I produttori di dispositivi medici, di elettronica e di biofarmaci hanno bisogno di nuovi stampaggio a microiniezione per realizzare microdispositivi più piccoli e più efficienti dal punto di vista dello spazio. I componenti stampati a microiniezione possono essere piccoli come un granello di polvere.

Che cos'è un componente stampato a microiniezione?

Molti nuovi progressi in microstampaggio a iniezione Le tecniche di microstampaggio hanno reso possibile la progettazione e la produzione di microstampi che consentono lo stampaggio a microiniezione di termoplastici, siliconi e polveri metalliche.

L'informatica ha facilitato lo sviluppo di microdispositivi medici e farmaceutici minimamente invasivi in tutto il mondo.

Questo documento descrive molti dei principali fattori e sfide affrontati e le soluzioni per il successo dei microdispositivi e dei componenti convenzionali. stampaggio a iniezione.

Le sfide del microstampaggio

La maggior parte dei microprodotti inizia con un certo grado di sfida estrema. Di solito sono versioni ridimensionate di prodotti simili presenti sul mercato.

I microcomponenti diventano sempre più complessi perché vengono montati in arterie, pompe, cateteri o endoscopi minuscoli e delicati e possono avere al loro interno microcomponenti che devono funzionare.

Spesso hanno geometrie difficili perché un tempo erano progettati come due o più componenti, ma sono stati ridotti a un solo componente a causa delle pressioni sui costi, per evitare di doverli assemblare al microscopio.

Questi dispositivi possono richiedere farmaci composti o aggiunti direttamente a polimeri, metalli o membrane e sono dotati di ingranaggi, leve e meccanismi di azionamento funzionanti per far sì che il dispositivo funzioni ripetutamente e abbia una durata affidabile.

Considerando queste caratteristiche e il requisito che questi dispositivi possano essere impiantati direttamente nel corpo umano, è importante sviluppare questi dispositivi in modo robusto e testarli bene per quanto riguarda la forma, l'adattamento e la funzione.

Analisi del flusso dello stampo a microiniezione

Poiché i microstampi e i prototipi sono costosi nel loro ciclo di sviluppo, l'analisi di simulazione del flusso dei microstampi può fornire una simulazione delle aspettative di riempimento in base a un progetto specifico.

Quando si confrontano i pezzi stampati convenzionalmente e quelli microstampati, un'ipotesi molto comune è che i micropezzi possano essere riempiti con lo stesso software e lo stesso approccio di modellazione.

Ad esempio, un'analisi del flusso che coinvolge un tipico gate da 500 micron sarebbe molto diversa da un flusso simulato attraverso un gate da 75 micron.

La differenza principale è che, a parte una microgate, il passaggio attraverso un piccolo orifizio genera più calore indotto dal taglio.

Pertanto, la mesh del modello solido deve avere una risoluzione molto elevata per determinare ciò che accade nelle aree del gate e della parete sottile.

Le maglie dei modelli solidi utilizzate nelle simulazioni di flusso degli stampi richiedono maglie di dimensioni di pochi micron, rispetto alle decine di micron delle parti.

Le porte nei componenti microstampati devono essere dimensionate correttamente per evitare uno stress termico eccessivo sul materiale che entra nella cavità.

Per i materiali sensibili al calore, come i polimeri bioassorbibili e biofarmaceutici, è importante comprendere la relazione tra il tempo di ritenzione del materiale nel cilindro, nell'ugello e nel canale caldo e il calore aggiuntivo che può essere trasferito al materiale durante il processo di iniezione.

A volte è il materiale a guidare la scelta del processo, altre volte è il processo a guidare la scelta del materiale.

Alcuni materiali comunemente utilizzati per la microformatura sono PEEK, PLA, PGA, LSR, polietilene, polipropilene, policarbonato, LCP, PMMA, copolimeri olefinici ciclici (COC) e acciaio inossidabile (stampaggio a iniezione di metalli).

Stampi per microiniezione

Una volta determinati il design del prodotto e la selezione dei materiali, è il momento di realizzare il stampo per unità di microiniezione.

Che il materiale sia termoplastico, siliconico o in polvere metallica, lo stampo è il componente più critico per il successo.

Poiché il prodotto e lo stampo sono così piccoli (come mostrato di seguito), anche le tolleranze delle dimensioni diventano più piccole. Lo stampo deve comunque rispettare il 25% della tolleranza del pezzo per garantire una buona finestra di lavorazione.

La tolleranza del prodotto è di ±0,01 mm e la tolleranza dello stampo deve essere di ±0,003 mm per ottenere una buona finestra di processo.

Tali tolleranze sono difficili da ottenere per il costruttore medio di stampi per due motivi principali.

1. Non possono misurare ±0,003 mm e quindi non possono verificarli.

2. Non hanno le attrezzature o le competenze necessarie per ottenere queste tolleranze.

Corridori per microstampaggio

Nelle operazioni di assemblaggio automatizzato, possono essere utilizzati come maniglie per tenere i pezzi in posizione, oppure possono essere aggiunti punti di posizionamento speciali al carrello per aiutarci a posizionare il pezzo nel nido di assemblaggio.

Linea di separazione per microstampaggio

La linea di separazione di un stampo a microiniezione è legato alle dimensioni del micropezzo. Una differenza di 10 micron sulla linea di divisione può facilmente interrompere l'assemblaggio del prodotto.

Pendenza di rilascio dello stampo per microiniezione

Naturalmente, più pendenze di rilascio ci sono, meglio è, ma la conicità più piccola può essere anche di 0,2 gradi. Una conicità di questo tipo può essere problematica da gestire per i pezzi stampati a iniezione. Il posizionamento di un micropezzo su una conicità può creare una superficie irregolare che può interferire con l'assemblaggio.

Posizione di gating della microiniezione

Come per i normali stampi a iniezioneLo scopo della scelta della posizione del gate per gli stampi a microiniezione è quello di garantire un flusso uniforme di plastica nella cavità.

In caso contrario, i pezzi potrebbero non essere riempiti adeguatamente e danneggiare i perni di precisione e i componenti della cavità dello stampo.

Residui di microstampaggio

La maggior parte dei pezzi microstampati utilizzerà i gate per i bordi. In tal caso, devono essere rimossi dal gate in modo corretto per evitare problemi di materiali piccoli che causano danni alle arterie (dispositivi medici impiantati) o problemi di automazione e assemblaggio.

Questi problemi possono essere risolti nella progettazione dello stampo inserendo una fossetta nello spessore della parete in modo che il residuo della porta sia progettato sotto la superficie della guida o della parte di accoppiamento nell'assemblaggio.

Processo di microstampaggio Finitura superficiale

Spesso si trascura l'importanza della finitura superficiale del pezzo stampato per trattenere o guidare gli elementi in altri elementi durante l'assemblaggio.

Ad esempio, alcuni prodotti richiedono una superficie più ruvida per una migliore adesione. Una superficie liscia può creare una serie di problemi durante l'espulsione dalla macchina. stampo a iniezione e richiede un compromesso.

Processo di microstampaggio

Poiché l'accuratezza di prodotti stampati a microiniezione è spesso nell'ordine di diversi micron, ci sono diverse sfide per ottenere una buona ripetibilità dimensionale nei pezzi stampati a iniezione.

Una cosa è creare angoli e cavità ben definiti nell'acciaio dello stampo (con un raggio inferiore a 1 micron) e un'altra è riempire questi piccoli spazi con il polimero.

I microstampi richiedono un'adeguata ventilazione e talvolta l'uso di laminati molto sottili per ottenere una ventilazione e un riempimento delle cuspidi adeguati.

Le pressioni di iniezione tipiche dei pezzi microformati variano da 30.000 a 50.000 psi, il che richiede un delicato gioco di equilibri per riempire alla pressione corretta senza danneggiare i minuscoli e sottilissimi perni dell'anima.

I pezzi di dimensioni pari a un granello di polvere con pareti estremamente sottili (0,001-0,0015 pollici) richiedono un'estrema precisione di allineamento cavità-core lungo la linea di divisione.

È probabile che si verifichino danni ai microperni se il polimero viene raffreddato in condizioni di non riempimento o se il pezzo viene riempito più da un lato che dall'altro.

Questa sfida può essere superata riempiendo rapidamente in tempi brevi (tipicamente <0,1 sec) e ad alte pressioni.

I microformatori devono essere in grado di iniettare quantità molto piccole di colla e di mantenere al minimo il tempo di ritenzione della plastica nel cilindro. Ciò è particolarmente importante per i polimeri bioriassorbibili (PLA, PGA) con un'elevata sensibilità al taglio e al calore.

Per garantire la precisione necessaria a riempire, maneggiare, sformare, misurare e assemblare questi minuscoli dispositivi, sono necessari anche viti, ugelli e attrezzature ausiliarie specializzate.

Montaggio e manipolazione

L'assemblaggio di geometrie nel minor numero possibile di parti per il microassemblaggio è uno sforzo di progettazione molto utile, poiché raccoglierle, assemblarle in nidi e collegarle ad altre parti di materiali simili o diversi può essere molto più costoso che dedicare tempo in anticipo nella fase di progettazione.

Microformazione secondaria

Il processo di iniezione di due materiali diversi in due stampi diversi in due posizioni diverse, o l'utilizzo di uno stampo rotante per iniettare due materiali diversi nella stessa posizione per ottenere una geometria e un materiale combinati.

Ad esempio, se il pistone di una pompa richiede una guarnizione di tenuta o di silicone, è più facile modellare la guarnizione in una scanalatura dell'o-ring nello stesso stampo del pistone che inserire l'o-ring in un meccanismo di precisione, bloccarlo con le forbici e posizionarlo sul pistone.

Saldatura laser

Se la geometria tridimensionale non può essere combinata con la formatura secondaria e la resistenza del materiale lo consente, la saldatura laser è un buon modo per unire parti in miniatura.

L'energia e la densità di potenza del laser, controllate con precisione, possono essere utilizzate anche per pulire e spogliare selettivamente materiali come i fili metallici in modo rapido e non distruttivo.

Saldatura a ultrasuoni

La saldatura a ultrasuoni può anche unire efficacemente termoplastici e metalli compatibili. A causa dell'energia estremamente bassa richiesta per una saldatura forte, i micropezzi richiedono booster e generatori di ultrasuoni specializzati a bassa energia.

Incollaggio con solvente

Questo metodo è spesso utilizzato per unire microcomponenti in modo rapido e a basso investimento. Il solvente scelto deve essere compatibile con il materiale da incollare, soprattutto se il componente viene utilizzato per applicazioni implantari.

L'uso dell'incollaggio con solvente per accelerare il processo di assemblaggio ad alto volume è difficile perché il metodo non è facilmente automatizzabile e riproducibile, ed è difficile da convalidare nella gamma di volumi elevati.

Rivincita

La micro-rivettatura è un metodo molto economico per unire parti in polimero e metallo. Ad esempio, nei contenitori delle batterie, la crimpatura o il bloccaggio è una pratica molto comune che produce una buona tenuta e impedisce la fuoriuscita di liquidi corrosivi dal contenitore della batteria.

Stampi progressivi poco costosi per consentire un metodo moderatamente veloce di rivettare insieme polimeri e metalli "piegando" un materiale sotto pressione in un altro. La variazione del materiale da lotto a lotto può essere uno svantaggio di questo metodo.

Test

Un aspetto importante dei sistemi di microassemblaggio automatizzati è rappresentato dai test, come la conducibilità elettrica, il decadimento delle perdite o della pressione e la resistenza allo scoppio. Alcuni di questi test sono distruttivi e altri non distruttivi.

Il modo migliore per determinare se l'assemblaggio o il sottoassemblaggio finale funziona correttamente è mantenere il controllo del processo di produzione per ogni componente che compone l'assemblaggio.

La verifica statistica di ciascun componente e la riconvalida dell'assemblaggio eviteranno costose prove e ispezioni successive nella cella automatizzata;

Tuttavia, a volte questi problemi possono essere inevitabili, soprattutto nelle applicazioni di farmaci impiantabili e critici.

Misura di prova

Tutti abbiamo sentito dire che "se non si può misurare, non si può produrre". Nei dispositivi medici e farmaceutici, i componenti critici possono essere una questione di vita o di morte, il che significa anche "se non si può verificare, non si può produrre".

Se i componenti sono prodotti in modo coerente e verificato, allora il commercio microstampaggio a iniezione dovrebbe essere evitabile. Ma raramente è possibile garantire 100%.

Esistono molti modi e strumenti per ispezionare i pezzi e gli assemblaggi in plastica microfilmati. Alcuni possono essere ispezionati con una telecamera ad alta risoluzione per verificare le caratteristiche del prodotto o la finitura superficiale.

Alcuni richiedono la scansione laser 3D per verificare alcune dimensioni critiche. Altri ancora richiedono una telecamera ad alta velocità per verificare se la polvere o il polimero a cristalli liquidi sono stati dosati correttamente.