederholt funktioniert und eine zuverlässige Lebensdauer hat.

In Anbetracht dieser Merkmale und der Anforderung, dass diese Geräte direkt in den menschlichen Körper implantiert werden können, ist es wichtig, diese Geräte robust zu entwickeln und sie auf Form, Passform und Funktion zu testen.

Mikroinjektion Fließform Fließanalyse

Da Mikroformen und Prototypenteile in ihrem Entwicklungszyklus kostspielig sind, kann die Analyse der Mikroform-Fließsimulation eine Simulation der Füllungserwartungen auf der Grundlage eines bestimmten Designs liefern.

Beim Vergleich von konventionell geformten und mikrogeformten Teilen wird häufig davon ausgegangen, dass Mikroteile mit der gleichen Software und dem gleichen Modellierungsansatz gefüllt werden können.

So würde sich beispielsweise eine Strömungsanalyse mit einem typischen 500-Mikron-Gate stark von einer simulierten Strömung durch ein 75-Mikron-Gate unterscheiden.

Der Hauptunterschied besteht darin, dass abgesehen von einer Mikroschleuse beim Durchgang durch eine kleine Öffnung mehr scherungsinduzierte Wärme erzeugt wird.

Daher muss das Netz des Festkörpermodells eine sehr hohe Auflösung haben, um zu bestimmen, was in den Anschnitt- und Dünnwandbereichen passiert.

Festkörpermodellnetze, die bei der Fließsimulation von Formen verwendet werden, erfordern Netze mit einer Größe von wenigen Mikrometern, während Teile mit einer Größe von mehreren zehn Mikrometern hergestellt werden.

Anschnitte in mikrogeformten Bauteilen müssen richtig dimensioniert sein, um eine übermäßige thermische Belastung des in den Hohlraum eintretenden Materials zu vermeiden.

Bei wärmeempfindlichen Materialien wie bioabsorbierbaren und biopharmazeutischen Polymeren ist es wichtig, die Beziehung zwischen der Verweilzeit des Materials im Zylinder, in der Düse und im Heißkanal und der zusätzlichen Wärme, die während des Einspritzvorgangs auf das Material übertragen werden kann, zu verstehen.

Manchmal ist das Material ausschlaggebend für die Wahl des Verfahrens, und manchmal ist das Verfahren ausschlaggebend für die Wahl des Materials.

Einige häufig verwendete Mikroformmaterialien sind PEEK, PLA, PGA, LSR, Polyethylen, Polypropylen, Polycarbonat, LCP, PMMA, zyklische Olefin-Copolymere (COCs) und Edelstahl (Metallspritzguss).

Mikroinjektionsformen

Sobald das Produktdesign und die Materialauswahl feststehen, ist es an der Zeit, die Mikro-Spritzeinheit Form.

Unabhängig davon, ob es sich um ein thermoplastisches Material, Silikon oder Metallpulver handelt, ist die Form die wichtigste Komponente für den Erfolg.

Da das Produkt und die Form so klein sind (wie unten dargestellt), werden auch die Toleranzen der Abmessungen kleiner. Die Form muss immer noch 25% der Teiletoleranz einhalten, um ein gutes Verarbeitungsfenster zu bieten.

Die Produkttoleranz beträgt ±0,01 mm und die Formtoleranz muss ±0,003 mm betragen, um ein gutes Prozessfenster zu erreichen.

Solche Toleranzen sind für den durchschnittlichen Formenbauer vor allem aus zwei Gründen schwer zu erreichen.

1) Sie können ±0,003 mm nicht messen und daher nicht überprüfen.

2. sie nicht über die Ausrüstung oder die Fähigkeiten verfügen, um diese Toleranzen zu erreichen.

Micromolding-Kufen

Bei automatisierten Montagevorgängen können sie als Griffe verwendet werden, um die Teile in Position zu halten, oder es können spezielle Positionierungspunkte an der Führungsschiene angebracht werden, um die Positionierung des Teils im Montagenest zu unterstützen.

Mikro-Spritzgießen Trennebene

Die Trennungslinie einer Mikrospritzgussform hängt mit der Größe des Mikroteils zusammen. Ein Unterschied von 10 Mikrometern an der Trennfuge kann die Montage des Produkts leicht stören.

Mikro-Spritzgussform Trennschräge

Je mehr Steigungen, desto besser natürlich, aber die kleinste Verjüngung kann bis zu 0,2 Grad betragen. Jede derartige Verjüngung kann bei Spritzgussteilen problematisch zu handhaben sein. Wird ein Mikroteil auf einer Verjüngung platziert, kann eine unregelmäßige Oberfläche entstehen, die bei der Montage stören kann.

Mikroinjektion Anschnittposition

Wie bei regulären SpritzgießformenBei Mikrospritzgießwerkzeugen soll durch die Wahl der Anschnittstelle sichergestellt werden, dass ein gleichmäßiger Kunststofffluss in der Kavität erzeugt wird.

Andernfalls werden die Teile möglicherweise nicht ausreichend gefüllt und können die Präzisionsstifte und Hohlraumkomponenten im Werkzeug beschädigen.

Micro Molding Anschnittreste

Die meisten mikrogeformten Teile werden mit Kantenanschnitten versehen. Wenn dies der Fall ist, müssen sie ordnungsgemäß aus dem Anschnitt entfernt werden, um Probleme mit kleinen Materialien zu vermeiden, die arterielle Schäden (implantierte medizinische Geräte) oder Probleme bei der Automatisierung und Montage verursachen.

Diese Probleme können bei der Konstruktion der Form gelöst werden, indem eine Vertiefung in die Wandstärke eingebracht wird, so dass die Anschnittreste unter die Oberfläche der Führung oder des Gegenstücks in der Baugruppe gelangen.

Mikrogießverfahren Oberflächengüte

Oft wird übersehen, wie wichtig die Oberflächenbeschaffenheit des Formteils ist, wenn es darum geht, Merkmale während der Montage zu halten oder in andere Merkmale zu führen.

Manche Produkte benötigen beispielsweise eine raue Oberfläche, um besser zu haften. Eine glatte Oberfläche kann zu einer Reihe von Problemen beim Ausstoßen aus dem Spritzgussform und erfordert einen Kompromiss.

Mikro-Spritzgießverfahren

Da die Genauigkeit der Mikro-Spritzgussprodukte oft im Bereich von mehreren Mikrometern liegt, gibt es mehrere Herausforderungen, um eine gute Wiederholbarkeit der Abmessungen bei Spritzgussteilen zu erreichen.

Es ist eine Sache, schöne scharfe Ecken und Hohlräume im Formstahl zu schaffen (weniger als 1 Mikrometer Radius), und eine ganz andere, diese winzigen Räume mit Polymer zu füllen.

Mikroformen erfordern eine ordnungsgemäße Entlüftung und manchmal die Verwendung von sehr dünnen Laminaten, um eine ordnungsgemäße Entlüftung und Höckerfüllung zu erreichen.

Typische Einspritzdrücke bei mikrogeformten Teilen liegen zwischen 30.000 und 50.000 psi, was einen heiklen Balanceakt erfordert, um mit dem richtigen Druck zu füllen, ohne die winzigen, haardünnen Kernstifte zu beschädigen.

Teile in Staubkorngröße mit extrem dünnen Wänden (0,001-0,0015 Zoll) erfordern eine extrem genaue Ausrichtung von Kavität zu Kern über die Trennlinie.

Eine Beschädigung der Mikrokernstifte ist wahrscheinlich, wenn das Polymer unter ungefüllten Bedingungen abgekühlt wird oder wenn das Teil auf einer Seite stärker gefüllt ist als auf der anderen.

Diese Herausforderung kann durch schnelles Füllen in kurzen Zeiträumen (typischerweise <0,1 Sekunden) und bei hohem Druck überwunden werden.

Mikroformer müssen in der Lage sein, sehr kleine Klebstoffmengen zu injizieren und die Verweilzeit des Kunststoffs im Zylinder auf ein Minimum zu beschränken. Dies ist besonders wichtig für bioresorbierbare Polymere (PLA, PGA) mit hoher Scher- und Wärmeempfindlichkeit.

Spezialschnecken, Düsen und Zusatzgeräte sind ebenfalls erforderlich, um die Präzision beim Befüllen, Handhaben, Entformen, Messen und Montieren dieser winzigen Geräte zu gewährleisten.

Montage und Handhabung

Das Zusammensetzen von Geometrien in die kleinstmögliche Anzahl von Teilen für die Mikromontage ist ein sehr lohnender Entwicklungsaufwand, da das Aufsammeln der Teile, das Zusammensetzen zu Nestern und das Anbringen an andere Teile aus ähnlichen oder anderen Materialien sehr viel teurer sein kann als der Zeitaufwand in der Entwurfsphase.

Sekundäres Mikroformen

Der Prozess des Einspritzens von zwei verschiedenen Materialien in zwei verschiedene Formen an zwei verschiedenen Stellen oder die Verwendung einer rotierenden Form zum Einspritzen von zwei verschiedenen Materialien an der gleichen Stelle, um eine kombinierte Geometrie und ein kombiniertes Material zu erhalten.

Wenn zum Beispiel ein Pumpenkolben eine Dichtung oder eine Silikondichtung benötigt, ist es einfacher, die Dichtung in eine O-Ring-Nut in derselben Form wie den Kolben zu gießen, als den O-Ring in einen Präzisionsmechanismus einzupassen, den O-Ring mit einer Schere einzuklemmen und ihn auf den Kolben zu setzen.

Laserschweißen

Wenn die dreidimensionale Geometrie nicht durch Sekundärumformung kombiniert werden kann und die Materialfestigkeit dies zulässt, ist das Laserschweißen eine gute Möglichkeit, Miniaturteile zu verbinden.

Mit genau gesteuerter Laserenergie und Leistungsdichte lassen sich auch Materialien wie Draht schnell und zerstörungsfrei selektiv reinigen und abisolieren.

Ultraschallschweißen

Ultraschallschweißen kann auch Thermoplaste und kompatible Metalle effektiv verbinden. Aufgrund der extrem niedrigen Energie, die für ein starkes Schweißen erforderlich ist, werden für Mikroteile spezielle Niederenergie-Booster und Ultraschallgeneratoren benötigt.

Kleben mit Lösungsmitteln

Diese Methode wird häufig als schnelles, investitionsarmes Verfahren zum Fügen von Mikrobauteilen eingesetzt. Das gewählte Lösungsmittel muss mit dem zu verklebenden Material verträglich sein, insbesondere wenn das Bauteil für Implantatanwendungen verwendet wird.

Die Verwendung von Solvent Bonding zur Beschleunigung des Montageprozesses bei hohen Stückzahlen ist schwierig, da die Methode nicht leicht zu automatisieren und zu reproduzieren ist und sich im hohen Stückzahlbereich nur schwer validieren lässt.

Nieten

Das Mikronieten ist eine sehr kostengünstige Methode zum Verbinden von Polymer- und Metallteilen. Bei Batteriedosen zum Beispiel ist das Crimpen oder Verschließen eine sehr gängige Praxis, die eine gute Abdichtung bewirkt und verhindert, dass korrosive Flüssigkeiten aus dem Batteriebehälter austreten.

Kostengünstige Folgeverbundstanzwerkzeuge, die eine mäßig schnelle Methode zum Vernieten von Polymeren und Metallen durch "Falten" eines Materials unter Druck in ein anderes ermöglichen. Ein Nachteil dieser Methode kann sein, dass das Material von Charge zu Charge variiert und sich verändert.

Prüfung

Ein wichtiger Aspekt von automatisierten Mikromontagesystemen sind Prüfungen wie elektrische Leitfähigkeit, Leckage oder Druckabfall und Berstfestigkeit. Einige dieser Prüfungen sind zerstörend, andere nicht zerstörend.

Der beste Weg, um festzustellen, ob die endgültige Baugruppe oder Unterbaugruppe ordnungsgemäß funktioniert, ist die Kontrolle des Produktionsprozesses für jede Komponente, aus der die Baugruppe besteht.

Durch die statistische Überprüfung der einzelnen Komponenten und die erneute Validierung der Baugruppe werden kostspielige Tests und Prüfungen in der automatisierten Zelle vermieden;

Manchmal sind diese Probleme jedoch auch unvermeidbar, insbesondere bei implantierbaren und kritischen Arzneimittelanwendungen.

Test Messung

Wir alle haben schon einmal gehört: "Was man nicht messen kann, kann man nicht herstellen". Bei medizinischen und pharmazeutischen Geräten kann es bei kritischen Komponenten um Leben und Tod gehen, was auch bedeutet "wenn man es nicht überprüfen kann, kann man es nicht herstellen".

Wenn die Teile konsistent und verifiziert hergestellt werden, dann können die kommerziellen Mikrospritzgießen Systeme sollten vermeidbar sein. Aber es ist selten möglich, 100% zu garantieren.

Es gibt viele Mittel und Wege, um Kunststoffteile und -baugruppen mit Mikromerkmalen zu prüfen. Einige können mit einer hochauflösenden Kamera geprüft werden, um Produktmerkmale oder Oberflächenbeschaffenheit zu verifizieren.

Einige erfordern 3D-Laserscanning, um einige kritische Abmessungen zu überprüfen. Andere wiederum benötigen eine Hochgeschwindigkeitskamera, um festzustellen, ob das Pulver oder Flüssigkristallpolymer in der richtigen Dosierung aufgetragen wurde.