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其制造工藝，并采用科學的方法進行注塑成型和加工。從模具設計、模具生產和加工的角度來看，微米和納米產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)質零件。壁厚和幾何形狀是挑戰(zhàn)微米和納米制造操作的關鍵組成部分。由于模制零件的設計公差極其精確，薄壁區(qū)域在 0.003 英寸（0.08 毫米）范圍內，并且需要復雜的幾何形狀和近乎尖銳的角，因此每個模具都需要以正確的方式設計和制造，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關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鍵部件，并考慮到在模制生產運行過程中損壞模具時的維修措施。

我們的工程師結合使用模流分析對微米和納米模制零件進行流動模擬，以驗證模具的設計和可加工性。在這一點上，觀察數(shù)據以確定空腔是否正確填充，定位潛在的氣穴，并確保不會在關鍵區(qū)域形成焊接/編織線，從而可能使結構完整性降低標稱強度的 80%的一部分。

模流允許分析剪切速率、剪切應力和殘余應力等值，這些值是加工高質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。材料供應商在其規(guī)范中會有一個最大水平，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，或者在靜止的凍結材料和熔化材料之間。

剪切應力是聚合物分子彼此相鄰流動所產生的力的量度。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力最高。模流分析可確保剪切應力均勻分布，并且力值不會太高。

殘余應力基本上是由于加工參數(shù)（例如“凍結”在模制部件中的流量或溫度）而產生的模內應力。這與剪切應力有關，因為它是可能導致殘余應力的來源之一。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)來最小化殘余應力。成型中的殘余應力會導致變形，因為熔化的材料凝固得太快，然后試圖松弛到原來的尺寸。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，因為注塑速度可以是傳統(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，反過來又會產生非常狹窄的加工窗口，即使是最輕微的偏差也可能導致零件損壞。

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，因為這會導致材料在流動過程中降解。隨著剪切速率的增加，材料內的應力也會增加。如果剪切速率達到臨界剪切應力點以上的值，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（增強纖維）的材料達到過高的剪切應力率，分子鏈就會撕裂。這種材料往往具有高耐熱性、高耐化學性和高機械強度。

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構特性。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)嚴重問題。

對于 LCP 模塑納米部件，一個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救。通過增加注射壓力和填充率，可以產生超過材料抗拉強度的內應力，并導致零件在脫模后繼續(xù)冷卻時開裂。

導致薄壁部件開裂的另一個因素是由脫模力引發(fā)的，因為它從模具中拔出零件。底切、粗糙表面條件和/或無拔模等因素可能會導致這種情況。在納米零件的精密注塑成型中，嚴格的公差是常態(tài)——有時要求特征保持在 ±0.00025 英寸（0.0064 毫米）以內，這實際上消除了拔模型腔特征的可能性。

為了克服這個問題，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現(xiàn)最佳的表面光潔度并生產出接近尖角的產品——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，我們在注塑機上采用了特殊的加工設備。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，

在注塑部件的生產過程中，始終確保 100% 質量合格的產品非常重要。如果在生產運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)療最終產品中允許出現(xiàn)故障部件，那將是災難性的。

除了所有最新的 moldflow 軟件外，有時制造商可能還需要使用過程監(jiān)控軟件將理論數(shù)據與實驗數(shù)據相關聯(lián)。具體來說，這意味著結合型腔壓力/溫度傳感器進行監(jiān)測和評估。

型腔壓力被廣泛認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致零件報廢/有缺陷。為了更好地了解模具型腔內發(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，從而創(chuàng)建型腔壓力曲線。通過分析這些數(shù)據，可以有效地進行動態(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例，重復的工藝參數(shù)和注塑機可能會導致成型零件的質量差異。通過主動監(jiān)測型腔壓力分布，可以設置一個基線，以便在理論上為未來的生產運行復制零件質量，并確保均勻的壓力分布。

自動化也可以通過將機器人技術與過程監(jiān)控軟件認為有缺陷的報廢零件結合起來。這可以幫助制造商消除手動零件分類的需要。處理參數(shù)也可以通過某些機器參數(shù)的實時控制來自動化。這種動態(tài)控制依賴于傳感器的反饋，然后解釋數(shù)據。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資源，制造商能夠生產出超出客戶要求的優(yōu)質精密零件。從工程和模流分析到精密制造和專業(yè)加工技術，它們?yōu)椴粩喟l(fā)展的納米組件世界做出了貢獻。

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