Производители медицинского оборудования, электроники и биофармацевтических препаратов нуждаются в новых микроинжекционное формование для создания более компактных и компактных микроустройств. Компоненты, изготовленные методом микролитья под давлением, могут быть такими же маленькими, как пылинка.

Что такое компонент, изготовленный методом микроинжекционного литья?

Многие новые достижения в области микролитьевое формование Методы позволили разработать и изготовить микроформы, позволяющие осуществлять микроинжекционное формование термопластов, силиконов и металлических порошков.

Эти вычисления способствовали разработке минимально инвазивных медицинских и фармацевтических микроустройств по всему миру.

В этой статье описываются многие из основных факторов и проблем, с которыми приходится сталкиваться, а также решения, способствующие успеху микроустройств и компонентов традиционного производства. литьё под давлением.

Проблемы микроформовки

Большинство микропродуктов начинаются с решения экстремальных задач. Обычно они представляют собой уменьшенные версии аналогичных продуктов, представленных на рынке.

Микрокомпоненты становятся все более сложными, поскольку они устанавливаются в крошечные и деликатные артерии, насосы, катетеры или эндоскопы, а внутри них могут находиться микрокомпоненты, которые должны работать.

Они часто имеют сложную геометрию, потому что когда-то были разработаны из двух или более компонентов, но в результате снижения стоимости были сведены к одному компоненту, чтобы их не нужно было собирать под микроскопом.

Для таких устройств могут потребоваться лекарственные препараты, которые непосредственно соединяются с полимерами, металлами или мембранами или добавляются к ним, а также рабочие шестеренки, рычаги и приводные механизмы, чтобы устройство работало многократно и имело надежный срок службы.

Учитывая эти особенности и требование, что эти устройства могут быть непосредственно имплантированы в человеческое тело, важно разработать эти устройства надежными и хорошо протестировать их на предмет формы, посадки и функциональности.

Анализ течения в микроинжекционных пресс-формах

Поскольку микроформы и прототипы деталей являются дорогостоящими в своем цикле разработки, анализ моделирования потока в микроформе может обеспечить моделирование ожидаемого заполнения на основе конкретной конструкции.

При сравнении традиционно формованных и микроформованных деталей очень часто предполагается, что микродетали могут быть заполнены с помощью того же программного обеспечения и того же подхода к моделированию.

Например, анализ потока через типичный 500-микронный затвор будет сильно отличаться от моделирования потока через 75-микронный затвор.

Основное отличие заключается в том, что кроме микрозатвора при прохождении через небольшое отверстие будет выделяться больше тепла, вызванного сдвигом.

Поэтому сетка твердотельной модели должна иметь очень высокое разрешение, чтобы определить, что происходит в области затвора и тонких стенок.

Сетки твердых моделей, используемые при моделировании течения в пресс-форме, требуют сеток размером в несколько микрон, в то время как в деталях они составляют десятки микрон.

Затворы в микроформованных компонентах должны быть правильно подобраны по размеру, чтобы избежать чрезмерной тепловой нагрузки на материал, поступающий в полость.

Для термочувствительных материалов, таких как биорассасывающиеся и биофармацевтические полимеры, важно понимать взаимосвязь между временем удержания материала в стволе, сопле и горячем конвейере и дополнительным теплом, которое может быть передано материалу в процессе впрыска.

Иногда материал определяет выбор процесса, а иногда процесс определяет выбор материала.

Среди широко используемых материалов для микроформовки - PEEK, PLA, PGA, LSR, полиэтилен, полипропилен, поликарбонат, LCP, PMMA, циклические олефиновые сополимеры (COCs) и нержавеющая сталь (литье металлов под давлением).

Формы для микроинжекции

После того как дизайн изделия и выбор материала определены, наступает время изготовления пресс-форма для микроинжекционного блока.

Независимо от того, какой материал используется - термопластик, силикон или металлический порошок, - пресс-форма является самым важным компонентом для достижения успеха.

Поскольку изделие и пресс-форма настолько малы (как показано ниже), то и допуски на размеры становятся меньше. Пресс-форма должна соответствовать 25% допуску детали, чтобы обеспечить хорошее окно обработки.

Допуск изделия составляет ±0,01 мм, а допуск пресс-формы должен быть ±0,003 мм для достижения хорошего технологического окна.

Такие допуски труднодостижимы для обычного изготовителя пресс-форм по двум основным причинам.

1.Они не могут измерять ±0,003 мм и, следовательно, не могут их проверять.

2.У них нет оборудования или навыков для достижения этих допусков.

Бегуны для микромолдинга

При автоматизированной сборке они могут использоваться в качестве ручек для удержания деталей на месте, или же на бегунок могут быть добавлены специальные точки позиционирования, которые помогут нам разместить деталь в сборочном гнезде.

Линия разделения микролитья под давлением

Прощальная линия микроинжекционная пресс-форма связано с размером микродетали. Разница в 10 микрон на линии разъема может легко нарушить сборку изделия.

Склон для выпуска микроинжекционных форм

Конечно, чем больше уклон выпуска, тем лучше, но наименьшая конусность может составлять всего 0,2 градуса. Любая такая конусность может вызвать затруднения при обработке деталей, изготовленных методом литья под давлением. Помещение микродетали на конус может создать неровную поверхность, которая будет мешать сборке.

Положение затвора микроинъекции

Как и в случае с обычными литьевые формыЦель выбора расположения литника для микроинжекционных пресс-форм - обеспечить равномерный поток пластика в полости.

В противном случае детали могут быть недостаточно заполнены и могут повредить прецизионные штифты и элементы полости пресс-формы.

Остатки микроформовки

В большинстве микроформованных деталей используются краевые затворы. В этом случае их необходимо правильно удалять из затвора, чтобы избежать проблем с мелкими материалами, вызывающими повреждение артерий (имплантируемые медицинские устройства) или проблемы с автоматизацией и сборкой.

Эти проблемы можно решить при проектировании пресс-формы, сделав углубление в толщине стенки, чтобы остатки затвора оказались под поверхностью направляющей или сопрягаемой детали в сборке.

Процесс микроформовки Отделка поверхности

Часто упускается из виду важность обработки поверхности формованной детали для удержания или направления элементов в другие элементы во время сборки.

Например, некоторые продукты требуют более шероховатой поверхности для лучшей адгезии. Гладкая поверхность может вызвать ряд проблем при извлечении из литьевая форма и требует компромисса.

Процесс микроинжекционного формования

Поскольку точность изделия, изготовленные методом микроинжекционного формования часто находится в диапазоне нескольких микрон, существует несколько проблем, связанных с достижением хорошей повторяемости размеров деталей, изготовленных методом литья под давлением.

Одно дело - создать красивые острые углы и полости в стальной форме (радиусом менее 1 микрона), и совсем другое - заполнить эти крошечные пространства полимером.

Микроформы требуют правильной вентиляции и иногда использования очень тонких ламинатов для обеспечения правильной вентиляции и заполнения углублений.

Типичное давление впрыска в микроформованные детали составляет от 30 000 до 50 000 фунтов на квадратный дюйм, что требует тонкой балансировки, чтобы заполнить под нужным давлением и не повредить крошечные, тонкие как волос стержни.

Детали размером с пылинку с очень тонкими стенками (0,001-0,0015 дюйма) требуют исключительной точности центровки полости и сердечника по линии раздела.

Повреждение микроядерного штифта может произойти, если полимер охлаждается в незаполненных условиях или если деталь заполнена с одной стороны больше, чем с другой.

Эта проблема может быть решена путем быстрого наполнения за короткое время (обычно <0,1 секунды) и при высоком давлении.

Микроформеры должны быть способны вводить очень малые количества клея и поддерживать минимальное время удержания пластика в бочке. Это особенно важно для биорезорбируемых полимеров (PLA, PGA) с высокой чувствительностью к сдвигу и нагреву.

Для обеспечения точности заполнения, обработки, распаковки, измерения и сборки этих крошечных устройств также требуются специализированные винты, насадки и вспомогательное оборудование.

Сборка и обработка

Сборка геометрии из минимального количества деталей для микросборки - очень стоящая задача, поскольку их сборка, соединение в гнезда и присоединение к другим деталям из аналогичных или других материалов может оказаться гораздо дороже, чем затраты времени на этапе проектирования.

Вторичное микроформирование

Процесс впрыска двух разных материалов в две разные формы в двух разных местах или использование вращающейся формы для впрыска двух разных материалов в одно и то же место для получения комбинированной геометрии и материала.

Например, если для поршня насоса требуется уплотнение или силиконовая прокладка, проще вторично отформовать прокладку в кольцевую канавку в той же пресс-форме, что и поршень, чем устанавливать уплотнительное кольцо в прецизионный механизм, зажимать кольцо ножницами и устанавливать его на поршень.

Лазерная сварка

Если трехмерная геометрия не может быть объединена вторичной формовкой, а прочность материала позволяет это сделать, лазерная сварка - хороший способ соединения миниатюрных деталей.

Точно контролируемая энергия и плотность мощности лазера также может использоваться для выборочной очистки и снятия изоляции с таких материалов, как проволока, быстро и без разрушения.

Ультразвуковая сварка

Ультразвуковая сварка также может эффективно соединять термопласты и совместимые металлы. Из-за крайне низкой энергии, необходимой для сильной сварки, для микродеталей требуются специализированные низкоэнергетические ускорители и ультразвуковые генераторы.

Связывание с помощью растворителя

Этот метод часто используется как быстрый и не требующий больших капиталовложений способ соединения микрокомпонентов. Выбранный растворитель должен быть совместим с соединяемым материалом, особенно если компонент используется для имплантации.

Использование склеивания с помощью растворителя для ускорения процесса сборки в больших объемах затруднено, поскольку этот метод нелегко автоматизировать и воспроизвести, а также трудно проверить его эффективность в больших объемах.

Клепка

Микрозаклепки - это очень недорогой метод соединения полимерных и металлических деталей. Например, в банках для аккумуляторов обжим или замок - очень распространенная практика, которая обеспечивает хорошую герметичность и предотвращает вытекание агрессивных жидкостей из контейнера.

Недорогие штампы для прогрессивной штамповки, позволяющие умеренно быстро скреплять полимеры и металлы путем "складывания" одного материала под давлением в другой. Недостатком этого метода может быть разброс и изменение материала от партии к партии.

Тестирование

Важным аспектом автоматизированных систем микросборки являются испытания, такие как электропроводность, утечка или снижение давления, прочность на разрыв. Некоторые из этих испытаний являются разрушающими, а некоторые - неразрушающими.

Лучший способ определить, правильно ли работает конечная сборка или подсборка, - это контроль производственного процесса для каждого компонента, входящего в сборку.

Статистическая проверка каждого компонента и повторная проверка сборки позволят избежать дорогостоящих испытаний и проверок на последующих этапах автоматизированного производства;

Однако иногда эти проблемы могут быть неизбежны, особенно при имплантации и применении критических лекарств.

Тестовое измерение

Все мы слышали, что "если не можешь измерить, то не можешь и произвести". В медицинских и фармацевтических устройствах критические компоненты могут быть вопросом жизни и смерти, что также означает "если вы не можете проверить, вы не можете произвести".

Если детали производятся последовательно и проверено, то коммерческие микролитьевое формование системы должны быть исключены. Но редко можно гарантировать 100%.

Существует множество способов и средств проверки микродеталей и узлов из пластика. Некоторые из них можно осмотреть с помощью камеры высокого разрешения, чтобы проверить характеристики изделия или качество обработки поверхности.

Некоторые требуют трехмерного лазерного сканирования для проверки некоторых критических размеров. Другие требуют высокоскоростной камеры, чтобы показать, правильно ли дозирован порошок или жидкокристаллический полимер.