Une chaîne de processus doux outillage de moulage par Injection d’un composant 3D avec Micro piliers
4 août 2018
Un protocole de fabrication d’inserts pour des géométries complexes avec des caractéristiques micro sur surfaces employant additif de fabrication (AM) de moulage par injection est présenté.
Cette méthode peut aider à répondre à des questions clés dans le domaine de la fabrication, telles que la réduction du temps et des coûts d’usinage pour la production pilote. Le principal avantage de cette technique est qu’il est possible d’obtenir des microcaractéristiques sur les surfaces de pièces complexes grâce à la fabrication additive. Le démonstrateur de la partie fabrication additive sera le Dr David Bue Pedersen, qui est chercheur principal et Federico, qui est doctorant, Michael, qui est technicien, s’occupera des pièces de moulage par injection.
Tout d’abord, utilisez un logiciel de conception assistée par ordinateur pour concevoir l’insert. Voici des représentations du côté mobile et du côté injection d’un moule pour produire l’anneau à quatre dents. Les dents sont à un angle de 60 degrés.
La tolérance de fabrication est de 1/20e de millimètre. Ensuite, préparez la résine pour la photopolymérisation. Mélangez soigneusement ses composants dans un appareil de mélange pendant 30 minutes.
Pour la fabrication, choisissez une machine de photopolymérisation. Inspectez l’étape de construction et assurez-vous que la machine est correctement configurée pour l’étape de fabrication. Importez la conception et exécutez la construction à la résolution verticale la plus élevée de la machine.
Après la fabrication, prenez les encarts imprimés pour les nettoyer. Placez-les dans de l’isopropanol dans un bain à ultrasons pendant trois minutes, trois fois. Une fois que le solvant s’est évaporé à température ambiante, placez les inserts dans un dessiccateur à température ambiante.
Récupérez les inserts et durcissez-les deux fois avec des lampes de poche UV. Une fois terminé, retirez les inserts. Voici un exemple des inserts à ce stade.
Pour les évaluer, utilisez un microscope numérique à balayage laser. Mesurez le diamètre et la profondeur de quatre trous près de la porte sur l’insert du côté mobile et du côté de l’injection. De plus, effectuez des mesures sur quatre trous loin de la porte.
Ces images microscopes fournissent des exemples de l’insert latéral mobile et de l’insert latéral d’injection à ce stade. L’image MEB illustre la qualité de surface. Travaillez avec une machine de moulage par injection conventionnelle.
Assurez-vous que le module de micro-injection est installé. Ensuite, travaillez avec les inserts et les plaques de moule. Ensuite, chargez la trémie avec des granulés de polyéthylène.
Aux commandes, réglez les paramètres de la machine et prévoyez un temps de refroidissement pour la pièce à démouler. Chauffez la vis de la première à la cinquième séance. Lorsque la température de fusion est de 175 degrés Celsius, démarrez le moulage par injection précis.
Une fois la cavité remplie, maintenez une pression d’emballage de 300 bars pendant cinq secondes. Ensuite, ouvrez le moule. Laissez la goupille d’éjection pousser la pièce vers l’extérieur.
Voici un exemple de la pièce moulée avec ce protocole. Cent cycles ont été exécutés. Pour évaluer les pièces moulées, retournez au microscope numérique à balayage laser.
Les piliers sont obtenus en surface. Mesurez le diamètre et la hauteur des piliers sur les lignes à chenilles sur deux zones à différentes distances de la porte. Il s’agit d’une image en micrographie électronique à balayage de la surface de l’insert fabriquée par fabrication additive.
À titre de comparaison, voici une image MEB de la pièce en polyéthylène produite par moulage par injection. Les dimensions nominales des trous sur l’insert sont de 200 micromètres de diamètre et de 200 micromètres de profondeur. Il s’agit d’une comparaison de la hauteur du pilier divisée par la profondeur du trou, appelée degré de réplication de la hauteur du pilier.
Les lots sont par groupes de 10 dans l’ordre produit en série de 100 pièces produites. Les valeurs proviennent d’un échantillon choisi au hasard dans chaque groupe. Des barres de différentes couleurs font référence à différentes positions sur l’insert.
Voici un graphique analogue pour le degré de réplication du diamètre du pilier. Le diamètre du pilier divisé par le diamètre du trou. Ces graphiques démontrent que le processus était stable à chaque position au cours de 100 cycles.
La dimension des trous sur les pièces est restée inchangée après le moulage par injection, ce qui confirme la conclusion. Cette technique a ouvert la voie aux chercheurs dans le domaine de la fabrication et du traitement des polymères pour explorer le processus d’outillage souple. Il permet de créer des microcaractéristiques sur des surfaces de forme libre sur la nouvelle plateforme de production qui répond aux demandes industrielles.
Aperçu
Cet article présente un protocole de fabrication d'inserts pour le moulage par injection à l'aide de techniques de fabrication additive. La méthode permet la création de microstructures sur des géométries complexes, répondant ainsi à des défis clés de fabrication.
Composantes clés de l'étude
Domaine scientifique
- Production
- Production additive
- Moulage par injection
Contexte
- Les microstructures peuvent améliorer la fonctionnalité des pièces complexes.
- La réduction du temps et des coûts d'usinage est cruciale pour la production pilote.
- La fabrication additive permet la réalisation précise de conceptions complexes.
- L'utilisation de la conception assistée par ordinateur est essentielle dans ce processus.
Objectif de l'étude
- Développer une méthode fiable pour la fabrication de pièces rapportées pour le moulage par injection.
- Démontrer l'efficacité de la fabrication additive dans la production de microstructures.
- Fournir un protocole détaillé aux chercheurs en fabrication et en transformation des polymères.
Méthodes utilisées
- Concevoir des inserts à l'aide d'un logiciel de conception assistée par ordinateur.
- Préparer la résine pour la photopolymérisation et utiliser une machine de photopolymérisation.
- Nettoyer et durcir les inserts fabriqués.
- Effectuer des mesures à l'aide d'un microscope numérique à balayage laser.
Résultats principaux
- Le protocole a permis de produire avec succès des microstructures sur les inserts.
- Les mesures ont indiqué des dimensions stables tout au long des cycles de production.
- Les images MEB ont démontré la qualité des surfaces fabriquées.
- La technique permet d'explorer les procédés de moules souples en fabrication.
Conclusions
- Cette méthode permet la création de géométries complexes dotées de microstructures.
- Elle répond aux exigences industrielles en matière de précision en fabrication.
- Les chercheurs peuvent exploiter cette technique pour des progrès supplémentaires dans le traitement des polymères.
Questions fréquemment posées
Pertinence industrielle pour les cadres
Cette chaîne de procédés utilisant des outillages souples permet une production rentable de composants microstructurés à l’échelle pilote, en surmontant un goulot d’étranglement critique lors du développement précoce de dispositifs. En exploitant la fabrication additive pour réaliser des inserts de moulage par injection, les équipes de recherche et développement en biopharmacie peuvent rapidement concevoir des prototypes de plates-formes microfluidiques ou « laboratoire-sur-puce » présentant des géométries complexes et des caractéristiques fonctionnelles de surface. Cette approche réduit les délais d’approvisionnement et les coûts d’outillage, tout en permettant une validation itérative des conceptions avant de passer à la fabrication d’outillages destinés à une production à grande échelle.
Applications stratégiques en recherche et développement en biopharmaceutique
Début de la découverte et validation de la cible
- Valeur scientifique : Permet la fabrication de dispositifs microfluidiques comportant des réseaux précis de micro-piliers pour des applications d'analyse de cellules uniques ou de criblage de biomarqueurs.
- Valeur opérationnelle : Facilite l'itération rapide des géométries de dispositifs afin d'optimiser les dynamiques des fluides et les interactions de surface lors du développement précoce des tests.
Développement de tests et de criblages
- Valeur scientifique : Produit des microstructures reproductibles sur des surfaces complexes, assurant une manipulation fiable des fluides et des rapports surface sur volume constants, essentiels à la sensibilité des tests.
- Valeur opérationnelle : Assure une réplication dimensionnelle stable sur plus de 100 cycles de moulage par injection, permettant des flux de travail fiables pour le criblage à débit moyen.
Recherche translationnelle et préclinique
- Valeur scientifique : Facilite la traduction des conceptions microtechnologiques du stade de découverte à celui des essais précliniques en permettant la production pilote de prototypes fonctionnels.
- Valeur opérationnelle : Réduit la dépendance à l'égard de l'usinage CNC traditionnel, accélérant ainsi les délais de prototypage pour les plateformes thérapeutiques ou diagnostiques basées sur des dispositifs.
Intégration des pipelines et des flux de travail
Cette méthode s'inscrit dans le continuum découverte-préclinique en permettant la conception rapide de composants microfluidiques utilisés dans la validation de cibles, l'optimisation des tests et l'évaluation précoce préclinique de combinaisons dispositif-médicament.
- Biologie de la découverte : Permet la validation d'hypothèses grâce à des microenvironnements personnalisables qui imitent des niches physiologiques ou des schémas d'interaction cellulaire.
- Criblage : Permet la production normalisée de substrats compatibles avec les tests, présentant des topographies de surface quantifiables, pour des criblages de composés ou cellulaires.
- Analyse : Fournit des paramètres mesurables tels que le degré de réplication de la hauteur et du diamètre des piliers, permettant une évaluation quantitative de la fidélité du procédé entre différentes campagnes de production.
- Recherche translationnelle : Relie conception et validation en produisant des pièces à l'échelle pilote qui conservent la fidélité géométrique et de surface pour des études précliniques de faisabilité.
- Réutilisation en entreprise : Met en place un flux de travail réutilisable de moules souples pour des cycles itératifs de conception dans plusieurs projets de développement de dispositifs microfluidiques.
Impact opérationnel et organisationnel
- Valeur scientifique : Renforce la confiance prédictive dans les performances du dispositif en permettant la reproduction précise de microcaractéristiques essentielles à la fonction biologique.
- Valeur opérationnelle : Réduit le temps et le coût d'usinage par rapport aux outillages conventionnels, augmentant ainsi le débit lors des phases de prototypage.
- Valeur stratégique : Améliore les décisions d'aller/arrêt en permettant une évaluation précoce de la fabricabilité et des performances fonctionnelles des dispositifs microstructurés.
- Impact sur le portefeuille : Favorise un développement ajusté au risque en validant la faisabilité de production avant tout investissement dans un outillage définitif pour le passage à l'échelle.
Considérations relatives à la mise en œuvre
- Nécessite une expertise en fabrication additive, photopolymérisation et maîtrise des procédés de moulage par injection.
- Dépend de l'accès à des imprimantes 3D basées sur la technologie DLP et à des photopolymères compatibles à haute température.
- Exige un post-traitement standardisé incluant un nettoyage par ultrasons, une réticulation UV et une métrologie dimensionnelle par microscopie de balayage laser.
- Limité par la durée de vie des inserts, ce qui le rend plus adapté à une production pilote qu'à une fabrication à grand volume.
- Requiert une coordination transversale entre les équipes de conception, de fabrication et de contrôle qualité afin d'assurer la fidélité de la reproduction des microstructures entre les différentes séries de production.
