Eine weiche Werkzeuge Prozesskette für das Spritzgießen von ein 3D-Bauteil mit Micro Säulen
4. August 2018
Ein Protokoll für die Herstellung von Spritzguss-Einsätze für komplexe Geometrie mit Mikro-Features auf Oberflächen mit Additive Manufacturing (AM) wird vorgestellt.
Diese Methode kann dazu beitragen, wichtige Fragen im Fertigungsbereich zu beantworten, z. B. wie die Bearbeitungszeit und die Kosten für die Pilotproduktion reduziert werden können. Der Hauptvorteil dieser Technik besteht darin, dass dank der additiven Fertigung Mikromerkmale auf den Oberflächen komplexer Teile erzielt werden können. Dr. David Bue Pedersen, ein leitender Forscher, und Federico, ein Doktorand, und Michael, ein Techniker, werden die Spritzgussteile vorführen.
Verwenden Sie zunächst eine computergestützte Konstruktionssoftware, um den Einsatz zu entwerfen. Hier sind Darstellungen der beweglichen Seite und der Einspritzseite einer Form, um den Ring mit vier Zinken herzustellen. Die Zinken stehen in einem Winkel von 60 Grad.
Die Fertigungstoleranz beträgt 1/20 Millimeter. Bereiten Sie als Nächstes das Harz für die Photopolymerisation vor. Mischen Sie die Bestandteile 30 Minuten lang gründlich in einem Mischgerät.
Wählen Sie für die Herstellung eine Photopolymerisationsmaschine. Überprüfen Sie die Bauphase und stellen Sie sicher, dass die Maschine für den Fertigungsschritt richtig eingerichtet ist. Importieren Sie das Design, und führen Sie den Build mit der höchsten vertikalen Computerauflösung aus.
Nehmen Sie nach der Herstellung die bedruckten Einsätze, um sie zu reinigen. Legen Sie sie dreimal drei Minuten lang in Isopropanol in ein Ultraschallbad. Nachdem das Lösungsmittel bei Raumtemperatur verdampft ist, legen Sie die Einsätze in einen Exsikkator mit Raumtemperatur.
Bergen Sie die Einsätze und härten Sie sie zweimal mit UV-Taschenlampen aus. Wenn Sie fertig sind, entfernen Sie die Einsätze. Dies ist ein Beispiel für die Einfügungen an dieser Stelle.
Um sie zu beurteilen, verwenden Sie ein Laserscanning-Digitalmikroskop. Messen Sie den Durchmesser und die Tiefe von vier Löchern in der Nähe des Anschnitts auf dem Einsatz der beweglichen Seite und auf der Injektionsseite. Führen Sie außerdem Messungen an vier Löchern durch, die weit vom Tor entfernt sind.
Diese Mikroskopbilder zeigen Beispiele für den beweglichen Seiteneinsatz und den Injektionsseiteneinsatz in diesem Stadium. Das REM-Bild veranschaulicht die Oberflächenqualität. Arbeiten Sie mit einer herkömmlichen Spritzgießmaschine.
Stellen Sie sicher, dass das Mikroinjektionsmodul installiert ist. Arbeiten Sie dann mit den Einsätzen und Formplatten. Befüllen Sie dann den Trichter mit Polyethylengranulat.
Stellen Sie an den Steuerungen die Maschinenparameter ein und lassen Sie die Abkühlzeit für das zu entformende Teil zu. Erhitzen Sie die Schraube in der ersten bis fünften Sitzung. Wenn die Schmelztemperatur 175 Grad Celsius beträgt, beginnen Sie mit dem präzisen Spritzgießen.
Sobald der Hohlraum gefüllt ist, halten Sie einen Packungsdruck von 300 bar für fünf Sekunden aufrecht. Öffnen Sie als Nächstes die Form. Lassen Sie den Auswurfstift das Teil herausdrücken.
Dies ist ein Beispiel für das Teil, das mit diesem Protokoll geformt wurde. Hundert Zyklen wurden ausgeführt. Um die Formteile zu beurteilen, kehren Sie zum Laserscanning-Digitalmikroskop zurück.
Säulen werden auf der Oberfläche erhalten. Messen Sie den Durchmesser und die Höhe der Pfeiler auf den Gleislinien auf zwei Flächen in unterschiedlichen Abständen vom Tor. Dabei handelt es sich um eine rasterelektronenmikroskopische Aufnahme der Einsatzoberfläche, die durch additive Fertigung hergestellt wurde.
Zum Vergleich hier ein REM-Bild des im Spritzgussverfahren hergestellten Polyethylenteils. Die Nennabmessungen der Löcher am Einsatz betragen 200 Mikrometer im Durchmesser und 200 Mikrometer in der Tiefe. Dabei handelt es sich um einen Vergleich der Säulenhöhe dividiert durch die Tiefe des Lochs, der als Replikationsgrad der Säulenhöhe bezeichnet wird.
Die Chargen sind in Gruppen von 10 in der Reihenfolge, die im Lauf von 100 produzierten Teilen produziert wird. Die Werte stammen aus einer zufällig ausgewählten Stichprobe aus jeder Gruppe. Verschiedenfarbige Balken beziehen sich auf unterschiedliche Positionen auf der Einlage.
Hier ist ein analoges Diagramm für den Replikationsgrad des Säulendurchmessers. Der Durchmesser der Säule geteilt durch den Lochdurchmesser. Diese Diagramme zeigen, dass der Prozess an jeder Position über einen Zeitraum von 100 Zyklen stabil war.
Die Abmessungen der Löcher an den Teilen blieben nach dem Spritzgießen unverändert, was die Schlussfolgerung unterstützt. Diese Technik ebnete den Weg für Forscher in der Herstellung und Polymerverarbeitung, um den Soft-Tooling-Prozess zu erforschen. Sie ermöglicht die Erstellung von Microfeatures auf Freiformflächen auf der neuen Produktionsplattform, die den Anforderungen der Industrie gerecht wird.
Übersicht
In diesem Artikel wird ein Protokoll zur Herstellung von Spritzguss-Einsätzen mithilfe additiver Fertigungstechniken vorgestellt. Die Methode ermöglicht die Erzeugung von Mikrostrukturen auf komplexen Geometrien und löst damit zentrale Herausforderungen der Fertigung.
Wesentliche Studienkomponenten
Bereich der Wissenschaft
- Herstellung
- Additive Fertigung
- Spritzguss
Hintergrund
- Mikrostrukturen können die Funktionalität komplexer Bauteile verbessern.
- Die Reduzierung von Bearbeitungszeit und Kosten ist entscheidend für die Pilotfertigung.
- Der additive Fertigungsprozess ermöglicht die präzise Herstellung komplexer Geometrien.
- Der Einsatz computergestützter Konstruktion ist in diesem Verfahren unerlässlich.
Zweck der Studie
- Entwicklung einer zuverlässigen Methode zur Herstellung von Spritzguss-Einsätzen.
- Nachweis der Wirksamkeit der additiven Fertigung bei der Erzeugung mikroskopischer Strukturen.
- Vorlage eines detaillierten Protokolls für Forschende im Bereich Fertigung und Polymerverarbeitung.
Verwendete Methoden
- Entwurf von Inserts mithilfe einer computergestützten Konstruktionssoftware.
- Vorbereitung des Harzes für die Photopolymerisation und Nutzung einer Photopolymerisationsanlage.
- Reinigung und Aushärtung der hergestellten Inserts.
- Durchführung von Messungen mit einem digitalen Laser-Scanning-Mikroskop.
Hauptergebnisse
- Das Protokoll erzeugte erfolgreich Mikrostrukturen auf den Inserts.
- Die Messungen zeigten stabile Abmessungen über alle Produktionszyklen hinweg.
- REM-Aufnahmen belegten die Qualität der hergestellten Oberflächen.
- Die Methode unterstützt die Erforschung von Soft-Tooling-Verfahren in der Fertigung.
Schlussfolgerungen
- Diese Methode ermöglicht die Herstellung komplexer Geometrien mit mikrostrukturierten Merkmalen.
- Sie erfüllt industrielle Anforderungen an Präzision in der Fertigung.
- Forscher können diese Technik nutzen, um weitere Fortschritte in der Polymerverarbeitung zu erzielen.
Häufig gestellte Fragen
Ausschlaggebende Bedeutung für die Industrie
Diese Methode der weichen Werkzeugherstellung ermöglicht die kostengünstige Produktion mikrostrukturierter Bauteile für die Pilotfertigung und löst damit ein kritisches Engpassproblem in der frühen Entwicklungsphase von Geräten. Durch den Einsatz additiver Fertigung für Spritzguss-Einsätze können Biopharma-Forschungs- und Entwicklungsgruppen Mikrofluidik- oder Lab-on-a-Chip-Plattformen mit komplexen Geometrien und funktionalen Oberflächenstrukturen schnell prototypisch herstellen. Dieser Ansatz verkürzt die Vorlaufzeit und senkt die Werkzeugkosten, unterstützt gleichzeitig die iterative Validierung des Designs, bevor in teure Werkzeuge für die Serienfertigung investiert wird.
Strategische Anwendungen in der Biopharma-Forschung und -Entwicklung
Frühe Entdeckung und Zielvalidierung
- Wissenschaftlicher Wert: Ermöglicht die Herstellung mikrofluidischer Vorrichtungen mit präzisen Mikrosäulen-Anordnungen für Anwendungen in der Einzelzellanalyse oder Biomarker-Screening.
- Operativer Wert: Unterstützt die schnelle Iteration von Gerätegeometrien zur Optimierung der Fluidströmung und Oberflächenwechselwirkungen in der frühen Assay-Entwicklung.
Screening und Assay-Entwicklung
- Wissenschaftlicher Wert: Erzeugt reproduzierbare Mikrostrukturen auf komplexen Oberflächen und gewährleistet damit eine konsistente Flüssigkeitsführung sowie konstante Oberfläche-zu-Volumen-Verhältnisse, die für die Empfindlichkeit von Assays entscheidend sind.
- Operativer Wert: Ermöglicht eine stabile Dimensionsreplikation über 100 Spritzgusszyklen hinweg und unterstützt somit zuverlässige Screening-Abläufe mit mittlerer Durchsatzleistung.
Translationale und präklinische Forschung
- Wissenschaftlicher Wert: Ermöglicht die Übersetzung mikrostrukturierte Designs von der Entdeckung zur präklinischen Prüfung, indem die Pilotfertigung funktioneller Prototypen erleichtert wird.
- Operativer Wert: Verringert die Abhängigkeit von herkömmlichem CNC-Fräsen und beschleunigt so die Zeitspannen für die Prototypenerstellung bei gerätebasierten therapeutischen oder diagnostischen Plattformen.
Pipeline- und Workflow-Integration
Diese Methode fügt sich in die Kontinuum von der Entdeckung bis zur präklinischen Phase ein, indem sie das schnelle Prototyping mikrofluidischer Komponenten ermöglicht, die bei der Target-Validierung, der Optimierung von Assays sowie der frühen präklinischen Bewertung von Gerät-Wirkstoff-Kombinationen zum Einsatz kommen.
- Entdeckungsbiochemie: Unterstützt die Hypothesenprüfung durch anpassbare Mikroumgebungen, die physiologische Nischen oder zelluläre Interaktionsmuster nachahmen.
- Screening: Ermöglicht die standardisierte Herstellung von assayskompatiblen Substraten mit quantifizierbaren Oberflächentopographien für Substanz- oder zellbasierte Screenings.
- Analytik: Liefert messbare Ergebnisse wie den Reproduktionsgrad der Säulenhöhe und -durchmesser und ermöglicht so eine quantitative Bewertung der Prozessgenauigkeit über mehrere Produktionsdurchläufe hinweg.
- Translationale Forschung: Verbindet Design und Validierung, indem Teile im Pilotmaßstab hergestellt werden, die geometrische und Oberflächentreue für präklinische Machbarkeitsstudien bewahren.
- Unternehmensweite Wiederverwendung: Schafft einen wiederverwendbaren Workflow für weiche Formwerkzeuge für iterative Designzyklen in mehreren Projekten der mikrofluidischen Geräteentwicklung.
Operative und unternehmerische Auswirkungen
- Wissenschaftlicher Wert: Steigert die Vorhersagesicherheit bezüglich der Geräteleistung, indem eine präzise Reproduktion mikroskopischer Strukturen ermöglicht wird, die für die biologische Funktion entscheidend sind.
- Operativer Wert: Verringert im Vergleich zu herkömmlichen Werkzeugen die Bearbeitungszeit und die Kosten und erhöht so den Durchsatz in der Prototypenphase.
- Strategischer Wert: Verbessert die Entscheidungsfindung hinsichtlich der Weiterentwicklung, indem eine frühzeitige Bewertung der Herstellbarkeit und der funktionellen Leistung mikrostrukturierter Geräte ermöglicht wird.
- Portfolio-Wirkung: Unterstützt die risikoadjustierte Weiterentwicklung, indem die Produktionsfähigkeit vor Investitionen in feste Werkzeuge für die Hochskalierung validiert wird.
Durchführungsaspekte
- Erfordert Fachkenntnisse in additiver Fertigung, Photopolymerisation und Prozesssteuerung beim Spritzgießen.
- Setzt Zugang zu DLP-basierten 3D-Druckern und kompatiblen hochtemperaturbeständigen Photopolymeren voraus.
- Benötigt standardisierte Nachbearbeitungsschritte, einschließlich Ultraschallreinigung, UV-Aushärtung und dimensionsgenauer Messtechnik mittels Laserscanmikroskopie.
- Eingeschränkt durch die Lebensdauer des Einsatzes, wodurch das Verfahren am besten für die Pilotfertigung und nicht für die Serienproduktion geeignet ist.
- Erfordert eine abgestimmte Zusammenarbeit zwischen Konstruktion, Fertigung und Qualitätssicherung, um die genaue Reproduzierbarkeit mikroskopischer Strukturen über verschiedene Produktionschargen hinweg sicherzustellen.
