Литье деталей сверхмалых размеров, иначе микролитье, является быстро растущим производственным сектором, обусловленным спросом на все меньшие и меньшие медицинские детали и электронные компоненты. Интерес к микролитью ведет производителей к новым направлениям. Микроформование включает в себя изготовление крошечных деталей, таких как стальная пресс-форма, с использованием специальных инструментов и процессов. Относительно новый и сложный процесс, микролитье быстро набирает популярность, что обусловлено постоянно растущим спросом на все меньшие и меньшие медицинские детали и электронные компоненты.
Деннис Талли, президент MTD Micro Moulding в Чарльтоне, штат Массачусетс, выполняет литье деталей, изготавливая крошечные пластиковые детали с помощью процесса литья под давлением. Это основная деятельность компании. Основанная в 1972 году его отцом, MTD изначально была традиционным предприятием по изготовлению инструментов и штампов, но к 2001 году компания начала заниматься микролитьем в результате размещения заказа одного из клиентов. Сегодня в MTD работают 32 сотрудника, и большая часть его доходов поступает от микролитья.
Талли описывает микролитье как специализированное ремесло, которое не каждый может освоить.
«Набор навыков, необходимый для микро, немного отличается от макро, не только со стороны инструмента, но и со стороны технологии литья деталей», - сказал Талли. Микролитье включает в себя изготовление очень маленьких деталей с помощью очень маленьких инструментов и форм.
Хотя стандартного определения микролитьевых компонентов не существует, общепринятое в отрасли стандарты таких компонентов обычно включают следующее:
- Толщина стенки готовой детали менее 0,005 дюйма;
- Допуски от 0,0001 до 0,0002 дюйма;
- Геометрия видна только с помощью микроскопа.
Эти уменьшенные размеры делают микролитье идеальным для изготовления очень маленьких медицинских деталей и устройств, которые имплантируются людям. По словам Брайана Пфлюгера (Brian Pfluger), менеджера по линейке продуктов для обработки EDM в Макино, существует большой рынок для крошечных деталей и из всех сфер потребления микролитьевых деталей, вероятно, наиболее заметна медицинская.
Действительно, большая часть работы MTD направлена на крупных клиентов из области медицины. Продукты, производимые компанией Tully, включают в себя нейронные имплантаты, хирургические зажимы, шовные устройства, наконечники катетера, а также твердые и мягкие костные анкеры.
Марк Ракли, президент и главный исполнительный директор Stack Plastics в Менло-Парке, штат Калифорния, занимается литьем деталей малых размеров в течение примерно десяти лет, главным образом для производства медицинских деталей. По словам Ракли, создание правильного инструмента является жизненно важным первым шагом в этом процессе изготовления конечного изделия. «В микролитье инструмент действительно важен. Порой размер инструмента не больше самой детали», - сказал он.
«Мы с помощью современный технологий создаем инструмент для производства микродеталей. Чтобы начать производство, мы должны собрать компоненты, которые входят в формовочное оборудование. Процесс создания инструмента всегда выполняется с помощью EDM», - сказал Талли.
С этой целью MTD использует провода и микро-EDM от производителей машин AgieCharmilles (теперь называемые GF Machining Solutions), Sarix и Mitsubishi. Пфлюгер сказал, что для точного шага подходит EDM приводы UPN-01.
«Благодаря использованию станка с рабочей проволокой диаметром до 15 микрон, мы можем получать большую точность и меньшую радиусность внутреннего угла», - сказал Пфлюгер. Специальный проволочный EDM может нарезать начальные отверстия диаметром до 30 мкм и достигать точности на субмикронном уровне. Он оснащен универсальной системой управления Hyper i-company. Как только инструмент будет готов, пришло время перейти к литью под давлением. В MTD, для выполнения этой задачи, в первую очередь используется старая формовочная машина Sodick.
«Мы все еще используем наш старый станок, который мы приобрели для микролитья. Его возможности не так велики, как у современного оборудованиях, которое мы можем купить сегодня, но он по-прежнему способен на многое. И выполнять ряд проектов», - сказал он. Машина MTD Sodick является гибридной, с конструкцией шнекового поршня. «Шнек дозирует и перемещает расплавленный материал до плунжера, который подает расплавленный материал в форму. Эта технология работает очень хорошо на различных материалах. Он работает очень хорошо для множества различных форм, с которыми нам пришлось столкнуться», - сказал Талли.
Формовочные машины Sodick имеют двухступенчатый процесс впрыска, который обеспечивает высокую точность и повторяемость литья деталей. Эти машины для литья под давлением также обеспечивают однородные условия расплава и высокоточную систему зажима. Со своей стороны, Stack Plastics в основном использует литьевые машины от Toshiba, хотя у него также есть машины от Japan Steel Works (JSW) и аналогичного японского производителя Nissei.
Когда процесс литья под давлением завершен, MTD проводит тщательную проверку детали. «В формовочной камере у нас есть робот, который забирает продукт из пресс-формы, а затем проводит серию проверок с использованием встроенных в формовочную область систем камер, которые проверяют важные характеристики», - пояснил Талли.
В дополнение к небольшим размерам, другими проблемами микролитья являются жесткие допуски, сложная геометрия и труднообрабатываемые материалы. «Еще одна большая проблема, связанная с микролитьем, заключается не только в том, что машина должна производить детали малого размера, потому что детали теперь меньше, но и в самом станке, который должен обеспечивать высочайшее качество поверхности. Потому что с этими микро деталями невозможно провести доработку ручной полировкой», - сказал Пфлюгер.
Что касается материалов, используемых в микролитье, они включают в себя высокотекучие полиэтилены и термостойкие материалы. Полиэфирэфиркетон (ПЭЭК) очень часто используется в медицинской промышленности. «Весь материал, который мы здесь используем, относится к семейству термопластов. Мы делаем более сложные материалы, такие как ПЭТ (полиэтилентерефталат). Кроме того, мы поработали с PEEK в микро-сфере. Есть некоторые PEEK с высокой текучестью, которые работают довольно хорошо. LCP (жидкокристаллический полимер) также является действительно хорошим материалом для микролитья, потому что он имеет такие хорошие характеристики текучести», сказал Ракли.
Термопласты - это полимеры, которые становятся гибкими при нагревании, а затем затвердевают при охлаждении. Термопласт можно отливать тонким как бумага, поэтому термопласты подходят для микролитья тонкостенных микрокомпонентов. По словам Рэкли, в течение 10 лет Stack Plastics занималась литьем деталей микроразмеров, но технология не претерпела существенных изменений, хотя в оборудовании произошли улучшения. «EDM становятся лучше. Рабочий инструмент становится лучше, и вы можете использовать более тонкую проволоку, чтобы лучше резать», - сказал он.
Одной из технологий, которая потенциально может оказать существенное влияние в кругах микролитья, является 3D печать. «Я думаю, что 3D печать - это индустрия, которая очень стремительно развивается. 3D печать незаменима, по крайней мере, для разработки. Технология 3D печати способна производить детали, которые могли бы использоваться в производственной среде для возможностей ограниченного объема», - сказал Талли.
«Я не знаю, смогут ли производители 3Д принтеров достичь масштаба, который мог бы конкурировать с процессом литья деталей. Я думаю, это возможно. Я уверен, что игроки этого рынка продолжат развивать это направление». «С помощью принтера вы можете сделать намного больше с геометрией, чем при формовке», - сказал Ракли. «В конце концов, когда технология станет достаточно хорошей, они смогут печатать детали». Ракли, однако, охарактеризовал микролитье как очень сложный процесс.
Эксперты ожидают, что сектор микролитья продолжит расширяться. «Я думаю, что эта сфера определенно будет расти. Медицина и электроника, безусловно, стимулируют эту тенденцию, основанную на миниатюризации всего электронного и всего, что может быть имплантировано в организм хирургическим путем. Чем меньше, тем лучше. Популярность микролитья будет расширяться. Но с этим приходят требования к оборудованию более высокого уровня и инженерии классом выше. Для некоторых производителей стандарты в новом оснащении может стать препятствием для литья деталей сверхмалых размеров», - сказал Пфлюгер.