Os fabricantes de dispositivos médicos, produtos electrónicos e produtos biofarmacêuticos necessitam de novas moldagem por micro-injeção para fabricar microdispositivos mais pequenos e mais eficientes em termos de espaço. Os componentes moldados por micro-injeção podem ser tão pequenos como um grão de pó.

O que é um componente moldado por micro-injeção?

Muitos novos avanços na moldagem por micro-injeção tornaram possível a conceção e o fabrico de micro moldes que permitem a moldagem por microinjecção de termoplásticos, silicones e pós metálicos.

Esta computação facilitou o desenvolvimento de microdispositivos médicos e farmacêuticos minimamente invasivos em todo o mundo.

Este documento descreve muitos dos principais factores e desafios enfrentados e as soluções para o sucesso dos microdispositivos e componentes convencionais moldagem por injeção.

Desafios da Micro Moldagem

A maioria dos microprodutos começa com um certo grau de desafio extremo. São normalmente versões reduzidas de produtos semelhantes existentes no mercado.

Os microcomponentes tornam-se cada vez mais complexos à medida que são montados em artérias, bombas, cateteres ou endoscópios minúsculos e delicados, e podem ter microcomponentes no seu interior que precisam de funcionar.

Têm muitas vezes geometrias difíceis porque foram concebidos como dois ou mais componentes, mas foram reduzidos a um componente devido a pressões de custos, de modo a não terem de ser montados ao microscópio.

Estes dispositivos podem necessitar de medicamentos que são diretamente compostos ou adicionados a polímeros, metais ou membranas e que são acompanhados de engrenagens, alavancas e mecanismos de acionamento para que o dispositivo funcione repetidamente e tenha uma vida útil fiável.

Tendo em conta estas caraterísticas e o requisito de que estes dispositivos possam ser diretamente implantados no corpo humano, é importante desenvolver estes dispositivos de forma robusta e testá-los bem quanto à sua forma, ajuste e função.

Análise do fluxo do molde de microinjecção

Uma vez que os micro-moldes e as peças protótipo são dispendiosos no seu ciclo de desenvolvimento, a análise de simulação do fluxo do micro-molde pode fornecer uma simulação das expectativas de enchimento com base num desenho específico.

Ao comparar peças moldadas convencionalmente e peças micro moldadas, um pressuposto muito comum é que as peças micro podem ser preenchidas com o mesmo software e a mesma abordagem de modelação.

Por exemplo, uma análise de caudal que envolva uma comporta típica de 500 mícrones seria muito diferente de um caudal simulado através de uma comporta de 75 mícrones.

A principal diferença é que, para além de uma microporta, gerará mais calor induzido pelo cisalhamento ao passar por um pequeno orifício.

Por conseguinte, a malha do modelo sólido deve ter uma resolução muito elevada para determinar o que está a acontecer nas áreas da porta e da parede fina.

As malhas de modelos sólidos utilizadas em simulações de fluxo de moldes requerem malhas de alguns microns de tamanho, em comparação com dezenas de microns em peças.

As portas nos componentes micro moldados devem ser corretamente dimensionadas para evitar tensões térmicas excessivas no material que entra na cavidade.

Para materiais sensíveis ao calor, como os polímeros bioabsorvíveis e biofarmacêuticos, é importante compreender a relação entre o tempo de retenção do material no cilindro, no bocal e no canal quente e o calor adicional que pode ser transferido para o material durante o processo de injeção.

Por vezes, é o material que determina a seleção do processo e, por vezes, é o processo que determina a seleção do material.

Alguns dos materiais de microformação normalmente utilizados são PEEK, PLA, PGA, LSR, polietileno, polipropileno, policarbonato, LCP, PMMA, copolímeros de olefinas cíclicas (COC) e aço inoxidável (moldagem por injeção de metal).

Moldes de microinjecção

Uma vez determinada a conceção do produto e a seleção do material, é altura de fazer a molde de unidade de micro-injeção.

Quer o material seja um termoplástico, silicone ou pó metálico, o molde é o componente mais crítico para o sucesso.

Uma vez que o produto e o molde são tão pequenos (como se mostra abaixo), as tolerâncias das dimensões também se tornam mais pequenas. O molde deve ainda cumprir 25% da tolerância da peça para proporcionar uma boa janela de processamento.

A tolerância do produto é de ±0,01mm e a tolerância do molde deve ser de ±0,003mm para obter uma boa janela de processo.

Tais tolerâncias são difíceis de alcançar para o fabricante de moldes médio por duas razões principais.

1. não podem medir ±0,003mm e, por conseguinte, não podem verificá-los.

2. não dispõem do equipamento ou das competências necessárias para atingir essas tolerâncias.

Corrediças de micromoldagem

Em operações de montagem automatizadas, podem ser utilizados como pegas para manter as peças no lugar, ou podem ser adicionados pontos de posicionamento especiais ao corredor para nos ajudar a posicionar a peça no ninho de montagem.

Linha de corte para moldagem por micro-injeção

A linha de separação de um molde de micro-injeção está relacionado com o tamanho da micropeça. Uma diferença de 10 microns na linha de separação pode facilmente perturbar a montagem do produto.

Inclinação de libertação do molde de micro injeção

Quanto mais inclinações de libertação, melhor, claro, mas o cone mais pequeno pode ser tão pequeno como 0,2 graus. Qualquer conicidade deste tipo pode ser problemática para o manuseamento de peças moldadas por injeção. A colocação de uma micropeça num cone pode criar uma superfície irregular que pode interferir com a montagem.

Posição de abertura da micro-injeção

Tal como acontece com os moldes de injeçãoO objetivo da escolha de uma localização de porta para moldes de micro-injeção é assegurar que é produzido um fluxo uniforme de plástico na cavidade.

Caso contrário, as peças podem não ser preenchidas adequadamente e podem danificar os pinos de precisão e os componentes da cavidade no molde.

Resíduo de porta de micro moldagem

A maioria das peças micro moldadas utiliza portas de borda. Se assim for, têm de ser removidas corretamente da porta para evitar problemas com materiais pequenos que causem danos nas artérias (dispositivos médicos implantados) ou que causem problemas de automatização e montagem.

Estes problemas podem ser resolvidos no projeto do molde através da colocação de uma covinha na espessura da parede, de modo a que o resíduo da comporta seja projetado sob a superfície da guia ou da peça de acoplamento na montagem.

Processo de micro moldagem Acabamento de superfície

A importância do acabamento da superfície da peça moldada na fixação ou orientação de elementos noutros elementos durante a montagem é frequentemente negligenciada.

Por exemplo, alguns produtos requerem uma superfície mais rugosa para uma melhor aderência. Uma superfície lisa pode produzir uma série de problemas ao ejetar do molde de injeção e exige um compromisso.

Processo de moldagem por micro-injeção

Porque a exatidão da produtos moldados por micro-injeção está frequentemente na gama de vários microns, existem vários desafios para conseguir uma boa repetibilidade dimensional em peças moldadas por injeção.

Uma coisa é criar cantos e cavidades bem definidos no aço do molde (menos de 1 mícron de raio), e outra bem diferente é preencher estes pequenos espaços com polímero.

Os micro moldes requerem uma ventilação adequada e, por vezes, a utilização de laminados muito finos para obter uma ventilação e um enchimento de cúspides corretos.

As pressões de injeção típicas em peças microformadas variam entre 30.000 e 50.000 psi, o que requer um delicado ato de equilíbrio para encher à pressão adequada sem danificar os minúsculos e finos pinos do núcleo.

As peças de tamanho de grão de pó com paredes extremamente finas (0,001-0,0015 polegadas) requerem uma precisão extrema de alinhamento cavidade-núcleo ao longo da linha de separação.

É provável que ocorram danos nos pinos dos micro-núcleos se o polímero for arrefecido em condições não preenchidas ou se a peça for preenchida mais de um lado do que do outro.

Este desafio pode ser ultrapassado através do enchimento rápido em períodos curtos (normalmente <0,1 s) e a pressões elevadas.

Os microformadores devem ser capazes de injetar quantidades muito pequenas de cola e manter o tempo de retenção do plástico no cilindro a um nível mínimo. Isto é especialmente importante para polímeros bioreabsorvíveis (PLA, PGA) com elevada sensibilidade ao cisalhamento e ao calor.

Parafusos, bicos e equipamentos auxiliares especializados também são necessários para fornecer a precisão necessária para encher, manusear, desmoldar, medir e montar esses dispositivos minúsculos.

Montagem e manuseamento

A montagem de geometrias no menor número possível de peças para micro-montagem é um esforço de conceção que vale muito a pena, uma vez que recolhê-las, montá-las em ninhos e fixá-las a outras peças de materiais semelhantes ou diferentes pode ser muito mais dispendioso do que gastar tempo na fase de conceção.

Microformação secundária

O processo de injeção de dois materiais diferentes em dois moldes diferentes em dois locais diferentes, ou a utilização de um molde rotativo para injetar dois materiais diferentes no mesmo local para obter uma geometria e um material combinados.

Por exemplo, se o pistão de uma bomba necessitar de um vedante ou de uma junta de silicone, é mais fácil moldar secundariamente a junta numa ranhura para o anel de vedação no mesmo molde que o pistão do que encaixar o anel de vedação num mecanismo de precisão, fixar o anel de vedação com uma tesoura e colocá-lo no pistão.

Soldadura a laser

Se a geometria tridimensional não puder ser combinada por conformação secundária e a resistência do material o permitir, a soldadura a laser é uma boa forma de unir peças em miniatura.

A energia laser e a densidade de potência controladas com precisão também podem ser utilizadas para limpar e descascar seletivamente materiais como o arame, de forma rápida e não destrutiva.

Soldadura por ultra-sons

A soldadura por ultra-sons também pode unir eficazmente termoplásticos e metais compatíveis. Devido à energia extremamente baixa necessária para uma soldadura forte, as micropeças requerem impulsionadores especializados de baixa energia e geradores de ultra-sons.

Colagem com solvente

Este método é frequentemente utilizado como um método rápido e de baixo investimento de capital para unir microcomponentes. O solvente selecionado deve ser compatível com o material a unir, especialmente quando o componente é utilizado para aplicações de implantes.

A utilização da colagem por solvente para acelerar o processo de montagem de grandes volumes é difícil porque o método não é facilmente automatizado e reprodutível, e é difícil de validar na gama de grandes volumes.

Rebitagem

A micro-rebitagem é um método muito económico de unir peças de polímero e metal. Por exemplo, em latas de baterias, a cravação ou o fecho é uma prática muito comum que produz uma boa vedação e evita que líquidos corrosivos saiam do recipiente da bateria.

Matrizes de estampagem progressiva de baixo custo para permitir um método moderadamente rápido de rebitagem de polímeros e metais, "dobrando" um material sob pressão noutro. A variação e mudança de material de lote para lote pode ser uma desvantagem deste método.

Ensaios

Um aspeto importante dos sistemas automatizados de micro-montagem é o ensaio, como a condutividade eléctrica, a fuga ou a deterioração da pressão e a resistência à rutura. Alguns destes ensaios são destrutivos e outros são não destrutivos.

A melhor forma de determinar se a montagem ou sub-montagem final está a funcionar corretamente é manter o controlo do processo de produção para cada componente que compõe a montagem.

A verificação estatística de cada componente e a revalidação da montagem evitarão testes e inspecções dispendiosos mais tarde na célula automatizada;

No entanto, por vezes, estas questões também podem ser inevitáveis, especialmente em aplicações de medicamentos implantáveis e críticos.

Teste de medição

Todos nós já ouvimos dizer que "se não se pode medir, não se pode fabricar". Nos dispositivos médicos e farmacêuticos, os componentes críticos podem ser uma questão de vida ou de morte, o que também significa que "se não se pode verificar, não se pode fabricar".

Se as peças forem fabricadas de forma consistente e verificadas, então os produtos comerciais moldagem por micro-injeção deveriam ser evitáveis. Mas raramente é possível garantir 100%.

Há muitas formas e meios de inspecionar peças e conjuntos de plástico com micro-recursos. Algumas podem ser inspeccionadas com uma câmara de alta resolução para verificar as caraterísticas do produto ou o acabamento da superfície.

Alguns exigem a digitalização a laser 3D para verificar algumas dimensões críticas. Outras ainda requerem uma câmara de alta velocidade para mostrar se o pó ou o polímero de cristais líquidos foi dispensado na dosagem correta.