Fabrikanten van medische apparatuur, elektronica en biofarmaceutische producten hebben nieuwere microspuitgieten producten om kleinere en ruimte-efficiëntere microapparaten te maken. Microspuitgietonderdelen kunnen zo klein zijn als een stofdeeltje.

Wat is een spuitgegoten onderdeel?

Veel nieuwe ontwikkelingen in microspuitgieten Technieken hebben het ontwerp en de productie van microvormen mogelijk gemaakt die het spuitgieten van thermoplasten, siliconen en metaalpoeders mogelijk maken.

Deze computertechniek heeft wereldwijd de ontwikkeling van minimaal invasieve medische en farmaceutische microapparatuur mogelijk gemaakt.

Dit artikel beschrijft veel van de belangrijkste factoren en uitdagingen en oplossingen voor het succes van conventionele microdevices en componenten. spuitgieten.

Uitdagingen voor microspuitgieten

De meeste microproducten beginnen met een zekere mate van extreme uitdaging. Meestal zijn het verkleinde versies van vergelijkbare producten op de markt.

Microcomponenten worden steeds complexer als ze worden ingebouwd in piepkleine en kwetsbare slagaders, pompen, katheters of endoscopen en kunnen binnenin micro-componenten hebben die moeten werken.

Ze hebben vaak uitdagende geometrieën omdat ze ooit ontworpen waren als twee of meer componenten, maar onder druk van de kosten gereduceerd werden tot één component zodat ze niet onder een microscoop geassembleerd hoefden te worden.

Voor deze apparaten kunnen medicijnen nodig zijn die direct worden samengesteld met of toegevoegd aan polymeren, metalen of membranen en ze worden geleverd met werkende tandwielen, hefbomen en aandrijfmechanismen om het apparaat herhaaldelijk te laten werken en een betrouwbare levensduur te geven.

Gezien deze kenmerken en de eis dat deze hulpmiddelen direct in het menselijk lichaam kunnen worden geïmplanteerd, is het belangrijk om deze hulpmiddelen robuust te ontwikkelen en ze goed te testen op vorm, pasvorm en functie.

Micro-injectiestroomvorm stromingsanalyse

Omdat microvormen en prototypeonderdelen kostbaar zijn in hun ontwikkelingscyclus, kan een simulatieanalyse van de stroming van microvormen een simulatie geven van de vulverwachtingen op basis van een specifiek ontwerp.

Bij het vergelijken van conventioneel gevormde en microgevormde onderdelen wordt vaak aangenomen dat microgevormde onderdelen gevuld kunnen worden met dezelfde software en dezelfde modelleerbenadering.

Een stromingsanalyse met een typische poort van 500 micron zou bijvoorbeeld heel anders zijn dan een gesimuleerde stroming door een poort van 75 micron.

Het belangrijkste verschil is dat afgezien van een micropoort meer door afschuiving veroorzaakte warmte wordt gegenereerd wanneer deze door een kleine opening gaat.

Daarom moet het solid model mesh een zeer hoge resolutie hebben om te bepalen wat er gebeurt in de gate en dunne wand gebieden.

Netten in massieve modellen die gebruikt worden bij simulaties van matrijsstromingen vereisen netten van enkele microns groot, vergeleken met tientallen microns in onderdelen.

Poorten in microgevormde onderdelen moeten de juiste afmetingen hebben om overmatige thermische spanning te vermijden op het materiaal dat de holte ingaat.

Voor warmtegevoelige materialen zoals bioabsorbeerbare en biofarmaceutische polymeren is het belangrijk om de relatie te begrijpen tussen de verblijftijd van het materiaal in het vat, de spuitmond en de hotrunner en de extra warmte die kan worden overgedragen aan het materiaal tijdens het injectieproces.

Soms is het materiaal bepalend voor de proceskeuze en soms is het proces bepalend voor de materiaalselectie.

Enkele veelgebruikte microvormmaterialen zijn PEEK, PLA, PGA, LSR, polyethyleen, polypropyleen, polycarbonaat, LCP, PMMA, cyclische olefine copolymeren (COC's) en roestvrij staal (metaalspuitgieten).

Micro-injectie mallen

Nadat het productontwerp en de materiaalkeuze zijn bepaald, is het tijd om de microspuitgietmatrijs.

Of het materiaal nu thermoplastisch, siliconen of metaalpoeder is, de mal is het meest kritieke onderdeel voor succes.

Omdat het product en de matrijs zo klein zijn (zoals hieronder te zien is), worden de toleranties van de afmetingen ook kleiner. De matrijs moet nog steeds voldoen aan 25% van de onderdeeltolerantie om een goed verwerkingsvenster te bieden.

De producttolerantie is ±0,01 mm en de matrijstolerantie moet ±0,003 mm zijn om een goed procesvenster te krijgen.

Dergelijke toleranties zijn voor de gemiddelde matrijzenmaker om twee belangrijke redenen moeilijk te bereiken.

1.Ze kunnen geen ±0,003mm meten en daarom niet verifiëren.

2.Ze missen de apparatuur of de vaardigheden om deze toleranties te bereiken.

Micromolding lopers

Bij geautomatiseerde assemblage kunnen ze worden gebruikt als handgrepen om onderdelen op hun plaats te houden of kunnen er speciale positioneringspunten aan de loopwagen worden toegevoegd om ons te helpen het onderdeel in het assemblagenest te positioneren.

Microspuitgietmatrijzen

De scheidingslijn van een micro-injectie matrijs is gerelateerd aan de grootte van het microdeel. Een verschil van 10 micron op de deellijn kan de assemblage van het product gemakkelijk verstoren.

Microspuitgietglossing

Hoe meer afschot, hoe beter natuurlijk, maar de kleinste conus kan al 0,2 graden zijn. Zo'n taper kan lastig zijn voor spuitgietonderdelen. Door een microdeel op een taper te plaatsen, kan een onregelmatig oppervlak ontstaan dat de assemblage kan verstoren.

Positie micro-injectie Gating

Net als bij gewone spuitgietmatrijzenHet doel van het kiezen van een poortlocatie voor microspuitmallen is ervoor te zorgen dat er een gelijkmatige stroom kunststof in de holte wordt geproduceerd.

Anders worden de onderdelen mogelijk niet goed gevuld en kunnen de precisiepennen en holteonderdelen in de mal beschadigd raken.

Restant microvormpoort

De meeste microgevormde onderdelen zullen randpoorten gebruiken. Als dat zo is, moeten ze op de juiste manier uit de poort worden verwijderd om problemen te vermijden met kleine materialen die slagaderlijke schade veroorzaken (geïmplanteerde medische hulpmiddelen) of automatiserings- en assemblageproblemen veroorzaken.

Deze problemen kunnen opgelost worden in het matrijsontwerp door een kuiltje in de wanddikte aan te brengen zodat de poortrest onder het oppervlak van de geleider of het parallelle onderdeel in de assemblage ontworpen wordt.

Microspuitproces Oppervlakteafwerking

Vaak wordt over het hoofd gezien hoe belangrijk de oppervlakteafwerking van het spuitgietproduct is voor het vasthouden of geleiden van vormen in andere vormen tijdens de assemblage.

Sommige producten hebben bijvoorbeeld een ruwer oppervlak nodig voor een betere hechting. Een glad oppervlak kan een reeks problemen veroorzaken bij het uitwerpen uit de spuitgietvorm en vereist een compromis.

Microspuitgietproces

Omdat de nauwkeurigheid van microspuitgegoten producten is vaak in het bereik van enkele microns, zijn er verschillende uitdagingen om een goede dimensionale herhaalbaarheid te bereiken in spuitgietproducten.

Het is één ding om mooie scherpe hoeken en holtes in het gietstaal te maken (met een radius van minder dan 1 micron) en iets heel anders om deze kleine ruimtes op te vullen met polymeer.

Microvormen vereisen een goede ontluchting en soms het gebruik van zeer dunne laminaten om een goede ontluchting en cuspvulling te krijgen.

Typische injectiedrukken in microgevormde onderdelen variëren van 30.000 tot 50.000 psi, wat een delicate evenwichtsoefening vereist om met de juiste druk te vullen zonder de piepkleine, haarfijne kernpennen te beschadigen.

Onderdelen met stofdeeltjesgrootte en extreem dunne wanden (0,001-0,0015 inch) vereisen een extreme uitlijningsnauwkeurigheid tussen de caviteiten en de kern over de deellijn.

Schade aan pinnen met microkernen treedt waarschijnlijk op als het polymeer wordt gekoeld onder ongevulde omstandigheden of als het onderdeel aan de ene kant meer gevuld is dan aan de andere kant.

Deze uitdaging kan worden overwonnen door snel vullen in korte perioden (meestal <0,1 sec) en bij hoge druk.

Microvormers moeten zeer kleine hoeveelheden lijm kunnen injecteren en de retentietijd van de kunststof in het vat tot een minimum beperken. Dit is vooral belangrijk voor bioresorbeerbare polymeren (PLA, PGA) met een hoge afschuif- en warmtegevoeligheid.

Er zijn ook speciale schroeven, spuitmonden en hulpapparatuur nodig voor de precisie waarmee deze kleine apparaten worden gevuld, gehanteerd, ontvormd, gemeten en in elkaar gezet.

Montage en verwerking

Geometrieën samenvoegen tot een zo klein mogelijk aantal onderdelen voor microassemblage is een ontwerpinspanning die zeer de moeite waard is, omdat het oppakken, samenvoegen tot nesten en bevestigen aan andere onderdelen van gelijksoortige of andere materialen veel duurder kan zijn dan tijd besteden aan de ontwerpfase.

Secundaire microvorming

Het proces van het injecteren van twee verschillende materialen in twee verschillende mallen op twee verschillende locaties, of het gebruik van een roterende mal om twee verschillende materialen op dezelfde locatie te injecteren om een gecombineerde geometrie en materiaal te verkrijgen.

Als een pompzuiger bijvoorbeeld een afdichting of siliconenpakking nodig heeft, is het gemakkelijker om de pakking secundair te gieten in een o-ringgroef in dezelfde mal als de zuiger dan om de o-ring in een precisiemechanisme te passen, de o-ring met een schaar vast te klemmen en op de zuiger te plaatsen.

Laserlassen

Als de driedimensionale geometrie niet gecombineerd kan worden door secundair vormen en de sterkte van het materiaal het toelaat, is laserlassen een goede manier om miniatuuronderdelen samen te voegen.

Nauwkeurig geregelde laserenergie en vermogensdichtheid kunnen ook worden gebruikt om selectief, snel en niet-destructief materialen zoals draad te reinigen en strippen.

Ultrasoon lassen

Ultrasoon lassen kan ook thermoplasten en compatibele metalen effectief verbinden. Vanwege de extreem lage energie die nodig is voor sterk lassen, zijn voor microonderdelen speciale laagenergetische boosters en ultrasone generatoren nodig.

Oplosbare verlijming

Dit wordt vaak gebruikt als een snelle, investeringsarme methode voor het verbinden van micro-onderdelen. Het gekozen oplosmiddel moet compatibel zijn met het te lijmen materiaal, vooral als het onderdeel gebruikt wordt voor implantaattoepassingen.

Het gebruik van solvent bonding om het hoogvolume assemblageproces te versnellen is moeilijk omdat de methode niet gemakkelijk te automatiseren en reproduceerbaar is, en moeilijk te valideren in het hoogvolume bereik.

Klinkend

Microklinken is een zeer goedkope methode om polymeer en metalen onderdelen met elkaar te verbinden. In batterijbussen bijvoorbeeld is krimpen of vergrendelen een veelgebruikte methode die een goede afdichting oplevert en voorkomt dat corrosieve vloeistoffen uit de batterijhouder ontsnappen.

Goedkope progressieve stempelmatrijzen maken een gematigd snelle methode mogelijk om polymeren en metalen aan elkaar te klinken door het ene materiaal onder druk in het andere te "vouwen". Variatie en verandering van materiaal van partij tot partij kan een nadeel zijn van deze methode.

Testen

Een belangrijk aspect van geautomatiseerde systemen voor microassemblages zijn tests, zoals elektrische geleiding, lekkage of drukverval en barststerkte. Sommige van deze tests zijn destructief en andere zijn niet-destructief.

De beste manier om te bepalen of de uiteindelijke assemblage of subassemblage goed werkt, is om de productieprocescontrole te handhaven voor elk onderdeel waaruit de assemblage bestaat.

Statistische verificatie van elk onderdeel en hervalidatie van de assemblage voorkomt kostbare tests en inspecties later in de geautomatiseerde cel;

Soms zijn deze problemen echter ook onvermijdelijk, vooral bij implanteerbare en kritieke medicijntoepassingen.

Testmeting

We kennen allemaal het gezegde "als je het niet kunt meten, kun je het ook niet maken". Bij medische en farmaceutische apparaten kunnen kritieke onderdelen van levensbelang zijn, wat ook betekent "als je het niet kunt verifiëren, kun je het niet maken".

Als de onderdelen consistent worden gefabriceerd en geverifieerd, dan kunnen commerciële microspuitgieten systemen vermeden moeten kunnen worden. Maar het is zelden mogelijk om 100% te garanderen.

Er zijn veel manieren en middelen om microgevormde kunststof onderdelen en samenstellingen te inspecteren. Sommige kunnen geïnspecteerd worden met een hoge-resolutiecamera om de productkenmerken of de oppervlakteafwerking te controleren.

Sommige vereisen een 3D-laserscan om bepaalde kritieke afmetingen te verifiëren. Weer andere vereisen een hogesnelheidscamera om te laten zien of het poeder of vloeibare kristalpolymeer in de juiste dosering is toegediend.