Beim Mikroformen handelt es sich nicht einfach um Spritzguss in kleinerer Form. Unterhalb einer bestimmten Teilegröße hören verschiedene Dinge auf zu skalieren und beginnen sich anders zu verhalten, und Geräte, die für konventionelles Formen konfiguriert sind, liefern unabhängig von den Fähigkeiten des Bedieners schlechte Ergebnisse.
Die Verschiebung erfolgt allmählich und nicht an einem definierten Schwellenwert, aber Teile, die deutlich unter einem Gramm wiegen oder deren Merkmale im Bereich von mehreren zehn Mikrometern liegen, befinden sich fest im Bereich der Mikroformung. Komponenten medizinischer Geräte, elektronische Steckverbinder, optische Teile und mikrofluidische Geräte sind die üblichen Anwendungen.
In diesem Leitfaden erfahren Sie, was sich tatsächlich ändert, was dies für das Design bedeutet und was Sie einen Lieferanten fragen sollten.
Warum Kleinteile unterschiedliche Ausrüstung benötigen
Schussgröße und Maschinendimensionierung
Die Größe einer herkömmlichen Formmaschine richtet sich nach ihrer Schusskapazität. Die Verwendung einer großen Maschine für ein winziges Teil bedeutet, dass das Material viel länger als vorgesehen im Zylinder verbleibt, was bei vielen technischen Polymeren zu einer thermischen Zersetzung führt.
Die Verweilzeit ist das praktische Problem. Eine Maschine, die für eine 100-Gramm-Schrotladung ausgelegt ist und einen 0,05-Gramm-Teil durchläuft, lässt das gleiche Material wiederholt durch den Lauf laufen. Wärmeempfindliche Polymere zersetzen sich, und die Zersetzung ist nicht immer am Teil sichtbar, sondern zeigt sich in den Eigenschaften.
Mikroformmaschinen verwenden viel kleinere Einspritzeinheiten, oft mit anderen Dosieranordnungen als eine herkömmliche Kolbenschnecke, insbesondere um die Schussgröße bei diesen Volumina genau zu steuern und die Verweilzeit zu begrenzen.
Auflösung der Einspritzsteuerung
Um einen Bruchteil eines Gramms präzise zu injizieren, ist eine Auflösung erforderlich, die herkömmliche Maschinen nicht haben. Kleine Abweichungen, die größtenteils vernachlässigbar wären, machen einen großen Anteil einer Mikroaufnahme aus.
Mikroformgeräte sind für diese Steuerung konzipiert und bieten eine feinere Positions- und Druckauflösung.
Läufer-zu-Teil-Verhältnis
Bei einem Mikroteil wiegt der Läufer oft deutlich mehr als das Teil selbst. Manchmal um ein Vielfaches mehr.
Dies hat zwei Konsequenzen. Der Materialabfall nimmt im Verhältnis zum Teilegewicht erheblich zu und der thermische Verlauf des Materials wird vom Angusskanal und nicht vom Teil dominiert. Mikroformwerkzeuge verwenden häufig Miniatur-Heißkanäle oder sorgfältig entwickelte Mikrokanalsysteme, um dies zu erreichen.
Unterschiede bei den Werkzeugen
Die Toleranzen am Werkzeug sind enger.Wenn ein Teilmerkmal 100 Mikrometer groß ist und innerhalb weniger Prozent gehalten werden muss, muss das Werkzeug auf einen Bruchteil davon angepasst werden. Dies drängt die Werkzeugherstellung in den Bereich der Präzisionsbearbeitung, der Drahterodiermaschine und manchmal auch der Mikroerodiermaschine.
Die Entlüftung wird kritisch.Luft muss entweichen, wenn sich der Hohlraum füllt, aber Entlüftungsöffnungen herkömmlicher Größe würden an einem Mikroteil austreten. Entlüftungstiefen von wenigen Mikrometern sind üblich, was eine präzise Bearbeitung und sorgfältige Wartung erfordert, da sie leicht verstopfen.
Der Auswurf ist schwieriger.Auswerferstifte an einem sehr kleinen Teil können in ihrer Größe mit den Merkmalen vergleichbar sein und das Teil ist möglicherweise zu empfindlich zum Drücken. Alternative Auswurfstrategien, einschließlich Luft, Abstreiferanordnungen oder sorgfältiges Anschnittdesign, werden erforderlich.
Handhabung und Verpackung.Teile, die zu klein sind, um sie einzeln aufzunehmen, müssen automatisiert gehandhabt werden, und die Verpackung muss Verlust und Beschädigung verhindern. Das klingt trivial und ist es auch nicht, da ein Teil, das nicht zuverlässig von der Form in die Verpackung überführt werden kann, nicht in großen Mengen hergestellt werden kann.
Toleranzen
Mikrogeformte Teile können enge absolute Toleranzen einhalten, aber die Beziehung zwischen Toleranz und Teilegröße verhält sich anders, als die Intuition vermuten lässt.
Die erreichbare Toleranz verkleinert sich nicht proportional zur Teilegröße. Eine Toleranz, die bei einem großen Teil routinemäßig als Prozentsatz angegeben wird, wird bei einem kleinen Teil sehr anspruchsvoll, da der absolute Wert an die Grenzen der Werkzeuggenauigkeit, der Vorhersagbarkeit der Schrumpfung und der Messfähigkeit stößt.
Drei Faktoren bestimmen die Grenze:
Werkzeugpräzision.Der Hohlraum kann nicht genauer hergestellt werden, als es der Bearbeitungsprozess zulässt.
Vorhersehbarkeit der Schrumpfung.Polymere schrumpfen beim Abkühlen, und obwohl die Schrumpfung durch die Werkzeugkonstruktion ausgeglichen wird, ist ihre Schwankung nicht vollkommen gleichmäßig. Kleinere absolute Schwindungsschwankungen machen zu einem kleinen Teil einen größeren Anteil des Toleranzbandes aus.
Messung.Das führt zu einem Punkt, der viele Käufer überrascht.
Inspektion ist ein eindeutiges Problem
Die Messung von Mikroteilen erfordert unterschiedliche Methoden. Bei der Kontaktmessung kann es zu einer Verformung des Teils kommen. Standardmäßigen Koordinatenmessgeräten fehlt möglicherweise die erforderliche Auflösung, und ihr Messtaster ist möglicherweise größer als das Merkmal.
Üblich sind optische und optische Messsysteme sowie in manchen Fällen die Computertomographie zur Untersuchung interner Merkmale.
Dies ist aus zwei Gründen kommerziell wichtig. Erstens muss ein Lieferant, der enge Mikrotoleranzen angibt, nachweisen können, wie er diese misst, und „wir haben ein KMG“ reicht in diesem Maßstab nicht aus. Zweitens verschlingt die Messunsicherheit einen Teil Ihres Toleranzbandes. Wenn Ihre Toleranz 10 Mikrometer beträgt und das Messsystem erhebliche Unsicherheiten aufweist, stehen dem Prozess tatsächlich weniger als 10 Mikrometer dieses Bandes zur Verfügung.
Fragen Sie konkret, welche Geräte verwendet werden, welche Auflösung sie haben und wie die Messunsicherheit berücksichtigt wird.
Materialien
Die meisten technischen Thermoplaste können mikrogeformt werden, die Materialauswahl ist jedoch stärker eingeschränkt als im herkömmlichen Maßstab.
Die Größe des Füllstoffs ist wichtig.Für herkömmliche Teile dimensionierte Glasfasern können in ihrer Länge mit Mikroteilmerkmalen vergleichbar sein, was zu Füllproblemen und inkonsistenten Eigenschaften führt. Im Allgemeinen werden ungefüllte Sorten oder solche mit feinen Füllstoffen bevorzugt.
Strömungseigenschaften sind wichtiger.Das Füllen eines sehr kleinen Hohlraums durch einen sehr kleinen Anschnitt erfordert einen guten Durchfluss. Hochviskose Typen, die herkömmliche Teile ausreichend füllen, füllen Mikrohohlräume möglicherweise nicht aus.
Die thermische Stabilität ist wichtiger.Aufgrund der Verweilzeit und des Verhältnisses von Angusskanal zu Teil sind wärmeempfindliche Materialien einer stärkeren thermischen Belastung pro Gewichtseinheit des Teils ausgesetzt als im herkömmlichen Maßstab.
Gängige MikroformmaterialienDazu gehören PEEK, LCP, POM, PC, PP, Nylonqualitäten und verschiedene Polymere in medizinischer Qualität. Wenn eine bestimmte Qualität erforderlich ist, bestätigen Sie die Eignung für das Mikroformen sowohl beim Materiallieferanten als auch beim Former.
Designüberlegungen
Viele herkömmliche Designregeln gelten weiterhin, einige gelten strenger.
Gleichmäßige Wandstärkebleibt wichtig, und die Folgen einer Verletzung sind dieselben: unterschiedliche Schrumpfung, Verzug und Senkung.
Formschrägenbleiben notwendig. Sehr kleine Teile sind anfälliger für Schäden durch Auswurf, daher ist ein ausreichender Luftzug wichtiger und nicht weniger wichtig.
Torstandortwird eingeschränkter. Das Tor ist im Verhältnis zum Teil groß, daher sind seine Position und die Spuren, die es hinterlässt, wichtige Designüberlegungen und nicht Details.
Radien an Eckenhelfen beim Füllen und reduzieren Spannungen, und im Mikromaßstab sind scharfe Ecken auch schwieriger präzise in das Werkzeug einzuarbeiten.
SeitenverhältnissePflege brauchen. Sehr tiefe, sehr dünne Strukturen lassen sich nur schwer ausfüllen und entfernen, und der Werkzeugstahl, aus dem sie bestehen, ist zerbrechlich.
Toleranzen sollten nur dort angegeben werden, wo es die Funktion erfordert.Wie bei jedem Maßstab, aber der Kostennachteil ist hier höher.
Volumen und Kosten
Mikroformwerkzeuge kosten mehr als herkömmliche Werkzeuge mit vergleichbarer Kavitation, da die erforderliche Präzision höher und die Bearbeitung anspruchsvoller ist.
Dagegen sind die Zykluszeiten in der Regel kurz, da kleine Teile schnell abkühlen und Werkzeuge mit mehreren Kavitäten üblich sind. Sobald Werkzeuge vorhanden sind, können die Stückkosten im Volumen sehr niedrig sein.
Dies führt zu einem höheren Break-Even-Volumen als beim herkömmlichen Formen. Das Mikroformen passt eher zu etablierten Programmen mit hohem Volumen als zu explorativen Arbeiten mit geringem Volumen. Für Validierungsmengen sind bearbeitete oder 3D-gedruckte Teile oder Prototypenwerkzeuge mit reduzierter Kavitation in der Regel der sinnvolle Weg vor der Bereitstellung von Produktionswerkzeugen.
Anwendungen
Medizinische Gerätesind der größte Anwendungsbereich: Katheterkomponenten, Teile für die Medikamentenverabreichung, Komponenten für chirurgische Geräte, diagnostische Verbrauchsmaterialien. Reinraumformung und vollständige Rückverfolgbarkeit sind gängige Anforderungen.
Elektronik und Anschlüssebenötigen kleine, präzise Teile aus Materialien mit spezifischen elektrischen und thermischen Eigenschaften, häufig LCP wegen seiner Fließ- und Temperatureigenschaften.
Optikerfordert Oberflächenqualität und Maßgenauigkeit, die die Werkzeug- und Prozesskontrolle stark belasten.
Mikrofluidikerfordert eine sehr feine Kanalgeometrie mit konsistentem Querschnitt, die enge Toleranzen mit anspruchsvoller Füllung verbindet.
Was Sie einem Lieferanten von Mikroformteilen fragen sollten
- Welche Maschinen verwenden Sie und wie groß ist der Schussgrößenbereich?
- Wie verwalten Sie die Verweilzeit wärmeempfindlicher Materialien?
- Welche Toleranzen können Sie für ein Merkmal meiner Größe einhalten und worauf basiert das?
- Welche Inspektionsausrüstung verwenden Sie und welche Auflösung hat sie?
- Wie berücksichtigen Sie die Messunsicherheit innerhalb des Toleranzbandes?
- Wie werden Teile nach dem Formen gehandhabt und verpackt?
- Welche Erfahrungen haben Sie mit meinem Material und meiner Anwendung gemacht?
Die Messfragen sind der nützlichste Filter. Ein Lieferant, der sorgfältig über die Messtechnik in diesem Maßstab nachgedacht hat, ist ein Lieferant, der sich mit Mikrospritzguss auskennt. Wer mit herkömmlichen Inspektionsgeräten antwortet, wendet wahrscheinlich herkömmliche Formverfahren auf kleine Teile an, was das Kernproblem darstellt, das in diesem Artikel beschrieben wird.
Eine realistische Einschätzung erhalten
Die Machbarkeit von Mikrospritzguss hängt von bestimmten Geometrie-, Material- und Toleranzkombinationen ab, und ein allgemeiner Artikel kann Ihnen nicht sagen, ob Ihr Teil realisierbar ist. Manche Designs, die anspruchsvoll aussehen, sind Routine, andere, die einfach aussehen, sind es nicht.
Elite Mold Tech betreibt Mikrospritzguss neben konventionellem Spritzguss, Werkzeugbau und Präzisionsbearbeitung in einer einzigen Anlage. Durch das Senden einer Teiledatei mit Toleranzen und dem vorgesehenen Material wird eine Machbarkeitsbewertung erstellt, die den Werkzeugansatz, die erreichbare Toleranz und die Prüfmethode umfasst und nicht nur einen Preis.
Häufig gestellte Fragen
F: Wie klein können Spritzgussteile sein?
A: Routinemäßig werden sehr kleine Teile mit einem Gewicht von Bruchteilen eines Gramms hergestellt, deren Merkmale in Mikrometern gemessen werden. Die praktische Grenze hängt von der Geometrie, den Materialflusseigenschaften und der erreichbaren Werkzeuggenauigkeit ab.
F: Warum benötigen Mikroteile spezielle Maschinen?
A: Herkömmliche Maschinen können winzige Schüsse nicht genau dosieren, und das Material verbleibt lange genug in einem übergroßen Lauf, um sich thermisch zu zersetzen. Mikroformmaschinen verwenden kleinere Einspritzeinheiten mit feinerer Steuerung und kürzerer Verweilzeit.
F: Welche Toleranzen können beim Mikroformen eingehalten werden?
A: Enge absolute Toleranzen sind erreichbar, sie verkleinern sich jedoch nicht proportional zur Teilegröße. Werkzeugpräzision, Schrumpfungsvariation und Messfähigkeit setzen praktische Grenzen, die pro Teil bewertet werden müssen.
F: Können glasfaserverstärkte Materialien mikrogeformt werden?
A: Mit Vorsicht. Für herkömmliche Teile dimensionierte Fasern können in ihrer Länge mit Mikromerkmalen vergleichbar sein, was zu Füllproblemen und inkonsistenten Eigenschaften führt. Im Allgemeinen werden ungefüllte Sorten oder feine Füllstoffe bevorzugt.
F: Wie werden Mikroformteile geprüft?
A: Normalerweise mit optischen Systemen oder Bildverarbeitungssystemen und manchmal mit CT-Scans für interne Merkmale, da die Kontaktmessung das Teil verformen kann und Standardsonden die Merkmalsgröße überschreiten können.