醫(yī)療行業(yè)對納米和微型組件的需求不斷增長，這促使制造商不斷改進(jìn)其制造工藝，并采用科學(xué)的方法進(jìn)行注塑成型和加工。從模具設(shè)計(jì)、模具生產(chǎn)和加工的角度來看，微米和納米產(chǎn)品對工程和制造提出了重大挑戰(zhàn)，以最終獲得可供最終使用的優(yōu)質(zhì)零件。壁厚和幾何形狀是挑戰(zhàn)微米和納米制造操作的關(guān)鍵組成部分。由于模制零件的設(shè)計(jì)公差極其精確，薄壁區(qū)域在 0.003 英寸（0.08 毫米）范圍內(nèi)，并且需要復(fù)雜的幾何形狀和近乎尖銳的角，因此每個(gè)模具都需要以正確的方式設(shè)計(jì)和制造，具體取決于特定客戶的要求。

模具組件

納米模具工程的一個(gè)關(guān)鍵因素始于模具組件和所需材料的分解。使用的材料范圍從具有良好抗沖擊性和高硬度的 S-7 模具鋼，到具有高溫強(qiáng)度和抗軟化性的 H-13 模具鋼，再到 O6 油硬化模具鋼，用于其良好的“抗摩擦”性能和出色的金屬對金屬耐磨性。

盡管使用了高強(qiáng)度材料，但微米級和納米級模具部件仍然非常脆弱。工程師必須了解容易損壞的關(guān)鍵部件，并考慮到在模制生產(chǎn)運(yùn)行過程中損壞模具時(shí)的維修措施。

我們的工程師結(jié)合使用模流分析對微米和納米模制零件進(jìn)行流動模擬，以驗(yàn)證模具的設(shè)計(jì)和可加工性。在這一點(diǎn)上，觀察數(shù)據(jù)以確定空腔是否正確填充，定位潛在的氣穴，并確保不會在關(guān)鍵區(qū)域形成焊接/編織線，從而可能使結(jié)構(gòu)完整性降低標(biāo)稱強(qiáng)度的 80%的一部分。

模流允許分析剪切速率、剪切應(yīng)力和殘余應(yīng)力等值，這些值是加工高質(zhì)量薄壁零件的非常重要的因素。

剪切速率通常描述為層間流動速率。它受注射流速的影響，隨著速度的增加，剪切速率也會增加。這會產(chǎn)生剪切熱——在沒有外部溫度的情況下加熱材料的能力——并降低粘度。材料供應(yīng)商在其規(guī)范中會有一個(gè)最大水平，如果超過最大水平，可能會出現(xiàn)材料降解等問題。根據(jù)典型的熔體曲線，剪切率最高的地方是流動層之間的行程最大，通常是在成型壁和熔化材料之間，或者在靜止的凍結(jié)材料和熔化材料之間。

剪切應(yīng)力是聚合物分子彼此相鄰流動所產(chǎn)生的力的量度。由于模具壁熔化或固化材料熔化的剪切速率最高，因此這些位置的剪切應(yīng)力最高。模流分析可確保剪切應(yīng)力均勻分布，并且力值不會太高。

殘余應(yīng)力基本上是由于加工參數(shù)（例如“凍結(jié)”在模制部件中的流量或溫度）而產(chǎn)生的模內(nèi)應(yīng)力。這與剪切應(yīng)力有關(guān)，因?yàn)樗强赡軐?dǎo)致殘余應(yīng)力的來源之一。其他因素可以是從溫度到一般加工條件的任何因素。在模流分析中觀察到的殘余力可能會導(dǎo)致翹曲、收縮和其他類似問題。

工程師在他們的模擬中使用一組工藝參數(shù)來最小化殘余應(yīng)力。成型中的殘余應(yīng)力會導(dǎo)致變形，因?yàn)槿刍牟牧夏痰锰欤缓笤噲D松弛到原來的尺寸。這通常的特征是材料注入速度過快，隨后是快速冷卻循環(huán)。

納米和微米級成型可歸類為精密高速注塑成型，因?yàn)樽⑺芩俣瓤梢允莻鹘y(tǒng)注塑成型的十倍。必須使用高剪切率、壓力和熱量來抵消薄壁的限制性流動路徑，從而在材料凝固之前填充空腔。

窄窗

這些極端條件會帶來許多加工問題，反過來又會產(chǎn)生非常狹窄的加工窗口，即使是最輕微的偏差也可能導(dǎo)致零件損壞。

隨著剪切速率的增加，可以在不增加模具溫度的情況下向熔化的材料施加額外的熱量。但是，必須注意不要超過材料的剪切率規(guī)格，因?yàn)檫@會導(dǎo)致材料在流動過程中降解。隨著剪切速率的增加，材料內(nèi)的應(yīng)力也會增加。如果剪切速率達(dá)到臨界剪切應(yīng)力點(diǎn)以上的值，則材料中的主要鍵可能會受到損害。

例如，如果液晶聚合物 (LCP) 等含有 30% 玻璃填料（增強(qiáng)纖維）的材料達(dá)到過高的剪切應(yīng)力率，分子鏈就會撕裂。這種材料往往具有高耐熱性、高耐化學(xué)性和高機(jī)械強(qiáng)度。

通常，對于玻璃填充樹脂，必須假定最小纖維長度以保持材料的結(jié)構(gòu)特性。這意味著，如果樹脂的玻璃填料的纖維長度為 0.003 英寸，而模具部件的壁厚為 0.003 英寸，則可能會出現(xiàn)嚴(yán)重問題。

對于 LCP 模塑納米部件，一個(gè)常見的問題是開裂或裂紋。這被簡單地定義為模制部件中的斷裂，但它并不那么容易補(bǔ)救。通過增加注射壓力和填充率，可以產(chǎn)生超過材料抗拉強(qiáng)度的內(nèi)應(yīng)力，并導(dǎo)致零件在脫模后繼續(xù)冷卻時(shí)開裂。

導(dǎo)致薄壁部件開裂的另一個(gè)因素是由脫模力引發(fā)的，因?yàn)樗鼜哪＞咧邪纬隽慵?。底切、粗糙表面條件和/或無拔模等因素可能會導(dǎo)致這種情況。在納米零件的精密注塑成型中，嚴(yán)格的公差是常態(tài)——有時(shí)要求特征保持在 ±0.00025 英寸（0.0064 毫米）以內(nèi)，這實(shí)際上消除了拔模型腔特征的可能性。

為了克服這個(gè)問題，重要的是要確保表面粗糙度盡可能光滑。這始于稱為電火花加工 (EDM) 的模具的制造階段。通過使用晶粒尺寸小于 1 μ 的高密度碳電極，我們相信我們可以實(shí)現(xiàn)最佳的表面光潔度并生產(chǎn)出接近尖角的產(chǎn)品——這是某些模具的基本要求。拋光所有成型表面以降低零件提取過程中的摩擦系數(shù)并改善成型零件的外觀也很重要。

此外，為了克服納米成型零件常見的變形和開裂等問題因素，我們在注塑機(jī)上采用了特殊的加工設(shè)備。為了在熔化和注射階段提供精確和更好的材料控制，使用了獨(dú)特的 8 毫米注射螺桿單元。這確保了注射前熔化材料的均勻成分，以及最小的注射量和顯著縮短的保壓時(shí)間。

材料選擇和過程監(jiān)控

正確的材料選擇也成為醫(yī)療部件精密注塑成型的一個(gè)重要因素。在某些情況下，有幾種不同等級的聚合物可供選擇，它們都可以滿足客戶的要求。盡管這些不同等級可能相似，但它們之間的熔體流動可能非常不同；因此，加工工程師有責(zé)任確定能夠正確填充型腔的材料的具體等級，從而使模制零件達(dá)到并超過客戶規(guī)格。某些可能包含磨蝕性填料（例如 LCP）的材料，由于其玻璃含量，會導(dǎo)致模具磨損。如果不使用合適的模具鋼，這些材料會在模具生命周期的早期造成磨損。鑒于這些因素，

在注塑部件的生產(chǎn)過程中，始終確保 100% 質(zhì)量合格的產(chǎn)品非常重要。如果在生產(chǎn)運(yùn)行過程中模塑部件存在缺陷，則重要的是要識別所有受影響的模塑部件并將它們隔離為“故障”。如果在組裝好的醫(yī)療最終產(chǎn)品中允許出現(xiàn)故障部件，那將是災(zāi)難性的。

除了所有最新的 moldflow 軟件外，有時(shí)制造商可能還需要使用過程監(jiān)控軟件將理論數(shù)據(jù)與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)相關(guān)聯(lián)。具體來說，這意味著結(jié)合型腔壓力/溫度傳感器進(jìn)行監(jiān)測和評估。

型腔壓力被廣泛認(rèn)為是最重要的加工變量之一，最終可以成為零件完整性和質(zhì)量的特征。由于精密模制納米組件的加工窗口狹窄，溫度和壓力的輕微變化以及原材料成分的變化都可能導(dǎo)致零件報(bào)廢/有缺陷。為了更好地了解模具型腔內(nèi)發(fā)生的情況，制造商集成了型腔壓力傳感器，可以記錄填充、保壓和保壓階段的數(shù)據(jù)，從而創(chuàng)建型腔壓力曲線。通過分析這些數(shù)據(jù)，可以有效地進(jìn)行動態(tài)更改以解決處理問題或優(yōu)化周期。

在精密注塑成型中有許多實(shí)例，重復(fù)的工藝參數(shù)和注塑機(jī)可能會導(dǎo)致成型零件的質(zhì)量差異。通過主動監(jiān)測型腔壓力分布，可以設(shè)置一個(gè)基線，以便在理論上為未來的生產(chǎn)運(yùn)行復(fù)制零件質(zhì)量，并確保均勻的壓力分布。

自動化也可以通過將機(jī)器人技術(shù)與過程監(jiān)控軟件認(rèn)為有缺陷的報(bào)廢零件結(jié)合起來。這可以幫助制造商消除手動零件分類的需要。處理參數(shù)也可以通過某些機(jī)器參數(shù)的實(shí)時(shí)控制來自動化。這種動態(tài)控制依賴于傳感器的反饋，然后解釋數(shù)據(jù)。通過監(jiān)測型腔壓力、生成和評估輪廓曲線，控制器可以向注塑機(jī)發(fā)送信號以優(yōu)化工藝參數(shù)。

通過利用可用的不同尖端技術(shù)資源，制造商能夠生產(chǎn)出超出客戶要求的優(yōu)質(zhì)精密零件。從工程和模流分析到精密制造和專業(yè)加工技術(shù)，它們?yōu)椴粩喟l(fā)展的納米組件世界做出了貢獻(xiàn)。

【譯自：https://www.sme.org/nano-molding-tooling】