Микролитье — это не просто литье под давлением в меньшем масштабе. Ниже определенного размера детали несколько вещей перестают масштабироваться и начинают вести себя иначе, а оборудование, настроенное для традиционного литья, дает плохие результаты независимо от навыков оператора.
Переход происходит постепенно, а не при четко определенном пороге, но детали весом значительно менее грамма или с элементами размером в десятки микрон прочно относятся к области микролитья. Обычные области применения включают компоненты медицинских устройств, электронные разъемы, оптические детали и микрофлюидные устройства.
В этом руководстве рассматривается, что на самом деле меняется, что это означает для проектирования и что следует спросить у поставщика.
Почему маленькие детали требуют разного оборудования
Размер впрыска и подбор машины
Традиционная литьевая машина подбирается по ее литьевой способности. Использование большой машины для крошечной детали означает, что материал находится в цилиндре гораздо дольше, чем предполагалось, что для многих инженерных полимеров означает термическую деградацию.
Время пребывания — практическая проблема. Машина, рассчитанная на впрыск 100 грамм, работающая с деталью весом 0,05 грамма, многократно пропускает один и тот же материал через цилиндр. Теплочувствительные полимеры деградируют, и деградация не всегда видна на детали, но проявляется в свойствах.
В машинах для микролитья используются гораздо меньшие узлы впрыска, часто с другими системами дозирования, чем традиционный шнек с возвратно-поступательным движением, специально для точного контроля размера впрыска при таких объемах и ограничения времени пребывания.
Разрешение контроля впрыска
Точное впрыскивание доли грамма требует разрешения, которого нет у традиционных машин. Небольшие отклонения, которые были бы незначительными на большой детали, составляют большую часть микро-впрыска.
Оборудование для микролитья создано для такого контроля, с более точным разрешением положения и давления.
Соотношение литниковой системы к детали
На микро-детали литниковая система часто весит значительно больше, чем сама деталь. Иногда в несколько раз больше.
Это имеет два последствия. Материальные отходы становятся значительными по сравнению с весом детали, а термическая история материала определяется литниковой системой, а не деталью. Оснастка для микролитья часто использует миниатюрные горячеканальные системы или тщательно разработанные микролитниковые системы для управления этим.
Различия в оснастке
Допуски на оснастке более жесткие.Если элемент детали составляет 100 микрон и его нужно удерживать в пределах нескольких процентов, оснастка должна быть изготовлена с долей этого значения. Это выводит оснастку в область прецизионной обработки, электроэрозионной обработки проволокой и иногда микро-электроэрозионной обработки.
Вентиляция становится критически важной.Воздух должен выходить по мере заполнения полости, но вентиляционные отверстия стандартного размера приведут к вспышке на микро-детали. Глубина вентиляционных отверстий, измеряемая в нескольких микрон, является обычным явлением, что требует прецизионной обработки и тщательного обслуживания, поскольку они легко блокируются.
Выталкивание становится сложнее.Выталкиватели на очень маленькой детали могут быть сопоставимы по размеру с элементами, и деталь может быть слишком хрупкой, чтобы ее можно было вытолкнуть. Альтернативные стратегии выталкивания, включая воздух, съемники или тщательную конструкцию затвора, становятся необходимыми.
Обработка и упаковка.Детали, слишком маленькие, чтобы их можно было брать по отдельности, требуют автоматизированной обработки, а упаковка должна предотвращать потерю и повреждение. Это звучит тривиально, но это не так, поскольку деталь, которую нельзя надежно перенести из формы в упаковку, не может быть произведена в больших объемах.
Допуски
Детали, изготовленные методом микролитья, могут иметь жесткие абсолютные допуски, но взаимосвязь между допуском и размером детали ведет себя иначе, чем предполагает интуиция.
Достижимый допуск не масштабируется пропорционально с размером детали. Допуск, который является обычным в процентах на большой детали, становится очень требовательным на маленькой, поскольку абсолютное значение приближается к пределам точности оснастки, предсказуемости усадки и возможностей измерения.
Три фактора устанавливают предел:
Точность оснастки.Полость не может быть изготовлена точнее, чем позволяет процесс обработки.
Предсказуемость усадки.Полимеры усаживаются при охлаждении, и хотя усадка компенсируется в конструкции оснастки, ее вариация не является идеально равномерной. На маленькой детали небольшие абсолютные вариации усадки составляют большую долю диапазона допуска.
Измерение.Что приводит к моменту, который удивляет многих покупателей.
Инспекция — отдельная проблема
Измерение микро-деталей требует разных методов. Контактное измерение может деформировать деталь. Стандартные координатно-измерительные машины могут не иметь необходимого разрешения, а их зонд может быть больше элемента.
Оптические и видеоизмерительные системы, а в некоторых случаях и компьютерная томография для внутренних элементов, являются обычными методами.
Это важно с коммерческой точки зрения по двум причинам. Во-первых, поставщик, заявляющий о жестких микро-допусках, должен уметь продемонстрировать, как он их измеряет, и «у нас есть КИМ» недостаточно в этом масштабе. Во-вторых, неопределенность измерения потребляет часть вашего диапазона допуска. Если ваш допуск составляет 10 микрон, а система измерения имеет значительную неопределенность, менее 10 микрон этого диапазона фактически доступны для процесса.
Спросите конкретно, какое оборудование используется, каково его разрешение и как учитывается неопределенность измерения.
Материалы
Большинство инженерных термопластов могут быть микролитьевыми, но выбор материалов более ограничен, чем в традиционном масштабе.
Размер наполнителя имеет значение.Стекловолокна, предназначенные для традиционных деталей, могут быть сопоставимы по длине с элементами микро-деталей, что вызывает проблемы с заполнением и непоследовательные свойства. Ненаполненные марки или марки с мелкими наполнителями обычно предпочтительны.
Характеристики потока имеют большее значение.Заполнение очень маленькой полости через очень маленький затвор требует хорошего потока. Марки с высокой вязкостью, которые адекватно заполняют традиционные детали, могут не заполнять микро-полости.
Термическая стабильность имеет большее значение.Из-за времени пребывания и соотношения литниковой системы к детали, теплочувствительные материалы подвергаются большему тепловому воздействию на единицу веса детали, чем в традиционном масштабе.
Распространенные материалы для микролитьявключают PEEK, LCP, POM, PC, PP, марки нейлона и различные полимеры медицинского назначения. Где требуется конкретная марка, подтвердите пригодность для микролитья как у поставщика материала, так и у литейщика.
Соображения по проектированию
Многие традиционные правила проектирования по-прежнему применимы, а некоторые применяются более строго.
Равномерная толщина стенкиостается важной, и последствия ее нарушения те же: дифференциальная усадка, коробление и утяжка.
Уклоныостаются необходимыми. Очень маленькие детали более подвержены повреждениям при выталкивании, поэтому адекватные уклоны имеют большее значение, а не меньшее.
Расположение затворастановится более ограниченным. Затвор велик по отношению к детали, поэтому его положение и оставляемый им след являются важными конструктивными соображениями, а не деталями.
Радиусы в углахпомогают заполнению и снижают напряжение, а в микро-масштабе острые углы также труднее точно обработать в оснастке.
Соотношения сторонтребуют осторожности. Очень глубокие, очень тонкие элементы трудно заполнять и трудно выталкивать, а сталь оснастки, формирующая их, хрупкая.
Допуски следует указывать только там, где это требуется функцией.Как и в любом масштабе, но здесь ценовой штраф выше.
Объем и стоимость
Оснастка для микролитья стоит дороже, чем традиционная оснастка со сравнимым количеством гнезд, поскольку требуемая точность выше, а обработка более требовательна.
С другой стороны, время цикла обычно короткое, поскольку маленькие детали быстро охлаждаются, а оснастка с несколькими гнездами является распространенной. После изготовления оснастки, себестоимость единицы продукции в больших объемах может быть очень низкой.
Это означает более высокий объем безубыточности, чем при традиционном литье. Микролитье подходит для устоявшихся крупносерийных программ, а не для исследовательских малообъемных работ. Для валидационных партий, деталей, изготовленных механической обработкой или 3D-печатью, или оснастки для прототипирования с уменьшенным количеством гнезд, обычно является разумным путем перед заказом производственной оснастки.
Применение
Медицинские устройстваявляются крупнейшей областью применения: компоненты катетеров, детали для доставки лекарств, компоненты хирургических устройств, диагностические расходные материалы. Литье в чистых помещениях и полная прослеживаемость являются распространенными требованиями.
Электроника и разъемытребуют маленьких точных деталей из материалов с определенными электрическими и тепловыми свойствами, часто LCP из-за его характеристик потока и температуры.
Оптикатребует качества поверхности и точности размеров, что сильно нагружает оснастку и контроль процесса.
Микрофлюидикатребует очень мелкой геометрии каналов с постоянным поперечным сечением, что сочетает жесткие допуски с трудным заполнением.
Что спросить у поставщика микролитья
- Какие машины вы используете и каков диапазон размеров впрыска?
- Как вы управляете временем пребывания для теплочувствительных материалов?
- Какие допуски вы можете выдержать на элементе моего размера, и на чем это основано?
- Какое инспекционное оборудование вы используете и каково его разрешение?
- Как вы учитываете неопределенность измерения в пределах диапазона допуска?
- Как обрабатываются и упаковываются детали после литья?
- Какой у вас опыт работы с моим материалом и применением?
Вопросы по измерениям являются наиболее полезным фильтром. Поставщик, который тщательно продумал метрологию в этом масштабе, — это поставщик, который понимает микролитье. Тот, кто отвечает с помощью традиционного инспекционного оборудования, вероятно, применяет традиционную практику литья к маленьким деталям, что является основной проблемой, описанной в этой статье.
Получение реалистичной оценки
Техническая осуществимость микролитья зависит от конкретных комбинаций геометрии, материала и допусков, и общая статья не может сказать вам, жизнеспособна ли ваша деталь. Некоторые конструкции, которые выглядят сложными, являются обычными, а некоторые, которые выглядят простыми, — нет.
Elite Mold Tech выполняет микролитье наряду с традиционным литьем под давлением, изготовлением оснастки и прецизионной механической обработкой в одном помещении. Отправка файла детали с допусками и предполагаемым материалом позволяет получить оценку технической осуществимости, охватывающую подход к оснастке, достижимый допуск и метод инспекции, а не только цену.
Часто задаваемые вопросы
В: Насколько маленькими могут быть детали, изготовленные литьем под давлением?
О: Очень маленькие детали весом в доли грамма регулярно производятся, с элементами размером в микрон. Практический предел зависит от геометрии, характеристик потока материала и достижимой точности оснастки.
В: Почему микро-детали требуют специализированных машин?
О: Традиционные машины не могут точно дозировать крошечные впрыски, а материал находится в слишком большом цилиндре достаточно долго, чтобы термически деградировать. Машины для микролитья используют меньшие узлы впрыска с более точным контролем и меньшим временем пребывания.
В: Какие допуски может выдержать микролитье?
О: Достижимы жесткие абсолютные допуски, но они не масштабируются пропорционально с размером детали. Точность оснастки, вариация усадки и возможности измерения устанавливают практические пределы, которые должны оцениваться для каждой детали.
В: Можно ли микролитьевые материалы со стеклонаполнителем?
О: С осторожностью. Волокна, предназначенные для традиционных деталей, могут быть сопоставимы по длине с микро-элементами, вызывая проблемы с заполнением и непоследовательные свойства. Ненаполненные марки или мелкие наполнители обычно предпочтительны.
В: Как инспектируются детали, изготовленные методом микролитья?
О: Обычно с помощью оптических или видеосистем, а иногда и КТ-сканирования для внутренних элементов, поскольку контактное измерение может деформировать деталь, а стандартные зонды могут превышать размер элемента.