Les fabricants de dispositifs médicaux, d'électronique et de produits biopharmaceutiques ont besoin d'une technologie plus récente. moulage par micro-injection pour fabriquer des microdispositifs plus petits et moins encombrants. Les composants moulés par micro-injection peuvent être aussi petits qu'un grain de poussière.

Qu'est-ce qu'un composant moulé par micro-injection ?

De nombreuses nouvelles avancées en matière de moulage par micro-injection ont rendu possible la conception et la fabrication de micro-moules permettant le moulage par micro-injection de thermoplastiques, de silicones et de poudres métalliques.

Cette informatique a facilité le développement de micro-dispositifs médicaux et pharmaceutiques peu invasifs dans le monde entier.

Ce document décrit un grand nombre des principaux facteurs et défis rencontrés et des solutions apportées pour assurer le succès des microdispositifs et des composants conventionnels. moulage par injection.

Les défis du micro-moulage

La plupart des micro-produits commencent par un certain degré de défi extrême. Il s'agit généralement de versions réduites de produits similaires sur le marché.

Les microcomposants deviennent de plus en plus complexes à mesure qu'ils sont montés dans des artères, des pompes, des cathéters ou des endoscopes minuscules et délicats, et qu'ils peuvent contenir des microcomposants qui doivent fonctionner.

Ils présentent souvent des géométries difficiles parce qu'ils ont été conçus à l'origine comme deux ou plusieurs composants, mais ont été réduits à un seul composant en raison de la pression des coûts, afin de ne pas devoir être assemblés sous un microscope.

Ces dispositifs peuvent nécessiter des médicaments directement mélangés ou ajoutés à des polymères, des métaux ou des membranes, ainsi que des engrenages, des leviers et des mécanismes d'entraînement qui permettent au dispositif de fonctionner de manière répétée et d'avoir une durée de vie fiable.

Compte tenu de ces caractéristiques et de la nécessité d'implanter ces dispositifs directement dans le corps humain, il est important de développer ces dispositifs de manière robuste et de les tester correctement en termes de forme, d'ajustement et de fonction.

Analyse de l'écoulement des moules de microinjection

Les micro-moules et les pièces prototypes étant coûteux dans leur cycle de développement, l'analyse de simulation du flux des micro-moules peut fournir une simulation des attentes en matière de remplissage sur la base d'une conception spécifique.

Lorsque l'on compare les pièces moulées de manière conventionnelle et les pièces micro-moulées, on part souvent du principe que les micro-pièces peuvent être remplies avec le même logiciel et la même approche de modélisation.

Par exemple, une analyse de flux impliquant une porte typique de 500 microns sera très différente d'un flux simulé à travers une porte de 75 microns.

La principale différence est qu'en dehors d'une micro-porte, la chaleur induite par le cisaillement est plus importante lors du passage à travers un petit orifice.

Par conséquent, le maillage du modèle solide doit avoir une résolution très élevée pour déterminer ce qui se passe dans les zones de la porte et de la paroi mince.

Les maillages de modèles solides utilisés dans les simulations d'écoulement des moules nécessitent des maillages de quelques microns, contre des dizaines de microns pour les pièces.

Les orifices des composants micro-moulés doivent être correctement dimensionnés pour éviter une contrainte thermique excessive sur le matériau entrant dans la cavité.

Pour les matériaux thermosensibles tels que les polymères bioabsorbables et biopharmaceutiques, il est important de comprendre la relation entre le temps de rétention du matériau dans le cylindre, la buse et le canal chaud et la chaleur supplémentaire qui peut être transférée au matériau au cours du processus d'injection.

Parfois, c'est le matériau qui détermine le choix du processus, et parfois c'est le processus qui détermine le choix du matériau.

Parmi les matériaux de microformage couramment utilisés figurent le PEEK, le PLA, le PGA, le LSR, le polyéthylène, le polypropylène, le polycarbonate, le LCP, le PMMA, les copolymères d'oléfines cycliques (COC) et l'acier inoxydable (moulage par injection de métaux).

Moules de micro-injection

Une fois que la conception du produit et la sélection des matériaux ont été déterminées, il est temps de procéder à la mise en place de l'équipement. moule pour unité de micro-injection.

Qu'il s'agisse d'un matériau thermoplastique, d'un silicone ou d'une poudre métallique, le moule est l'élément le plus important pour la réussite de l'opération.

Étant donné que le produit et le moule sont si petits (comme le montre le schéma ci-dessous), les tolérances des dimensions sont également plus faibles. Le moule doit encore respecter 25% de la tolérance de la pièce pour offrir une bonne fenêtre de traitement.

La tolérance du produit est de ±0,01 mm et la tolérance du moule doit être de ±0,003 mm pour obtenir une bonne fenêtre de traitement.

De telles tolérances sont difficiles à atteindre pour le fabricant de moules moyen, et ce pour deux raisons principales.

1. ils ne peuvent pas mesurer ±0,003 mm et ne peuvent donc pas les vérifier.

2. ils ne disposent pas de l'équipement ou des compétences nécessaires pour atteindre ces tolérances.

Rouleaux de micromoulage

Dans les opérations d'assemblage automatisées, ils peuvent être utilisés comme poignées pour maintenir les pièces en place, ou des points de positionnement spéciaux peuvent être ajoutés à la glissière pour nous aider à positionner la pièce dans le nid d'assemblage.

Ligne de séparation pour le moulage par micro-injection

La ligne de séparation d'un moule de micro-injection est liée à la taille de la micro-pièce. Une différence de 10 microns sur le plan de joint peut facilement perturber l'assemblage du produit.

Pente de démoulage pour micro-injection

Plus les pentes de libération sont importantes, mieux c'est, bien sûr, mais la plus petite conicité peut être de l'ordre de 0,2 degré. Une telle conicité peut être difficile à gérer pour les pièces moulées par injection. Placer une micro-pièce sur un cône peut créer une surface irrégulière qui peut gêner l'assemblage.

Position de déclenchement de la micro-injection

Comme pour les moules d'injectionLe choix de l'emplacement de la porte pour les moules de micro-injection a pour but d'assurer un flux uniforme de plastique dans la cavité.

Dans le cas contraire, les pièces risquent de ne pas être correctement remplies et d'endommager les goupilles de précision et les composants de la cavité dans le moule.

Résidu de porte de micro-moulage

La plupart des pièces micro-moulées utilisent des portes de bord. Si c'est le cas, elles doivent être retirées correctement de la porte pour éviter que de petits matériaux ne causent des lésions artérielles (dispositifs médicaux implantés) ou n'entraînent des problèmes d'automatisation et d'assemblage.

Ces problèmes peuvent être résolus lors de la conception du moule en plaçant un creux dans l'épaisseur de la paroi de sorte que le résidu d'obturation soit conçu sous la surface du guide ou de la pièce correspondante dans l'assemblage.

Procédé de micro-moulage Etat de surface

On oublie souvent l'importance de l'état de surface de la pièce moulée pour maintenir ou guider les caractéristiques dans d'autres caractéristiques pendant l'assemblage.

Par exemple, certains produits nécessitent une surface plus rugueuse pour une meilleure adhérence. Une surface lisse peut entraîner une série de problèmes lors de l'éjection de l'appareil. moule d'injection et nécessite un compromis.

Procédé de moulage par micro-injection

Parce que la précision des produits moulés par micro-injection est souvent de l'ordre de plusieurs microns, il existe plusieurs défis à relever pour obtenir une bonne répétabilité dimensionnelle dans les pièces moulées par injection.

C'est une chose de créer de jolis coins et cavités dans l'acier du moule (moins d'un micron de rayon), et c'en est une autre de remplir ces minuscules espaces avec du polymère.

Les micro-moules nécessitent une bonne ventilation et parfois l'utilisation de laminés très fins pour obtenir une bonne ventilation et un bon remplissage des cuspides.

Les pressions d'injection typiques dans les pièces microformées varient de 30 000 à 50 000 psi, ce qui nécessite un délicat exercice d'équilibre pour remplir à la bonne pression sans endommager les minuscules broches de l'âme, fines comme un cheveu.

Les pièces de la taille d'un grain de poussière avec des parois extrêmement fines (0,001-0,0015 pouces) requièrent une précision extrême de l'alignement entre la cavité et le noyau sur le plan de joint.

L'endommagement des micro-noyaux est susceptible de se produire si le polymère est refroidi dans des conditions non remplies ou si la pièce est plus remplie d'un côté que de l'autre.

Cette difficulté peut être surmontée par un remplissage rapide sur de courtes périodes (typiquement <0,1 sec) et à des pressions élevées.

Les microformeurs doivent être capables d'injecter de très petites quantités de colle et de réduire au minimum le temps de rétention du plastique dans le cylindre. Ceci est particulièrement important pour les polymères biorésorbables (PLA, PGA) qui présentent une grande sensibilité au cisaillement et à la chaleur.

Des vis, des buses et des équipements auxiliaires spécialisés sont également nécessaires pour assurer la précision nécessaire au remplissage, à la manipulation, au démoulage, à la mesure et à l'assemblage de ces minuscules dispositifs.

Assemblage et manutention

L'assemblage de géométries en un nombre minimal de pièces pour le micro-assemblage est un effort de conception très utile, car les ramasser, les assembler en nids et les attacher à d'autres pièces de matériaux similaires ou différents peut s'avérer beaucoup plus coûteux que de passer du temps en amont lors de la phase de conception.

Microformation secondaire

Le processus d'injection de deux matériaux différents dans deux moules différents à deux endroits différents, ou l'utilisation d'un moule rotatif pour injecter deux matériaux différents au même endroit afin d'obtenir une géométrie et un matériau combinés.

Par exemple, si le piston d'une pompe nécessite un joint d'étanchéité ou un joint en silicone, il est plus facile de mouler secondairement le joint dans une gorge de joint torique dans le même moule que le piston que d'adapter le joint torique dans un mécanisme de précision, de serrer le joint torique avec des ciseaux et de le placer sur le piston.

Soudage au laser

Si la géométrie tridimensionnelle ne peut pas être combinée par formage secondaire et que la résistance du matériau le permet, le soudage au laser est un bon moyen d'assembler des pièces miniatures.

L'énergie et la densité de puissance du laser, contrôlées avec précision, peuvent également être utilisées pour nettoyer et dénuder de manière sélective, rapide et non destructive des matériaux tels que les fils métalliques.

Soudage par ultrasons

Le soudage par ultrasons permet également d'assembler efficacement des thermoplastiques et des métaux compatibles. En raison de l'énergie extrêmement faible requise pour un soudage puissant, les micro-pièces nécessitent des amplificateurs et des générateurs d'ultrasons spécialisés à faible énergie.

Collage au solvant

Il s'agit souvent d'une méthode rapide et peu coûteuse pour assembler des microcomposants. Le solvant choisi doit être compatible avec le matériau collé, en particulier lorsque le composant est utilisé pour des applications d'implant.

L'utilisation du collage au solvant pour accélérer le processus d'assemblage à haut volume est difficile car la méthode n'est pas facilement automatisée et reproductible, et il est difficile de la valider dans la gamme des grands volumes.

Rivetage

Le micro rivetage est une méthode très peu coûteuse d'assemblage de pièces en polymère et en métal. Par exemple, dans les boîtiers de piles, le sertissage ou le verrouillage est une pratique très courante qui produit une bonne étanchéité et empêche les liquides corrosifs de s'échapper du boîtier de la pile.

Matrices d'emboutissage progressif peu coûteuses permettant une méthode modérément rapide de rivetage des polymères et des métaux en "pliant" un matériau sous pression dans un autre. La variation et la modification des matériaux d'un lot à l'autre peuvent constituer un inconvénient de cette méthode.

Essais

Un aspect important des systèmes de micro-assemblage automatisés est le test, tel que la conductivité électrique, la fuite ou la diminution de la pression, et la résistance à l'éclatement. Certains de ces tests sont destructifs et d'autres non destructifs.

La meilleure façon de déterminer si l'assemblage ou le sous-assemblage final fonctionne correctement est de maintenir le contrôle du processus de production pour chaque composant qui constitue l'assemblage.

La vérification statistique de chaque composant et la revalidation de l'assemblage permettent d'éviter des essais et des inspections coûteux à un stade ultérieur de la cellule automatisée ;

Cependant, ces problèmes peuvent parfois être inévitables, en particulier dans les applications de médicaments implantables et critiques.

Test de mesure

Nous avons tous entendu dire que "si vous ne pouvez pas le mesurer, vous ne pouvez pas le fabriquer". Dans les dispositifs médicaux et pharmaceutiques, les composants critiques peuvent être une question de vie ou de mort, ce qui signifie également que "si vous ne pouvez pas le vérifier, vous ne pouvez pas le fabriquer".

Si les pièces sont fabriquées de manière cohérente et vérifiée, alors le commerce moulage par micro-injection devraient pouvoir être évités. Mais il est rarement possible de garantir 100%.

Il existe de nombreux moyens d'inspecter les pièces et assemblages en plastique microfabriqués. Certains peuvent être inspectés à l'aide d'une caméra à haute résolution pour vérifier les caractéristiques du produit ou la finition de la surface.

Certains nécessitent un balayage laser 3D pour vérifier certaines dimensions critiques. D'autres encore ont besoin d'une caméra à grande vitesse pour montrer si la poudre ou le polymère à cristaux liquides a été distribué au bon dosage.