Los fabricantes de productos médicos, electrónicos y biofarmacéuticos necesitan nuevas moldeo por microinyección para fabricar microdispositivos más pequeños y que ocupen menos espacio. Los componentes moldeados por microinyección pueden ser tan pequeños como una mota de polvo.

¿Qué es un componente moldeado por microinyección?

Muchos nuevos avances en micromoldeo por inyección han hecho posible el diseño y la fabricación de micromoldes que permiten el moldeo por microinyección de termoplásticos, siliconas y polvos metálicos.

Esta informática ha facilitado el desarrollo de microdispositivos médicos y farmacéuticos mínimamente invasivos en todo el mundo.

Este documento describe muchos de los principales factores y retos a los que se enfrentan y las soluciones para el éxito de los microdispositivos y componentes convencionales moldeo por inyección.

Retos del micromoldeo

La mayoría de los microproductos parten de un cierto grado de desafío extremo. Suelen ser versiones a escala reducida de productos similares existentes en el mercado.

Los microcomponentes se vuelven cada vez más complejos cuando se montan en arterias, bombas, catéteres o endoscopios diminutos y delicados, y pueden tener en su interior microcomponentes que necesitan funcionar.

Suelen tener geometrías complicadas porque antes se diseñaban como dos o más componentes, pero se redujeron a uno solo por presiones de costes para no tener que ensamblarlos al microscopio.

Estos dispositivos pueden requerir fármacos directamente compuestos con polímeros, metales o membranas, o añadidos a ellos, e ir acompañados de engranajes, palancas y mecanismos de accionamiento para que el dispositivo funcione repetidamente y tenga una vida útil fiable.

Teniendo en cuenta estas características y el requisito de que estos dispositivos puedan implantarse directamente en el cuerpo humano, es importante desarrollarlos de forma robusta y someterlos a buenas pruebas de forma, ajuste y funcionamiento.

Análisis de flujo de moldes de microinyección

Dado que los micromoldes y las piezas prototipo son costosos en su ciclo de desarrollo, el análisis de simulación de flujo de micromoldes puede proporcionar una simulación de las expectativas de llenado basadas en un diseño específico.

Cuando se comparan piezas moldeadas convencionalmente y piezas micromoldeadas, una suposición muy común es que las micropiezas pueden rellenarse con el mismo software y el mismo enfoque de modelado.

Por ejemplo, un análisis de flujo con una compuerta típica de 500 micras sería muy diferente de un flujo simulado a través de una compuerta de 75 micras.

La principal diferencia es que, aparte de una micro compuerta, generará más calor inducido por el cizallamiento al pasar por un orificio pequeño.

Por lo tanto, la malla del modelo sólido debe tener una resolución muy alta para determinar lo que ocurre en las zonas de la compuerta y la pared delgada.

Las mallas de los modelos sólidos utilizados en las simulaciones de flujo de moldes requieren mallas de unas pocas micras de tamaño, frente a las decenas de micras de las piezas.

Las compuertas de los componentes micromoldeados deben tener el tamaño adecuado para evitar una tensión térmica excesiva en el material que entra en la cavidad.

Para los materiales sensibles al calor, como los polímeros bioabsorbibles y biofarmacéuticos, es importante comprender la relación entre el tiempo de retención del material en el cilindro, la boquilla y el canal caliente y el calor adicional que puede transferirse al material durante el proceso de inyección.

A veces es el material el que determina la selección del proceso, y a veces es el proceso el que determina la selección del material.

Algunos materiales de microconformado utilizados habitualmente son PEEK, PLA, PGA, LSR, polietileno, polipropileno, policarbonato, LCP, PMMA, copolímeros de olefinas cíclicas (COC) y acero inoxidable (moldeo por inyección de metales).

Moldes de microinyección

Una vez determinado el diseño del producto y la selección de materiales, es el momento de hacer la molde de unidad de microinyección.

Tanto si el material es termoplástico, silicona o polvo metálico, el molde es el componente más crítico para el éxito.

Dado que el producto y el molde son tan pequeños (como se muestra a continuación), las tolerancias de las dimensiones también se reducen. El molde aún debe cumplir 25% de la tolerancia de la pieza para proporcionar una buena ventana de procesamiento.

La tolerancia del producto es de ±0,01 mm y la del molde debe ser de ±0,003 mm para lograr una buena ventana de proceso.

Estas tolerancias son difíciles de conseguir para el fabricante de moldes medio por dos razones principales.

1.No pueden medir ±0,003 mm y, por tanto, no pueden verificarlos.

2.Carecen del equipo o los conocimientos necesarios para alcanzar estas tolerancias.

Corredores de micromoldeo

En operaciones de montaje automatizadas, pueden utilizarse como asas para sujetar las piezas en su sitio, o pueden añadirse puntos de posicionamiento especiales al patín para ayudarnos a colocar la pieza en el nido de montaje.

Línea de separación de micro moldeo por inyección

La línea de separación de un molde de microinyección está relacionada con el tamaño de la micropieza. Una diferencia de 10 micras en la línea de separación puede perturbar fácilmente el montaje del producto.

Pendiente de desmoldeo por microinyección

Cuantas más inclinaciones de liberación, mejor, por supuesto, pero la conicidad más pequeña puede ser de tan sólo 0,2 grados. Cualquier conicidad de este tipo puede resultar problemática para las piezas moldeadas por inyección. Colocar una micropieza en un cono puede crear una superficie irregular que puede interferir en el montaje.

Posición de la compuerta de microinyección

Al igual que con los moldes de inyecciónEn los moldes de microinyección, el objetivo de la elección de la ubicación de la compuerta es garantizar que se produzca un flujo uniforme de plástico en la cavidad.

De lo contrario, es posible que las piezas no se llenen adecuadamente y se dañen los pasadores de precisión y los componentes de la cavidad del molde.

Residuo de compuerta de micromoldeo

La mayoría de las piezas micromoldeadas utilizarán puertas de borde. Si es así, es necesario extraerlas de la compuerta correctamente para evitar problemas con materiales pequeños que causen daños arteriales (dispositivos médicos implantados) o que provoquen problemas de automatización y montaje.

Estos problemas pueden resolverse en el diseño del molde colocando un hoyuelo en el grosor de la pared, de modo que el residuo de la compuerta se diseñe bajo la superficie de la guía o pieza de acoplamiento en el ensamblaje.

Proceso de micromoldeo Acabado superficial

A menudo se pasa por alto la importancia del acabado superficial de la pieza moldeada a la hora de sujetar o guiar elementos hacia otros elementos durante el montaje.

Por ejemplo, algunos productos requieren una superficie más rugosa para mejorar la adherencia. Una superficie lisa puede producir una serie de problemas al expulsar del molde de inyección y requiere un compromiso.

Proceso de moldeo por microinyección

Porque la precisión de productos moldeados por microinyección suele estar en el rango de varias micras, existen varios retos para conseguir una buena repetibilidad dimensional en las piezas moldeadas por inyección.

Una cosa es crear esquinas afiladas y cavidades en el acero del molde (de menos de 1 micra de radio), y otra muy distinta rellenar estos pequeños espacios con polímero.

Los micromoldes requieren una ventilación adecuada y, a veces, el uso de laminados muy finos para lograr una ventilación y un relleno de las cúspides adecuados.

Las presiones de inyección habituales en las piezas microformadas oscilan entre 30.000 y 50.000 psi, lo que exige un delicado equilibrio para llenar a la presión adecuada sin dañar los diminutos y finísimos pasadores del núcleo.

Las piezas del tamaño de una mota de polvo con paredes extremadamente finas (0,001-0,0015 pulgadas) requieren una precisión de alineación cavidad-núcleo extrema en toda la línea de apertura.

Es probable que se produzcan daños en las clavijas del micronúcleo si el polímero se enfría sin rellenar o si la pieza se rellena más por un lado que por otro.

Este reto puede superarse llenando rápidamente en periodos cortos (normalmente <0,1 s) y a altas presiones.

Las microformadoras deben ser capaces de inyectar cantidades muy pequeñas de cola y mantener al mínimo el tiempo de retención del plástico en el barril. Esto es especialmente importante para los polímeros biorreabsorbibles (PLA, PGA) con alta sensibilidad al cizallamiento y al calor.

También se necesitan tornillos, boquillas y equipos auxiliares especializados para proporcionar la precisión necesaria para llenar, manipular, desmoldar, medir y ensamblar estos diminutos dispositivos.

Montaje y manipulación

Ensamblar geometrías en el menor número de piezas para el micromontaje es un esfuerzo de diseño que merece mucho la pena, ya que recogerlas, ensamblarlas en nidos y unirlas a otras piezas de materiales similares o diferentes puede resultar mucho más caro que dedicar tiempo por adelantado en la fase de diseño.

Microformado secundario

El proceso de inyectar dos materiales diferentes en dos moldes diferentes en dos ubicaciones diferentes, o utilizar un molde giratorio para inyectar dos materiales diferentes en la misma ubicación para conseguir una geometría y un material combinados.

Por ejemplo, si el pistón de una bomba requiere un sello o junta de silicona, es más fácil moldear secundariamente la junta en una ranura para junta tórica en el mismo molde que el pistón que encajar la junta tórica en un mecanismo de precisión, sujetar la junta tórica con unas tijeras y colocarla en el pistón.

Soldadura láser

Si la geometría tridimensional no puede combinarse mediante conformado secundario y la resistencia del material lo permite, la soldadura láser es una buena forma de unir piezas en miniatura.

La energía láser y la densidad de potencia controladas con precisión también pueden utilizarse para limpiar y pelar selectivamente materiales como el alambre de forma rápida y no destructiva.

Soldadura por ultrasonidos

La soldadura por ultrasonidos también puede unir eficazmente termoplásticos y metales compatibles. Debido a la energía extremadamente baja necesaria para una soldadura fuerte, las micropiezas requieren impulsores y generadores de ultrasonidos especializados de baja energía.

Adhesión con disolventes

A menudo se utiliza como método rápido y de baja inversión de capital para unir microcomponentes. El disolvente seleccionado debe ser compatible con el material que se va a unir, especialmente cuando el componente se utiliza para aplicaciones de implantes.

Utilizar la unión por disolvente para acelerar el proceso de ensamblaje de grandes volúmenes es difícil porque el método no es fácilmente automatizable y reproducible, y es difícil de validar en el rango de grandes volúmenes.

Remachando

El microremachado es un método muy barato de unir piezas de polímero y metal. Por ejemplo, en las latas de pilas, el engarce o cierre es una práctica muy común que produce un buen sellado y evita que los líquidos corrosivos salgan del contenedor de la pila.

Matrices de estampación progresiva baratas para permitir un método moderadamente rápido de remachado de polímeros y metales mediante el "plegado" de un material bajo presión en otro. La variación y el cambio de material entre lotes puede ser un inconveniente de este método.

Pruebas

Un aspecto importante de los sistemas automatizados de microensamblaje son las pruebas, como las de conductividad eléctrica, fugas o pérdida de presión y resistencia a la rotura. Algunas de estas pruebas son destructivas y otras no.

La mejor forma de determinar si el conjunto o subconjunto final funciona correctamente es mantener el control del proceso de producción de cada componente que compone el conjunto.

La verificación estadística de cada componente y la revalidación del conjunto evitarán costosas pruebas e inspecciones posteriores en la célula automatizada;

Sin embargo, a veces estos problemas también pueden ser inevitables, sobre todo en aplicaciones de medicamentos implantables y críticos.

Prueba de medición

Todos hemos oído decir que "si no se puede medir, no se puede fabricar". En los dispositivos médicos y farmacéuticos, los componentes críticos pueden ser cuestión de vida o muerte, lo que también significa que "si no puedes verificarlo, no puedes fabricarlo".

Si las piezas se fabrican de forma coherente y se verifican micromoldeo por inyección deberían poder evitarse. Pero rara vez es posible garantizar 100%.

Hay muchas formas y medios de inspeccionar piezas y conjuntos de plástico microfigurados. Algunas pueden inspeccionarse con una cámara de alta resolución para verificar las características del producto o el acabado superficial.

Algunos requieren escaneado láser 3D para verificar algunas dimensiones críticas. Otras requieren una cámara de alta velocidad para mostrar si el polvo o el polímero de cristal líquido se ha dosificado correctamente.