鮮有人知的微注塑工藝的多項(xiàng)精密要求

中國注塑網(wǎng)

編輯醫(yī)療制造相關(guān)內(nèi)容的商業(yè)出版物時(shí)，筆者發(fā)現(xiàn)微創(chuàng)手術(shù)是一個(gè)熱門話題。聽合同制造商說，客戶經(jīng)常會把這個(gè)問題掛在嘴邊：“最小能做到多小？”那時(shí)，微型成型已經(jīng)出現(xiàn)，不過還是一個(gè)相當(dāng)小眾的行業(yè)。伴隨著醫(yī)療設(shè)備的體積不斷縮?。娮与娦女a(chǎn)品和汽車零組件就更不用提了），微注塑的市場份額越來越大。Research and Markets最近的一份報(bào)告顯示，全球微成型市場預(yù)計(jì)將從2020年的9.04億美元增長到2025年的16億美元，復(fù)合年增長率（CAGR）達(dá)11.8%。在筆者看來，這個(gè)估值比較保守。

正如微注塑商和他們的客戶所言，微注塑不是簡單地將注塑工藝應(yīng)用于生產(chǎn)小型零件，不是說除了產(chǎn)品尺寸縮小之外就沒有其他變化了。從宏觀到微觀，微注塑涉及很多因素，如材料采購、構(gòu)造設(shè)計(jì)、零件組裝（如有）。我們采訪了Isometric Micro Molding公司的業(yè)務(wù)發(fā)展副總裁Donna Bibber，揭開了微注塑的神秘面紗。她知無不言，與筆者分享了自己的觀點(diǎn)。

01

首先，對應(yīng)微注塑的零件尺寸應(yīng)該是多大？這個(gè)數(shù)值有固定標(biāo)準(zhǔn)嗎？

微注塑有鮮有人知的工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)定義，內(nèi)容如下：

• 零件為塑料顆粒的一部分；
• 零件重量不足一克；
• 零件壁厚為0.005至0.015英寸。（125至375微米）；
• 單微米公差的零件或子組件，或?qū)е聠挝⒚坠畹寞B加公差；
• 高長度-厚度（L:T）比或長度-直徑（L）的長寬比。
• 零件最大尺寸6英寸，具有微觀特征或單微米公差。
  
  

02

筆者看來，制造設(shè)計(jì)（DfM）在微成型中非常重要。它與傳統(tǒng)成型的DfM有什么不同呢？

Isometric Micro Molding的DfM/DfA方法叫做Microns Matter，其中包括一張精確、詳細(xì)介紹所有子過程的工藝圖，圖中標(biāo)明了產(chǎn)品和裝配的所有關(guān)鍵屬性。這些子過程通常包括模具設(shè)計(jì)/制造、注塑成型工藝變量、量具R&R、多批次材料的差異，以及材料水分百分比范圍。

雖然每個(gè)過程圖都不同，但重要的是消除每個(gè)過程步驟中的公差百分比誤差。例如，按照20%的公差建造模具，將80%留給其他注明的變量。

Isometric Micro Molding的DfM/DfA方法叫做Microns Matter，其中包括一張?jiān)敿?xì)介紹所有子過程的工藝圖，圖中標(biāo)明了產(chǎn)品和裝配的所有關(guān)鍵屬性。

它在許多方面，都發(fā)揮著過程故障模式效果分析（PFMEA）和控制計(jì)劃的作用。即使在報(bào)價(jià)階段，這個(gè)過程也能用于詳細(xì)介紹解決方案，便于我們技術(shù)嫻熟、經(jīng)驗(yàn)豐富的塑料工程人員開展初步風(fēng)險(xiǎn)評估。這樣一來，我們設(shè)計(jì)的項(xiàng)目解決方案就已經(jīng)通過了審核，成功概率就會更大。

傳統(tǒng)的DfM工藝通常不是為解決單微米的堆積公差而設(shè)計(jì)的，它們的主要目標(biāo)是正負(fù)千分之幾英寸的公差。通常來說，微注塑件的公差更為嚴(yán)格，壁厚更薄，在操作和包裝時(shí)難度更高，因此，在審查所有工藝輸入，以及它們將包含的公差的計(jì)劃百分比時(shí)，標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)當(dāng)更加嚴(yán)格。

03

模具設(shè)計(jì)在微型成型中的重要性指得強(qiáng)調(diào)。

那么能講講其中都有哪些難點(diǎn)嗎？

模具設(shè)計(jì)和模具制造都有助于微注塑成型成功。Isometric共有七名全職模具設(shè)計(jì)師。在垂直整合的公司中，模具設(shè)計(jì)師是否具備豐富經(jīng)驗(yàn)是模具能否制成的關(guān)竅。Isometric的模具設(shè)計(jì)師深知如何微加工零件特征只有人類發(fā)絲直徑幾分之一的模具。他們需要了解合理的刀具尺寸和深度，電火花加工中的過燒工藝，以及電火花加工或銑削是否能以最佳形態(tài)呈現(xiàn)出所需的特征和表面效果。這些技能和制造模具所需的技能幾乎無法外包。談到基準(zhǔn)結(jié)構(gòu)，無論是設(shè)計(jì)模具、為CT掃描儀編程還是自動化生產(chǎn)，都要做好模具設(shè)計(jì)和計(jì)劃的工作，這樣才能制出單微米公差的組件和部件。

04

那該如何選擇材料呢？不同的材料在微成型應(yīng)用中的表現(xiàn)也不一樣，對嗎？

不同材料在微注塑中的表現(xiàn)確實(shí)有差異，微型模具澆口直徑產(chǎn)生的瞬時(shí)聚合物剪切力是產(chǎn)生這種差異的原因之一。微注塑件需要40000到50000磅/平方英寸的注塑壓力，而填充時(shí)間只有0.01秒，這種情況并不罕見。如果流量平衡得當(dāng)，瞬時(shí)但看似重要的剪切率有利于填充高長徑比零件。

我們可以看一下Isometric拉力棒的圖片[見下方]，拉力試棒的大小相當(dāng)于鍵盤上的字母I。借助澆口、剪切效應(yīng)，以及0.001至0.008英寸厚的拉力棒樣品，Isometric僅需兩到三天即可成型這些拉力棒，并推斷生產(chǎn)模具所需的注塑成型參數(shù)，進(jìn)而降低風(fēng)險(xiǎn)。這些拉力棒還能模擬將在生產(chǎn)中使用的澆口直徑和澆口樣式。

Isometric Micro Molding的拉力棒、醫(yī)用植入物和其他成型零件。

設(shè)計(jì)工程師可能會下意識地避免設(shè)計(jì)尺寸過小的零件，他們認(rèn)為這些零件過于輕薄，不夠“結(jié)實(shí)”，或者過于輕巧脆弱，無法發(fā)揮作用。在很多情況下，如果我們不清楚該如何挑選材料，或者相關(guān)知識已經(jīng)過時(shí)，那么項(xiàng)目發(fā)展到后期就可能會功虧一簣。這些失敗完全可以提早預(yù)防，也可以用微型拉力棒的經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)來支持有限元分析（FEA）的理論數(shù)據(jù)，以加大監(jiān)管力度。

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05

這么小的零件，組裝起來一定很麻煩。

您是怎么做的呢？

回顧Isometric的Microns Matter工藝，零件的整合和堆積的公差最好用CT掃描來測量，這個(gè)環(huán)節(jié)從實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)（DOE）過程就開始了。DOE工具可用于對比成型工藝變量和零件的測量值，從統(tǒng)計(jì)學(xué)角度分析對關(guān)鍵功能屬性影響最大的工藝變量。

例如，Isometric的內(nèi)部CT掃描技術(shù)可用于掃描16腔模塑零件[如下圖所示]，并支持CT掃描軟件在完整的CAD文件上疊加零件掃描，從而形成反映完整的第一粒子檢查的彩色偏差圖。這種分析僅需15分鐘即可完成，并且會立即反饋給工藝工程師，工程師們可以利用這些信息調(diào)整工藝。15分鐘內(nèi)，11個(gè)DOE工藝的關(guān)鍵功能尺寸的影響就能直觀地展現(xiàn)出來，允許在Cpk>1.33的情況下快速、準(zhǔn)確地?fù)苋肓鞒獭?/div>

Isometric Micro Molding利用內(nèi)部掃描技術(shù)來捕捉腔與腔之間的差異。

然后，所有16個(gè)組件會被疊加在一起，置于完美的模型上，以捕捉腔與腔之間的差異。這種差異可用于推斷未來計(jì)劃中的32腔模具的整體零件差異情況；零件1的16個(gè)腔，零件2的16個(gè)腔，以及組件的堆積公差經(jīng)過CT掃描后，會顯示組合組件的全部極值，并反映出未來自動裝配中的真實(shí)堆積公差。

在本例中，15分鐘的CT掃描顯示了一次掃描所有16個(gè)空腔的3微米顏色偏差。從中可以看出，6號和7號型腔在其底部附近有一些模具填充問題。工藝工程師可以利用快速分析排除故障，消除這種填充差異，解決掉當(dāng)前問題，并迅速進(jìn)入下一個(gè)故障排除步驟，例如增加模具通風(fēng)口以排出影響填充的被困氣體。

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最近有沒有遇到高難度的項(xiàng)目，

能分享一些實(shí)踐中的細(xì)節(jié)嗎？

Isometric Micro Molding最近為一家醫(yī)療設(shè)備公司提供了支持，該項(xiàng)目有38個(gè)特征，厚度為0.008英寸，流長為0.900英寸（比例112.5:1），用PEEK注塑。Isometric在與客戶的設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)通力合作后，給出了解決方案，該方案既包含Isometric所需的設(shè)計(jì)元素，又融入了客戶的設(shè)計(jì)意圖和需求功能。這種合作和溝通方式很快就結(jié)出了成功的果實(shí)。

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總結(jié)一下，

您認(rèn)為微型化的下一片前沿陣地在哪里？

心臟內(nèi)科、神經(jīng)科、眼科、葡萄糖監(jiān)測、耳鼻喉科、光纖和其他高精度市場等關(guān)鍵細(xì)分市場都很依賴微型化技術(shù)，因此微型化的未來市場非常廣闊。

我們可以在許多小微型組件的制造過程中，以及設(shè)備中植入人工智能技術(shù)，在未來用數(shù)據(jù)開發(fā)更小、更智能的設(shè)備。

另外，我們還可以利用仿生學(xué)技術(shù)開發(fā)特殊表面，模擬自然的疏水性和親水性，這里我舉的只是幾個(gè)特性的例子。采用這種表面后，植入體內(nèi)的新設(shè)備就可以防止流體進(jìn)入特定位置，并吸引液體進(jìn)入同一設(shè)備的其他位置。

對于像Isometric Micro Molding這樣的微注塑商和自動化裝配集成公司來說，他們已經(jīng)投資多年來開發(fā)滿足這些市場需求的產(chǎn)品，因此這個(gè)時(shí)代正是他們的當(dāng)打之年。