Producenci urządzeń medycznych, elektroniki i biofarmaceutyków potrzebują nowszych rozwiązań. mikrowtrysk w celu tworzenia mniejszych i zajmujących mniej miejsca mikrourządzeń. Komponenty formowane metodą mikrowtrysku mogą być tak małe, jak drobina kurzu.

Co to jest element formowany metodą mikrowtrysku?

Wiele nowych osiągnięć w mikrowtrysk Techniki te umożliwiły projektowanie i produkcję mikroform, które umożliwiają mikrowtryskiwanie tworzyw termoplastycznych, silikonów i proszków metali.

Obliczenia te ułatwiły rozwój minimalnie inwazyjnych mikrourządzeń medycznych i farmaceutycznych na całym świecie.

W niniejszym dokumencie opisano wiele głównych czynników i wyzwań, z którymi trzeba się zmierzyć, a także rozwiązania, które przyczyniają się do sukcesu konwencjonalnych mikrourządzeń i komponentów formowanie wtryskowe.

Wyzwania związane z mikroformowaniem

Większość mikroproduktów zaczyna się od pewnego stopnia ekstremalnego wyzwania. Zazwyczaj są to pomniejszone wersje podobnych produktów dostępnych na rynku.

Mikrokomponenty stają się coraz bardziej złożone, ponieważ są montowane w maleńkich i delikatnych tętnicach, pompach, cewnikach lub endoskopach i mogą mieć wewnątrz mikroelementy, które muszą działać.

Często mają one trudną geometrię, ponieważ kiedyś były zaprojektowane jako dwa lub więcej komponentów, ale zostały zredukowane do jednego komponentu ze względu na presję kosztową, aby nie musiały być montowane pod mikroskopem.

Urządzenia te mogą wymagać leków, które są bezpośrednio łączone lub dodawane do polimerów, metali lub membran i są wyposażone w działające koła zębate, dźwignie i mechanizmy napędowe, aby urządzenie działało wielokrotnie i miało niezawodną żywotność.

Biorąc pod uwagę te cechy i wymóg, że urządzenia te mogą być bezpośrednio wszczepiane do ludzkiego ciała, ważne jest, aby opracować te urządzenia solidnie i dobrze przetestować je pod kątem kształtu, dopasowania i funkcji.

Analiza przepływu w formie do mikrowtrysku

Ponieważ mikroformy i części prototypowe są kosztowne w ich cyklu rozwojowym, analiza symulacji przepływu w mikroformach może zapewnić symulację oczekiwań napełniania w oparciu o konkretny projekt.

Porównując konwencjonalnie formowane i mikroformowane części, bardzo powszechnym założeniem jest to, że mikroczęści mogą być wypełniane przy użyciu tego samego oprogramowania i tego samego podejścia do modelowania.

Na przykład, analiza przepływu obejmująca typową bramkę 500 mikronów będzie bardzo różnić się od symulacji przepływu przez bramkę 75 mikronów.

Główną różnicą jest to, że oprócz mikrogranulatu będzie generować więcej ciepła wywołanego ścinaniem podczas przechodzenia przez mały otwór.

Dlatego siatka modelu bryłowego musi mieć bardzo wysoką rozdzielczość, aby określić, co dzieje się w obszarach bramy i cienkich ścianek.

Siatki modeli bryłowych stosowane w symulacjach przepływu w formach wymagają siatek o rozmiarze kilku mikronów, w porównaniu do dziesiątek mikronów w częściach.

Bramki w mikroformowanych komponentach muszą być odpowiednio zwymiarowane, aby uniknąć nadmiernego naprężenia termicznego materiału wchodzącego do wnęki.

W przypadku materiałów wrażliwych na ciepło, takich jak polimery bioabsorbowalne i biofarmaceutyczne, ważne jest zrozumienie zależności między czasem retencji materiału w cylindrze, dyszy i gorącym kanale a dodatkowym ciepłem, które może być przekazywane do materiału podczas procesu wtrysku.

Czasami materiał wpływa na wybór procesu, a czasami proces wpływa na wybór materiału.

Niektóre powszechnie stosowane materiały do mikroformowania to PEEK, PLA, PGA, LSR, polietylen, polipropylen, poliwęglan, LCP, PMMA, cykliczne kopolimery olefin (COC) i stal nierdzewna (formowanie wtryskowe metali).

Formy do mikrowtrysku

Po określeniu projektu produktu i wyborze materiału, nadszedł czas na wykonanie Forma do mikrowtrysku.

Niezależnie od tego, czy materiałem jest tworzywo termoplastyczne, silikon czy proszek metalowy, forma jest najważniejszym elementem decydującym o sukcesie.

Ponieważ produkt i forma są tak małe (jak pokazano poniżej), tolerancje wymiarów również stają się mniejsze. Forma musi nadal spełniać 25% tolerancji części, aby zapewnić dobre okno przetwarzania.

Tolerancja produktu wynosi ±0,01 mm, a tolerancja formy musi wynosić ±0,003 mm, aby uzyskać dobre okno procesowe.

Takie tolerancje są trudne do osiągnięcia dla przeciętnego producenta form z dwóch głównych powodów.

1. nie mogą zmierzyć ±0,003 mm i dlatego nie mogą ich zweryfikować.

2. nie dysponują sprzętem lub umiejętnościami umożliwiającymi osiągnięcie tych tolerancji.

Prowadnice Micromolding

W zautomatyzowanych operacjach montażowych mogą być używane jako uchwyty do przytrzymywania części w miejscu lub specjalne punkty pozycjonowania mogą być dodane do prowadnicy, aby pomóc nam umieścić część w gnieździe montażowym.

Linia rozdzielająca do mikrowtrysku

Linia rozdzielająca Forma do mikrowtrysku jest związana z rozmiarem mikroczęści. Różnica 10 mikronów na linii podziału może łatwo zakłócić montaż produktu.

Nachylenie uwalniające z mikroform wtryskowych

Oczywiście im większe nachylenie, tym lepiej, ale najmniejsze zwężenie może wynosić zaledwie 0,2 stopnia. Każdy taki stożek może być kłopotliwy w obsłudze dla części formowanych wtryskowo. Umieszczenie mikroczęści na stożku może stworzyć nieregularną powierzchnię, która może przeszkadzać w montażu.

Pozycja bramkowania mikrowtrysku

Podobnie jak w przypadku zwykłych formy wtryskoweCelem wyboru lokalizacji bramy dla form do mikrowtrysku jest zapewnienie równomiernego przepływu tworzywa sztucznego we wnęce.

W przeciwnym razie części mogą nie zostać odpowiednio wypełnione i mogą uszkodzić precyzyjne sworznie i elementy wnęki w formie.

Pozostałości po mikroformowaniu

Większość mikroformowanych części wykorzystuje bramki krawędziowe. Jeśli tak, to muszą być one odpowiednio usunięte z bramki, aby uniknąć problemów z małymi materiałami powodującymi uszkodzenia tętnic (wszczepiane urządzenia medyczne) lub powodującymi problemy z automatyzacją i montażem.

Problemy te można rozwiązać w projekcie formy, umieszczając wgłębienie w grubości ścianki, dzięki czemu pozostałość po bramie zostanie zaprojektowana pod powierzchnią prowadnicy lub części współpracującej w zespole.

Proces mikroformowania Wykończenie powierzchni

Często pomijane jest znaczenie wykończenia powierzchni formowanej części w utrzymywaniu lub prowadzeniu elementów do innych elementów podczas montażu.

Na przykład, niektóre produkty wymagają bardziej chropowatej powierzchni dla lepszej przyczepności. Gładka powierzchnia może powodować szereg problemów podczas wyrzucania z urządzenia. forma wtryskowa i wymaga kompromisu.

Proces formowania metodą mikrowtrysku

Ponieważ dokładność Produkty formowane metodą mikrowtrysku często mieści się w zakresie kilku mikronów, istnieje kilka wyzwań związanych z osiągnięciem dobrej powtarzalności wymiarowej części formowanych wtryskowo.

Jedną rzeczą jest stworzenie ładnych, ostrych narożników i wgłębień w stali formy (o promieniu mniejszym niż 1 mikron), a zupełnie inną wypełnienie tych małych przestrzeni polimerem.

Mikroformy wymagają odpowiedniego odpowietrzenia, a czasami użycia bardzo cienkich laminatów w celu uzyskania odpowiedniego odpowietrzenia i wypełnienia guzków.

Typowe ciśnienie wtrysku w mikroformowanych częściach waha się od 30 000 do 50 000 psi, co wymaga delikatnego wyważenia, aby wypełnić pod odpowiednim ciśnieniem bez uszkadzania maleńkich, cienkich jak włos szpilek rdzenia.

Części wielkości drobiny pyłu o bardzo cienkich ściankach (0,001-0,0015 cala) wymagają ekstremalnej dokładności wyrównania wgłębienia do rdzenia na linii podziału.

Uszkodzenie trzpienia z mikro-rdzeniem może wystąpić, jeśli polimer jest chłodzony w warunkach niewypełnienia lub jeśli część jest wypełniona bardziej z jednej strony niż z drugiej.

Wyzwanie to można pokonać poprzez szybkie napełnianie w krótkich odstępach czasu (zazwyczaj <0,1 s) i przy wysokim ciśnieniu.

Mikroformery muszą być w stanie wstrzykiwać bardzo małe ilości kleju i utrzymywać czas retencji tworzywa sztucznego w cylindrze na minimalnym poziomie. Jest to szczególnie ważne w przypadku polimerów bioresorbowalnych (PLA, PGA) o wysokiej wrażliwości na ścinanie i ciepło.

Specjalistyczne śruby, dysze i sprzęt pomocniczy są również wymagane, aby zapewnić precyzję napełniania, obsługi, rozformowywania, pomiaru i montażu tych małych urządzeń.

Montaż i obsługa

Złożenie geometrii w najmniejszą liczbę części do mikromontażu jest bardzo opłacalnym wysiłkiem projektowym, ponieważ zbieranie ich, składanie w gniazda i dołączanie do innych części z podobnych lub różnych materiałów może być znacznie droższe niż poświęcanie czasu z góry w fazie projektowania.

Mikroformowanie wtórne

Proces wtryskiwania dwóch różnych materiałów do dwóch różnych form w dwóch różnych miejscach lub przy użyciu obrotowej formy do wtryskiwania dwóch różnych materiałów w tym samym miejscu w celu uzyskania połączonej geometrii i materiału.

Na przykład, jeśli tłok pompy wymaga uszczelnienia lub silikonowej uszczelki, łatwiej jest wtórnie uformować uszczelkę w rowku o-ringu w tej samej formie co tłok, niż dopasować o-ring do precyzyjnego mechanizmu, zacisnąć o-ring nożyczkami i umieścić go na tłoku.

Spawanie laserowe

Jeśli trójwymiarowa geometria nie może być połączona przez formowanie wtórne, a wytrzymałość materiału na to pozwala, spawanie laserowe jest dobrym sposobem łączenia miniaturowych części.

Precyzyjnie kontrolowana energia lasera i gęstość mocy mogą być również wykorzystywane do selektywnego czyszczenia i usuwania izolacji z materiałów, takich jak drut, w sposób szybki i nieniszczący.

Spawanie ultradźwiękowe

Spawanie ultradźwiękowe może również skutecznie łączyć tworzywa termoplastyczne i kompatybilne metale. Ze względu na wyjątkowo niską energię wymaganą do silnego spawania, mikroczęści wymagają specjalistycznych wzmacniaczy niskoenergetycznych i generatorów ultradźwiękowych.

Wiązanie rozpuszczalnikiem

Jest to często stosowana metoda szybkiego łączenia mikrokomponentów przy niskim nakładzie inwestycyjnym. Wybrany rozpuszczalnik musi być kompatybilny z łączonym materiałem, zwłaszcza gdy element jest używany do zastosowań implantologicznych.

Wykorzystanie klejenia rozpuszczalnikowego do przyspieszenia procesu montażu w dużych ilościach jest trudne, ponieważ metoda ta nie jest łatwa do zautomatyzowania i powtarzalna, a także trudna do walidacji w zakresie dużych ilości.

Nitowanie

Mikronitowanie jest bardzo niedrogą metodą łączenia części polimerowych i metalowych. Na przykład w przypadku pojemników na baterie, zaciskanie lub blokowanie jest bardzo powszechną praktyką, która zapewnia dobre uszczelnienie i zapobiega wydostawaniu się żrących płynów z pojemnika na baterie.

Niedrogie matryce do tłoczenia progresywnego umożliwiają umiarkowanie szybką metodę nitowania polimerów i metali poprzez "składanie" jednego materiału pod ciśnieniem w drugi. Wadą tej metody może być zmienność materiału między partiami.

Testowanie

Ważnym aspektem zautomatyzowanych systemów mikromontażu jest testowanie, takie jak przewodność elektryczna, wyciek lub zanik ciśnienia oraz wytrzymałość na rozerwanie. Niektóre z nich są testami niszczącymi, a inne nieniszczącymi.

Najlepszym sposobem ustalenia, czy końcowy zespół lub podzespół działa prawidłowo, jest utrzymanie kontroli procesu produkcyjnego dla każdego komponentu, który składa się na zespół.

Statystyczna weryfikacja każdego komponentu i ponowna walidacja zespołu zapobiegnie kosztownym testom i inspekcjom w późniejszym czasie w zautomatyzowanej komórce;

Jednak czasami kwestie te mogą być również nieuniknione, zwłaszcza w przypadku implantacji i krytycznych zastosowań leków.

Pomiar testowy

Wszyscy słyszeliśmy, że "jeśli nie możesz tego zmierzyć, nie możesz tego wyprodukować". W urządzeniach medycznych i farmaceutycznych krytyczne komponenty mogą być kwestią życia i śmierci, co oznacza również "jeśli nie możesz tego zweryfikować, nie możesz tego zrobić".

Jeśli części są produkowane konsekwentnie i weryfikowane, to komercyjne mikrowtrysk powinno być możliwe do uniknięcia. Jednak rzadko można zagwarantować 100%.

Istnieje wiele sposobów i środków kontroli mikroczęści i zespołów z tworzyw sztucznych. Niektóre z nich mogą być sprawdzane za pomocą kamery o wysokiej rozdzielczości w celu weryfikacji cech produktu lub wykończenia powierzchni.

Niektóre z nich wymagają skanowania laserowego 3D w celu weryfikacji niektórych krytycznych wymiarów. Jeszcze inne wymagają szybkiej kamery, aby pokazać, czy proszek lub polimer ciekłokrystaliczny został dozowany w odpowiedniej dawce.