의료 기기, 전자 제품 및 바이오 제약 제조업체는 최신의 마이크로 사출 성형 제품을 사용하여 더 작고 공간 효율적인 마이크로 디바이스를 만들 수 있습니다. 마이크로 사출 성형 부품은 먼지 한 톨만큼 작을 수 있습니다.

마이크로 사출 성형 부품이란 무엇인가요?

많은 새로운 발전 마이크로 사출 성형 기술을 통해 열가소성 플라스틱, 실리콘 및 금속 분말의 미세 사출 성형이 가능한 마이크로 금형의 설계 및 제조가 가능해졌습니다.

이러한 컴퓨팅은 전 세계적으로 최소 침습 의료 및 제약용 마이크로 디바이스의 개발을 촉진했습니다.

이 백서에서는 기존 마이크로 디바이스 및 부품의 성공을 위해 직면한 여러 주요 요인과 과제, 그리고 해결책을 설명합니다. 사출 성형.

마이크로 몰딩의 도전 과제

대부분의 마이크로 제품은 어느 정도의 극단적인 도전에서 시작됩니다. 일반적으로 시중에 나와 있는 유사한 제품을 축소한 버전입니다.

마이크로 부품은 작고 섬세한 동맥, 펌프, 카테터 또는 내시경에 장착되고 내부에 작동해야 하는 마이크로 부품이 있을 수 있기 때문에 점점 더 복잡해지고 있습니다.

한때 두 개 이상의 구성 요소로 설계되었지만 비용 압박으로 인해 하나의 구성 요소로 축소되어 현미경으로 조립할 필요가 없어지면서 형상이 까다로워진 경우가 많습니다.

이러한 장치에는 폴리머, 금속 또는 멤브레인에 직접 배합되거나 첨가된 약물이 필요할 수 있으며, 장치가 반복적으로 작동하고 안정적인 수명을 갖도록 작동 기어, 레버 및 구동 메커니즘이 함께 제공됩니다.

이러한 특징과 인체에 직접 이식해야 한다는 요건을 고려할 때, 이러한 장치를 견고하게 개발하고 형태, 착용감, 기능에 대한 테스트를 철저히 하는 것이 중요합니다.

미세 사출 흐름 금형 흐름 분석

마이크로 금형 및 프로토타입 부품은 개발 주기에 많은 비용이 소요되므로 마이크로 금형 흐름 시뮬레이션 분석을 통해 특정 설계에 따른 충진 예상치를 시뮬레이션할 수 있습니다.

일반 성형 부품과 마이크로 성형 부품을 비교할 때 매우 일반적인 가정은 동일한 소프트웨어와 동일한 모델링 접근 방식으로 마이크로 부품을 채울 수 있다는 것입니다.

예를 들어, 일반적인 500마이크론 게이트와 관련된 흐름 분석은 75마이크론 게이트를 통과하는 시뮬레이션 흐름과 매우 다를 수 있습니다.

가장 큰 차이점은 마이크로 게이트와 달리 작은 구멍을 통과할 때 전단 유도 열이 더 많이 발생한다는 점입니다.

따라서 솔리드 모델 메시의 해상도가 매우 높아야 게이트와 얇은 벽 영역에서 일어나는 일을 파악할 수 있습니다.

금형 흐름 시뮬레이션에 사용되는 솔리드 모델 메시에는 수십 미크론 크기의 메시가 필요한 반면, 부품에는 수 미크론 크기의 메시가 필요합니다.

마이크로 몰딩 부품의 게이트는 캐비티로 들어가는 재료에 과도한 열 응력이 가해지지 않도록 적절한 크기로 제작해야 합니다.

생체 흡수성 및 바이오 의약품 폴리머와 같이 열에 민감한 재료의 경우 배럴, 노즐 및 핫 러너에서의 재료 유지 시간과 사출 공정 중에 재료에 전달될 수 있는 추가 열 사이의 관계를 이해하는 것이 중요합니다.

때로는 소재가 프로세스 선택을 주도하고, 때로는 프로세스가 소재 선택을 주도하기도 합니다.

일반적으로 사용되는 마이크로 성형 재료로는 PEEK, PLA, PGA, LSR, 폴리에틸렌, 폴리프로필렌, 폴리카보네이트, LCP, PMMA, 순환 올레핀 공중합체(COC), 스테인리스 스틸(금속 사출 성형) 등이 있습니다.

마이크로 사출 금형

제품 디자인과 소재 선택이 결정되면, 이제는 마이크로 사출 유닛 몰드.

열가소성 플라스틱, 실리콘, 금속 분말 등 소재가 무엇이든 금형은 성공에 가장 중요한 요소입니다.

제품과 금형이 매우 작기 때문에(아래 그림 참조) 치수의 공차도 더 작아집니다. 금형은 여전히 25%의 부품 공차를 충족해야 좋은 가공 창을 제공할 수 있습니다.

제품 공차는 ±0.01mm이고 금형 공차는 ±0.003mm여야 좋은 공정 창을 얻을 수 있습니다.

이러한 허용 오차는 크게 두 가지 이유로 일반 금형 제작자에게는 달성하기 어렵습니다.

1. ±0.003mm를 측정할 수 없으므로 확인할 수 없습니다.

2. 이러한 허용 오차를 달성할 수 있는 장비나 기술이 부족합니다.

마이크로 몰딩 러너

자동화된 조립 작업에서 부품을 제자리에 고정하는 핸들로 사용하거나 러너에 특수 위치 지정 지점을 추가하여 조립 네스트에 부품을 배치하는 데 도움을 줄 수 있습니다.

마이크로 사출 성형 파팅 라인

이별 라인의 마이크로 사출 금형 은 마이크로 부품의 크기와 관련이 있습니다. 파팅 라인에서 10마이크론의 차이가 있으면 제품 조립이 쉽게 중단될 수 있습니다.

마이크로 사출 금형 이형 경사

물론 릴리스 경사가 많을수록 좋지만 가장 작은 테이퍼는 0.2도까지 작을 수 있습니다. 이러한 테이퍼는 사출 성형 부품의 경우 다루기가 까다로울 수 있습니다. 테이퍼에 마이크로 부품을 배치하면 불규칙한 표면이 생겨 조립에 방해가 될 수 있습니다.

마이크로 인젝션 게이팅 위치

일반 사출 금형마이크로 사출 금형의 게이트 위치를 선택하는 목적은 캐비티에 균일한 플라스틱 흐름이 생성되도록 하는 것입니다.

그렇지 않으면 부품이 적절하게 채워지지 않아 금형의 정밀 핀과 캐비티 구성품이 손상될 수 있습니다.

마이크로 몰딩 게이트 잔류물

대부분의 마이크로 몰딩 부품은 엣지 게이트를 사용합니다. 그렇다면 동맥 손상(이식된 의료 기기)을 유발하거나 자동화 및 조립 문제를 일으키는 작은 재료의 문제를 방지하기 위해 게이트에서 적절히 제거해야 합니다.

이러한 문제는 금형 설계에서 벽 두께에 딤플을 배치하여 게이트 잔여물이 어셈블리의 가이드 또는 결합 부품 표면 아래에 설계되도록 하여 해결할 수 있습니다.

마이크로 몰딩 공정 표면 마감

조립 중에 피처를 다른 피처로 고정하거나 안내하는 데 있어 성형 부품의 표면 마감이 중요하다는 사실을 간과하는 경우가 많습니다.

예를 들어, 일부 제품은 더 나은 접착력을 위해 표면이 거칠어야 합니다. 표면이 매끄러우면 배출 시 여러 가지 문제가 발생할 수 있습니다. 사출 금형 타협이 필요합니다.

마이크로 사출 성형 공정

정확도는 마이크로 사출 성형 제품 은 수 미크론 범위인 경우가 많기 때문에 사출 성형 부품에서 우수한 치수 반복성을 달성하는 데는 몇 가지 어려움이 있습니다.

금형 강철에 날카로운 모서리와 캐비티(반경 1미크론 미만)를 만드는 것과 이 작은 공간을 폴리머로 채우는 것은 전혀 다른 문제입니다.

마이크로 몰드에는 적절한 통풍이 필요하며 때로는 매우 얇은 라미네이트를 사용하여 적절한 통풍과 커프스 충진을 달성해야 합니다.

마이크로 성형 부품의 일반적인 사출 압력 범위는 30,000~50,000psi로, 머리카락 굵기의 작은 코어 핀을 손상시키지 않고 적절한 압력으로 충진하려면 섬세한 균형 조정이 필요합니다.

벽이 매우 얇은(0.001-0.0015인치) 먼지 얼룩 크기 부품은 파팅 라인 전체에 걸쳐 캐비티와 코어 간 정렬 정확도가 매우 높아야 합니다.

폴리머가 충전되지 않은 상태에서 냉각되거나 부품의 한쪽이 다른 쪽보다 더 많이 충전된 경우 마이크로 코어 핀 손상이 발생할 수 있습니다.

이 문제는 짧은 시간(일반적으로 0.1초 미만)에 높은 압력으로 빠르게 채우면 극복할 수 있습니다.

마이크로포머는 아주 적은 양의 접착제를 주입할 수 있어야 하며 배럴 내 플라스틱 유지 시간을 최소한으로 유지할 수 있어야 합니다. 이는 전단 및 열 민감도가 높은 생체 흡수성 폴리머(PLA, PGA)의 경우 특히 중요합니다.

또한 이러한 작은 장치를 채우고, 다루고, 탈형하고, 측정하고, 조립하는 데 필요한 정밀도를 제공하려면 특수 나사, 노즐 및 보조 장비가 필요합니다.

조립 및 취급

지오메트리를 최소한의 부품으로 조립하여 미세 조립하는 것은 매우 가치 있는 설계 작업입니다. 지오메트리를 집어서 둥지로 조립하고 유사하거나 다른 재질의 다른 부품에 부착하는 작업은 설계 단계에서 미리 시간을 투자하는 것보다 훨씬 더 많은 비용이 들 수 있기 때문입니다.

2차 마이크로 성형

두 개의 다른 위치에 두 개의 다른 재료를 두 개의 다른 금형에 사출하거나 회전 금형을 사용하여 두 개의 다른 재료를 같은 위치에 사출하여 형상과 재료를 결합하는 프로세스입니다.

예를 들어 펌프 피스톤에 씰 또는 실리콘 개스킷이 필요한 경우, 정밀 메커니즘에 오링을 맞추고 가위로 오링을 고정하여 피스톤에 배치하는 것보다 피스톤과 동일한 금형에서 오링 홈에 개스킷을 2차 성형하는 것이 더 간편합니다.

레이저 용접

3차원 형상을 2차 성형으로 결합할 수 없고 재료 강도가 허용하는 경우, 레이저 용접은 소형 부품을 결합하는 좋은 방법입니다.

정밀하게 제어된 레이저 에너지와 출력 밀도를 사용하여 와이어와 같은 재료를 빠르고 비파괴적으로 선택적으로 청소하고 벗겨낼 수도 있습니다.

초음파 용접

초음파 용접은 열가소성 플라스틱과 호환되는 금속도 효과적으로 접합할 수 있습니다. 강력한 용접에 필요한 에너지가 매우 낮기 때문에 마이크로 부품에는 특수 저에너지 부스터와 초음파 발생기가 필요합니다.

솔벤트 본딩

이는 종종 마이크로 부품을 결합하기 위한 빠르고 적은 자본을 투자하는 방법으로 사용됩니다. 선택한 용제는 특히 임플란트 용도로 부품을 사용하는 경우 접착할 재료와 호환되는 용제를 선택해야 합니다.

솔벤트 본딩을 사용하여 대량 조립 공정을 가속화하는 것은 자동화 및 재현이 쉽지 않고 대량 생산 범위에서 검증하기 어렵기 때문에 어렵습니다.

리벳팅

마이크로 리벳팅은 폴리머와 금속 부품을 결합하는 매우 저렴한 방법입니다. 예를 들어, 배터리 캔의 경우 압착 또는 잠그기는 우수한 밀봉을 생성하고 부식성 액체가 배터리 용기에서 유출되는 것을 방지하는 매우 일반적인 관행입니다.

저렴한 프로그레시브 스탬핑 다이를 사용하면 압력을 받는 한 재료를 다른 재료로 "접어서" 폴리머와 금속을 적당히 빠르게 리벳으로 결합할 수 있습니다. 이 방법의 단점은 재료 배치 간 변형 및 변경이 발생할 수 있다는 점입니다.

테스트

자동화된 마이크로 어셈블리 시스템의 중요한 측면은 전기 전도도, 누출 또는 압력 감쇠, 파열 강도 등의 테스트입니다. 이 중 일부는 파괴적인 테스트이고 일부는 비파괴 테스트입니다.

최종 조립품 또는 하위 조립품이 제대로 작동하는지 확인하는 가장 좋은 방법은 조립품을 구성하는 각 구성 요소에 대한 생산 공정 제어를 유지하는 것입니다.

각 구성 요소에 대한 통계적 검증과 어셈블리의 재검증은 자동화 셀에서 나중에 비용이 많이 드는 테스트와 검사를 방지합니다;

그러나 때때로 이러한 문제는 특히 이식형 및 중요한 약물 응용 분야에서 불가피할 수도 있습니다.

테스트 측정

"측정할 수 없으면 제조할 수 없다"는 말은 누구나 들어봤을 것입니다. 의료 및 제약 기기에서 중요한 구성 요소는 생사가 걸린 문제일 수 있으며, 이는 곧 "검증할 수 없으면 만들 수 없다"는 의미이기도 합니다.

부품이 일관되게 제조되고 검증되면 상업용 마이크로 사출 성형 시스템을 피해야 합니다. 그러나 100%를 보장하는 것은 거의 불가능합니다.

미세한 특징이 있는 플라스틱 부품과 어셈블리를 검사하는 방법과 수단에는 여러 가지가 있습니다. 일부는 고해상도 카메라로 검사하여 제품 특징이나 표면 마감을 확인할 수 있습니다.

일부 중요한 치수를 확인하기 위해 3D 레이저 스캐닝이 필요한 경우도 있습니다. 또 다른 일부는 분말 또는 액정 폴리머가 정확한 양으로 분배되었는지 확인하기 위해 고속 카메라가 필요합니다.