Пластмаси.Леене под налягане.Микролеене под налягане.

Източник:https://www.ptonline.com/articles/secrets-of-success-in-micro-molding

Автор: Donna Bibber

 

Бел. на преводача: В материала се разглежда микролеенето под налягане. Не ми е известно доколко тази технология се ползва у нас.Все пак се надявам изложеното по-долу да е от полза за колегите от бранша.

Производителите на медицинска апаратура,електроника и биофармацевтичната промишленост имат нужда от нови изделия,произведени чрез микролеене под налягане,за да създадат по-малки по размер,по-малко инвазивни и/или спестяващи пространство уреди.Компонентите,получени по този метод може да са малки колкото прашинка и/или  да имат съставни части с такава големина.Високотехнологичните микро-изделия могат да имат лети съставни части като вдлъбнатини с дълбочина и  диаметър 3 микрона.Върху повърхност с размера на микроскопска плака може да има повече от 80 милиона от тях/вж. фиг. 1 в оригиналния текст/.

Най-малките детайли са предизвикателство/създават трудности/ при монтаж,но също обикновено дават възможност/позволяват/ изделието да получи формата,да бъде годно/използваемо/ и да изпълнява функцията си.По същия начин инструментите/матриците/ за микролеене са изключително важни за/качеството,функционалността/ на изделието,като ги гарантират/осигуряват/.

Много нови постижения в технологиите за студена обработка на микроскопични детайли/от метал/ дават възможност да се конструират и изработват микро-матрици,които от своя страна дават възможност за извършване на микролеене на термопласти, силикони и метален прах.Това води до напредък навсякъде по света в областта на по-малко инвазивните медицински и фармацевтични микро-уреди/приспособления,устройства/.Тази статия дава поглед върху предизвикателствата и решенията на много от главните елементи на успеха при отливане на микро-детайли  и сглобени възли/ансамбли/.

П Р Е Д И З В И К А Т Е Л С Т В О Т О :

Създаването на повечето микро-изделия започва с големи предизвикателства.Рядко се случва те да могат да се внедрят в производство с първоначалната си конструкция или както са скицирани първоначално.Те често са умалени версии на нещо подобно,налично на пазара,но с няколко степени по-малко и/или изискват използване на експериментален материал,за да приемат например агент,освобождаващ лекарство,или за да придобият други специфични характеристики.

Сглобените от микро-детайли възли стават все по-сложни,за да могат да се използват/прилагат/ при фини и деликатни артерии,помпи,катетри или ендоскопи с реално работещи в тях меикро-компоненти.Тяхната геометрия/форма/ често поставя предизвикателства,тъй като са конструирани като два или повече компонента,но с оглед намаляване на разходите се сглобяват в едно изделие/.Те не се сглобяват под микроскоп.

/Бел.пр.: Тук вероятно става дума за това,че отделните микро-компоненти не се събират по отделно за следващо сглобяване,а се сглобяват непосредствено след като са произведени.Така се пестят средства за труд при сглобяване на толкова миниатюрни компоненти.Процеса е описан по-долу в текста./

В много случаи,както например при инхалатори за прахове,има повече от 20 микрокомпонента,реконструирани до по-малко от пет части.Към тези компоненти/съставни части може да има изискване лекарствата да са директно смесини с полимера,или добавени към него,към метали или мембрани;също може да има работещи зъбни колела,лостове и задвижващи механизми,за да може изделието да работи/да се ползва/ многократно и продължително.Като се имат предвид изброените по-горе функциии/на изделията/ и факта,че тези устройства може да са директно имплантирани в тялото,се вижда че е важно те да са разработени по надежден начин/способ/,да са преминали през съответни изпитания за форма,съответствие и функционалност.

 

АНАЛИЗИ НА МИКРО-ПОТОКА :

Тъй като в етапа  на разработване матриците и прототипите може да са доста скъпи, анализа на потока в микро-матрицата да осигурява сигурност относно това,че материала който е избран,ще запълни специфичната конструкция/форма/.Често/когато се сравняват изделия,произведени чрез конвенционално леене под налягане с такива,произведени чрез микро-леене/ се допуска,че запълването на микро-матриците може да се опише  със същия софтуер и същите методи на моделиране.

Например,анализа на потока на типичен отвор за впръскване/с размер 500 микрона-0,5 мм./,е доста различен от моделирането на потока през отвор за впръскване с размер 75 микрона/0,075 мм./.Разликата е,че в много по-малкия отвор за впръскване на микро-изделието стопилката/полимера/ е подложен на много по-силно нагряване,предизвикано от много по-високите срязващи напрежения,които възникват там/вж. фиг.2 под заглавието в оригиналния текст/. Това налага/както е показано на фиг.3/ мрежата/пикселите/ на компютърния модел трябва да е много по-гъста/съответно пикселите да са повече/.Иначе казано,резолюцията трябва да е възможно най-висока,за да се определи какво се случва в отвора за впръскване и в местата,където стените са най-тънки.Гъстотата на компютърната мрежа,използвана за симулиране на потока в матрицата за модел е от порядъка на микрони,докато за изделието се изисква мрежа с гъстота от порядъка на десетки микрони/т.е. по-малка гъстота/.

Друг важен фактор при  симулирането на запълването или охлаждането на матрицата са директните/непосредствени/ практически знания относно леенето под налягани и изработването на матрици.И най-талантливия специалист по компютърно моделиране няма да успее без знания по преработка на пластмаси,конструиране на микро-матрици,разполагане и оразмеряване на отвора за впръскване и геометрия на централния и страничните леяци.

От първостепенна важност са също знания относно спецификата на процеса и на материала.Отворите за впръскване при микро-изделия трябва да са правилно оразмерени,така че да се избегне излишно топлинно натоварване/топлинен стрес/ на материала/стопилката/,който постъпва в гнездото на матрицата.При преработване на чуствителни към топлина материали като биорезорбиращи и биофармацевтични полимери,времето на престой в цилиндъра на машината,дюзата и горещия леяк трябва да се разглеждат във връзка с породеното от този престой допълнително нагряване на материала по време на впръскването.

Понякога материала определя какъв процес да бъде избран,а в други случаи избора на материала се определя от процеса/който е избран, или който трябва да се ползва по необходимост/.Някои от често преработваните чрез микро-леене материали са : PEEK/полиетер-етер-кетон/,PLA/поли-млечна киселина/,PGA/lвероятно поли-пропилен-гликол?/,LSR/течен силиконов каучук/,полиетилен,полипропилен,поликарбонат,LCP/течни кристални полимери/,РММА/поли-метил-метакрилат/,циклични олефинови ко-полимери/COCs/ и неръждаема стомана/леене под налягане на метали/.

 

И Н С Т У М Е Н Т И /МАТРИЦИ/ :

Когато конструкцията и материала са съгласувани до състояние да се разходват средства за изпитване на компонентите,то е време да се изработи микро-матрицата.Ако материала е термопласт,силикон или метален прах,инструмента/матрицата/ е най-критичната съставка за постигане на успех.Микро-обработката/има се предвид студена обработка на металите/ е технология за изработване на поансони/на матрицата/ с размери на косъм,както и микро-канали и микро-гнезда/на матрицата/.

Тъй като изделията и матриците са много малки/вж. фиг.4. в оригиналния текст/,то и допустимите отклонения от размерите са по-малки, а инструмента трябва да се изработи с точност не повече от 25% от допустимите отклонения за готовото изделие.Така се осигурява добър „прозорец“ на процеса/областта от съчетание на технологични параметри,при които се получава изделие,отговарящо на изискванията/.При толеранс плюс/минус 0,01 мм.,толерансите/отклоненията от размерите/ при стоманата трябва да са плюс/минус 0,003 мм.,за да се постигне задоволителен „прозорец“.По света не са много производителите на матрици,които биха постигнали подобни толеранси.Главните причини са две:

1/  Те не могат да измерват с точност плюс/минус 0,003 мм. и по тази причина не могат да потвърдят/валидират/ тази точност,съответно размери.

2/Не разполагат с оборудване или умения да постигнат такива толеранси.

– Леяк/странични леяци:

Леяка или страничните леяци/ако има такива/ може да са наши приятели или врагове при микро-сглобяването.Можем да ги използваме като дръжка за задържане на изделието при операциите на автоматично сглобяване,или за добавяне на специални локализиращи/намиращи/ „бутала“на леяка,за да се подпомогне позиционирането на изделието в гнездото за сглобяване.

– Делителни линии:

Делителни линии с дебелина от порядъка на 10 микрона са със значително влияние върху размера на микро-изделията.Тези 10 микрона могат лесно да направят или да провалят сглобяването и трябва да се имат предвид,когато изделието ще се сглобява с други,тъй като могат да провалят съответствието/при сглобяване/,ако изделието не е подведено/придвижено/ правилно по време на процеса на сглобяване.

-Наклон на стените при избутване/събуване/ на изделието:

По-голям наклон е по-добре,но той може да е малък-например 0,2 градуса.Този малък ъгъл от вътрешната или външната страна на изделието може да е труден за справяне с него.Ако изделието „яхне“ малкия ъгъл/се задържи при изваждане от гнездото/,това ще доведе до произволна или незадоволителна повърхност на изделието,което може да го постави в неправилна позиция при сглобяването с другите части.Начините да се отстрани този проблем са да се отстрани наклона върху малка част от изделието,което е позиционирано/за сглобяване/,да се създаде наклон? в гнездото за сглобяване?/закрепване,фиксиране/ със съчетаващ ъгъл на наклона или да се добави наклон на/върху/ изделието или леяка,който наклон може да се използва и по-късно да се отстрани.

– Разположение на отвора за впръскване :

Което е вярно за всяко леене под налягане, е вярно в още по-голяма степен  за микро-леенето.Избора на местоположение на отвора за впръскване, за да се постигне равномерен поток в гнездото,е от съществено значение.Ако това не се постигне,гнездото може да не се напълни и това да доведе до повреждане на деликатните шпилки,поансони и гнезда.

 

-Остатък от леяка: Повечето от изделията при микро-леенето са с един отвор за връскване/1 леяк/.Затова отворите за впръскавне трябва да са правилно разположени/и с подходяща форма и размери/,за да се избегнат проблеми с изпъкналости,които могат да увредят артерия/или имплантирани устройства/ или да доведат до проблеми с автоматизацията и сглобяването.Малките изпъкналости може да са свързани с конструкцията на матрицата като се разполагат вдлъбнатини в удебелените части на стените на изделието/ако стените са достатъчно дебели/,така че остатъка от леяка ще „седи“ под повърхността на водача/при сглобяване/ или ше пречат на сглобяването/повърхностите няма да припасват една към друга/.

 

– Степен на гладкост на повърхността :

Степента на гладкост на повърхността често се недооценява,но тя е важна за правилното прилягане на повърхностите на отделните части при сглобяване.Някои степени на гладкост се постигат добре с хонинговане с пара? или награпавяване на повърхността,за да се осигури подобрена част от нея/от повърхността/ например при свързване/залепване/.Гладките повърхности може да доведат до проблеми при изваждане от матрицата,като в случая трябва да се търси комромис/между изискването за стеен на градкост на  повърхността и необходимостта изваждането на изделието да става без роблеми/.

 

ПРОЦЕС НА ЛЕЕНЕ ПОД НАЛЯГАНЕ :

Ако матрицата е фактор,то процеса на леене под налягане съставя останалите 10-15% като фактор.При рамери на изделията от порядъка на микрони,има няколко предизвикателства за постигане на добър отпечатък на повърхността на матрицата върху отлятото изделие изделие.Едно е да се направят добри остри ъгли и гнезда в стоманата/с радиус под 1 микрон/,но е съвсем друго да се запълнят тези миниатюрни  пространства с полимер.Необходимо е подходящо вентилиране,понякога с изключително тънки пластини  за да се постигне правилно дегазиране и запълване на острите ъгли.

Типичните налягания на впръскване при микро-лети изделия са над 30000 до 50000 psi/2100 до 3500 атмосфери/,което изисква деликатно балансиране между пълненето на гнездото с адекватно налягане,без да се разместват фините/с дебелина на косъм/ поансони.Изделията,изработвани чрез спичане на прах с крайно тънки стени/0,25-0,32 мм./ изискват изключително точно центроване на поансона спрямо гнездото по дължина на делителните линии.

Това дава възможност потока на стопилката през гнездото да е балансиран,без застиване.Ако полимера застине в не-напълнено състояние на гнездото,или ако изделието е запълнено в по-голяма степен от едната страна в сравнение с другата,много е вероятно микро-поансона да се повреди.Този проблем се преодолява чрез бързо напълване при кратки времена на впръскване/обикновено под 0,1 сек./ и високи налягания/на впръсквнане/.Когато тези две променливи са настроени така,е ясно че матрицата трябва да е здрава и изработена с висока точност,за да издържи без повреди при напълване на гнездата.

Има около дузина производители на специализирани машини за леене под налягане,разчетени за микро-леене.Възможностите за избор са нарастнали поне три пъти в сравнине с 2005 год./материала е публикуван през февруари 2012 год./

Машините за микро-леене трябва да са в състояние да впръскват много малки количества стопилка и да поддържат минимално време на престой на материала в цилиндъра.Това е особено важно за био-резорбиращите се полимери/PLA-поли-млечна киселина,PGA-ко-полимер на млечна киселина и гликол/,които са силно чуствителни към срязващи напрежения и топлина.

Необходими са също специализирани шнекове,дюзи и спомагателно оборудване,за да се осигури необходимата точност на напълването,обработката,отстланяване на леяците,измервания и сглобяване на толкова фини детайли.

 

СГЛОБЯВАНЕ И ОБРАБОТКА :

Най-добрия начин да се обработват/да се борави с/  микроскопични изделия е да се направи така,че изобщо да не се налага да се борави с тях.

Комбинирането на формите/пригаждане една към друта/ на възможно малък брой съставни части за микро-сглобяване е конструкторска работа,която си струва усилието,тъй като захващането,регистрирането в гнездата за сглобяване и съединяването им с други съставни части от подобни или различни материали на етапа на сглобяване може да се окаже много по-скъпо в сравнение с разходите за конструиране/на съответстващи си форми/  на по-ранния етап от разработването/етапа на конструирането/.

Първи начин за сглобяване: МИКРО-ЛЕЕНЕ С ДВА УДАРА/ДОПЪЛНИТЕЛНО ОТЛИВАНЕ ВЪРХУ ЧАСТИЧНО ОТЛЯТО ИЗДЕЛИЕ/ :

Впръскването на два различни материала в матрицата на две различни места или на същото място със завъртане на матрицата,дава възможност да се подбере комбинация от форми и материали.Например,ако за бутало на помпа е необходимо уплътнение или силиконов маншет,по лесно е да се отлее маншета във вдлъбнатина в същата матрица.

Втори начин: ЛАЗЕРНО ЗАВАРЯВАНЕ:

Ако пространствената геометрия не може да се комбинира чрез микро-леене с два удара,и здравината на материала го позволява,то лазерното заваряване е добър метод за съединяване на микро-компоненти.Грижливия контрол на енергията на лазера и плътностите на мощността може също да се използва за бързо и безразрушително селективно почистване и разделяне на ленти например на кабели.

Лазерен лъч със субмикронни и по-малки размери и точно действие чрез  многобройни точкови заварки,при използване на нано-позициониращи се маси или на роботи с много оси на въртене,монтирани на въртящи се маси или совалкови системи,дават възможност за прецизни лазерни заварки.Лазерното заваряване може да използва съществуващите дебелини на стените или вградено в заварявания компонент удебеляване/издутина/.Или пък може да се въведе малко количество подобен материал,както се прави при спояването на електрически компоненти.

Трети начин: УЛТРАЗВУКОВО ЗАВАРЯВАНЕ:

То е ефективно за заваряване на термопласти,както и на съвместими метали.За заваряване на микрокомпоненти са необходими специализирани ниско-енергиини усилватели и ултразвукови сирени/източници на ултразвук/,тъй като необходимата за заваряване енергия е изключително малко/предвид миниатюрния размер на заваряваните детайли/.

 

Четвърти начин:  ЗАВАРЯВАНЕ ЧРЕЗ ВЪРТЕНЕ/ТРИЕНЕ НА ПОВЪРХНОСТИТЕ/:

Обикновено не е подходящо за микро-изделия,предвид много тънките стени.Впрочем,много малки/0,1-0,2 мм./ точкови заварки са възможни понякога чрез тази метод.

 

Пети начин: ЗАЛЕПВАНЕ С ПОМОЩТА НА РАЗТВОРИТЕЛИ:

Използва се често като бърз,евтин/с малко капиталовложения/ метод за свързване на микро-компоненти.“Бързо и мръсно“ арматурите/скрепящите елемени могат бързо да изпитат/проверят/ изпълнимостта на свързването на не-сходни материали с използване на микро- и нано-пипети за разпределяне на малки количества разтворители.Подходящи са разтворители,които са съвместими със слепваните материали,особино ако изделието ще се използва за имплант.Изпълнението на голям обем сглобяване чрез залепване с разтворител може да е проблематично,тъй като метода не се поддава лесно на автоматизация и повторяемостта/постоянството/ на резултатите не винаги са на ниво, поради което е трудно да се удостоверят резултатите/качеството/ при големи обеми/серии/.

Шести начин: ВЛАГАНЕ:

Това е много евтин метод за свързване на компоненти от полимер и метал.При обвивката на батериите ,например,притискането/запресоването/ е често срещана практика за да се създаде добро уплътняване за предотвратяване на изтичането на алкален разтвор от съда/обвивката/ на батерията.Евтините глави/щамповащи глави?/ за постепенно запечатване са сравнително бърз метод за влагане един в друг както на детайли от полимери,така и на такива от метали,като се използва „обвиване“ под налягане на единия материал в другия.Варирането на свойствата на отделните партиди на материалите може да се окаже недостатък на този метод.

 

ИЗПИТВАНЕ:

Важен аспект ва автоматизираните системи за микро-сглобяване са изпитанията – за електропроводност,течове,разрушаване под действие на наляганe,устойчивост на разрушаване/при механично натоварване/.Някои от методите са съпроводени с разрушаване на изделието,а други се изпълняват без разрушаване.Най-добрия начин да се определи дали крайното или междинно сглобено изделие ще функционира правилно е да се поддържа контрол върху процеса на производство на всеки компонент от крайното изделие/получено след сглобяването/.

Статистическото валидиране/окачествяване/ на всеки компонент и повторното валидиране на сглобеното изделие ще ви предпази от скъпи изпитания и огледи по-късно в автоматизираната клетка/за сглобяване на микро-компонентите/.Но понякога те/изпитанията и огледите на вече сглобеното изделие/ може да са неизбежни,особено при приложения на изделията за имплантиране или особено важни доставки на лекарства/до определен орган или място в тялото на пациента/.

Автоматичното изпитване „инлайн“ може да се изпълни на цикли с продължителност под 2 сек. при големи обеми.Има смисъл да се изпитват частичните сглобки,така и в крайната сглобка.Основното съображение да се изпитват частичните сглобки първо е стойността на компонентите,които ще се добавят,за да се оформи крайното изделие/сглобка/.Например катетър с два пластмасови компонента и кабел с включени разходи за изпитване за теч,ще предизвика далеч по-малко разходи, ако се бракува,в сравнение с разходите,които ще са направени,ако се изпитва само крайната сглобка/изделие/ с пет пластмасови и два метални компонента и ръкохватка.Изпитването/тестването/ на частичните сглобки може да бъде статистически намалено/ограничено по обем/ когато процеса на автоматизация и постъпващите микро-компоненти са под контрол.И двете обикновено се правят по време на валидирането и най-важните/критични/ изпитания когато обема на изделията нараства/е голям/.

Някои изпитания може да отнемат повече време от това,което може да си позволим в автоматизираните клетки/клетки за автоматично сглобяване/,и някои изпитания и може да се наложи да бъдат селекционирани през статистически интервали,като се насочват в странични линии.Например изпитание за издръжливост на налягане може да отнеме от 3 до 4 сек.Ако изпитанието е не-разрушително,изделието може да бъде върнато в производствената линия.

 

ИНСПЕКЦИЯ НА МЕТРОЛОГИЯТА :

Всички сме чували „не можеш да го произведеш,ако не можеш да го измериш“.При медицински и фармацевтични устройства,където критичните компоненти може да са решаващи за живота на пациента,това също означава „не можеш да го направиш,ако не можеш да го валидираш/потвърдиш годността/“.Микро-метрологията би могло да се избегне,ако частите/компонентите/ се произвеждат устойчиво и се валидират/удостоверява се качеството им/.Но понякога питаме: „Можете ли да твърдите без колебание,че това крайно/сглобено/ изделие ще работи през цялото време на експлоатацията му?“Отговорът трябва да е отрицателен,доколкото компонентите/съставните детайли/ са от няколко различни партиди материал,произведени са през различно време на годината,при различни влажности и температури и т.н.Затова проверката/инспекцията,изпитването/ е неизбежна,поне до тогава,докато можем да докажем статистически,че всички изброени по-горе изисквания се удволетворяват изцяло за дълъг период от време.При импланти с особено висжки изисквания проверката,разбира се е „пожизнена“ през целия период на изпълнение на дадената програма.

По отношение на проверката на микро-компоненти и сглобени/крайни/ изделия има много гледни точки.При някои проверката може да се извършва с камери с висока резолюция само/просто/ за да се удостовери качеството на повърхността на изделието.При някои изделия се изисква сканиране с 3D лазер,за да се удостоверят определени,особено важни размери.При други пък са необходими високоскоростни видеокамери,за да се покаже,че прах или много малки количества течност са разпределени/дозирани/ правилно.

Проверката често се пренебрегва и се извършва след като изделието е произведено.Но при микро-компонентите и сглобените от тях изделия е от първостепенна важност тя/проверката/  да се обмисли още на етапа на прототип,даже да се определи капацитета/възможностите/Бел.пр.:В оригинала „Cpk“/ на устройството и толерансите на стиковане/при сглобяване/ на компонентите.Това ще подобри годността на компонентите за  сглобяване на крайното изделие.