Il microstampaggio non è semplicemente uno stampaggio a iniezione eseguito in dimensioni più piccole. Al di sotto di una certa dimensione del pezzo, diversi oggetti smettono di ridimensionarsi e iniziano a comportarsi in modo diverso, e le attrezzature configurate per lo stampaggio convenzionale producono scarsi risultati, indipendentemente dall'abilità dell'operatore.
Lo spostamento avviene gradualmente anziché a una soglia definita, ma i pezzi di peso ben inferiore a un grammo, o con caratteristiche misurate in decine di micron, rientrano saldamente nel territorio del microstampaggio. Componenti di dispositivi medici, connettori elettronici, parti ottiche e dispositivi microfluidici sono le applicazioni abituali.
Questa guida spiega cosa cambia effettivamente, cosa significa per la progettazione e cosa chiedere a un fornitore.
Perché le piccole parti necessitano di attrezzature diverse
Dimensioni del colpo e dimensionamento della macchina
Una macchina per lo stampaggio convenzionale è dimensionata in base alla sua capacità di iniezione. Utilizzando una macchina di grandi dimensioni per una parte minuscola, il materiale rimane nel cilindro molto più a lungo del previsto, il che per molti tecnopolimeri significa degradazione termica.
Il tempo di residenza è la questione pratica. Una macchina dimensionata per pallini da 100 grammi che esegue una parte da 0,05 grammi fa circolare ripetutamente lo stesso materiale attraverso la canna. I polimeri sensibili al calore si degradano e la degradazione non è sempre visibile nella parte ma si evidenzia nelle proprietà.
Le macchine per microstampaggio utilizzano unità di iniezione molto più piccole, spesso con disposizioni di dosaggio diverse rispetto a una vite alternativa convenzionale, specificamente per controllare accuratamente la dimensione della iniezione a questi volumi e limitare il tempo di permanenza.
Risoluzione del controllo dell'iniezione
Iniettare con precisione una frazione di grammo richiede una risoluzione che le macchine convenzionali non hanno. Piccole variazioni che sarebbero trascurabili in gran parte rappresentano una grande parte di una micro-inquadratura.
L'attrezzatura per il microstampaggio è costruita per questo controllo, con una posizione più precisa e una risoluzione della pressione.
Rapporto corridore-parte
In un micropezzo la guida spesso pesa molto di più del pezzo stesso. A volte molte volte di più.
Ciò ha due conseguenze. Lo spreco di materiale diventa significativo rispetto al peso della parte e la storia termica del materiale è dominata dal corridore piuttosto che dalla parte. Gli utensili per microstampaggio utilizzano spesso canali caldi miniaturizzati o sistemi di microcanali accuratamente progettati per gestire tutto ciò.
Differenze di utensili
Le tolleranze sull'utensile sono più strette.Se la caratteristica di una parte è di 100 micron e deve essere mantenuta entro una piccola percentuale, lo strumento deve essere realizzato in una frazione di tale percentuale. Ciò spinge gli utensili verso il territorio della lavorazione di precisione, dell’elettroerosione a filo e talvolta della microelettroerosione.
Lo sfiato diventa fondamentale.L'aria deve fuoriuscire man mano che la cavità si riempie, ma le prese d'aria di dimensioni convenzionali lampeggiano su una micro parte. Sono comuni profondità di sfiato misurate in pochi micron, che richiedono una lavorazione precisa e un'attenta manutenzione poiché si bloccano facilmente.
L'espulsione è più difficile.I perni di espulsione su una parte molto piccola possono avere dimensioni paragonabili alle caratteristiche e la parte potrebbe essere troppo delicata per essere spinta. Diventano necessarie strategie di espulsione alternative, tra cui l'aria, la disposizione degli estrattori o un'attenta progettazione del cancello.
Movimentazione e imballaggio.Le parti troppo piccole per essere ritirate singolarmente necessitano di una movimentazione automatizzata e l’imballaggio deve prevenire perdite e danni. Sembra banale e non lo è, poiché una parte che non può essere trasferita in modo affidabile dallo stampo alla confezione non è producibile in grandi quantità.
Tolleranze
Le parti microstampate possono mantenere tolleranze assolute ristrette, ma la relazione tra tolleranza e dimensione della parte si comporta in modo diverso da quanto suggerisce l'intuito.
La tolleranza ottenibile non si riduce proporzionalmente alla dimensione della parte. Una tolleranza che è di routine come percentuale su un pezzo grande diventa molto impegnativa su un pezzo piccolo, perché il valore assoluto si avvicina ai limiti della precisione dell'utensileria, della prevedibilità del ritiro e della capacità di misurazione.
Tre fattori fissano il limite:
Precisione dello strumento.La cavità non può essere realizzata con maggiore precisione di quanto consentito dal processo di lavorazione.
Prevedibilità delle contrazioni.I polimeri si ritirano mentre si raffreddano e, sebbene il ritiro sia compensato nella progettazione dell'utensile, la sua variazione non è perfettamente uniforme. Su una piccola parte, piccole variazioni di ritiro assoluto rappresentano una quota maggiore della fascia di tolleranza.
Misurazione.Il che porta a un punto che sorprende molti acquirenti.
L'ispezione è un problema specifico
La misurazione delle microparti richiede metodi diversi. La misurazione del contatto potrebbe deformare la parte. Le macchine di misura a coordinate standard potrebbero non avere la risoluzione richiesta e la loro sonda potrebbe essere più grande dell'elemento.
I sistemi di misurazione ottica e visiva e, in alcuni casi, la scansione della tomografia computerizzata per le caratteristiche interne, sono i percorsi abituali.
Ciò è importante dal punto di vista commerciale per due motivi. Innanzitutto, un fornitore che dichiara microtolleranze strette deve essere in grado di dimostrare come le misura e “abbiamo una CMM” non è sufficiente su questa scala. In secondo luogo, l’incertezza della misurazione consuma parte della fascia di tolleranza. Se la tolleranza è di 10 micron e il sistema di misurazione comporta un'incertezza significativa, meno di 10 micron di quella banda sono effettivamente disponibili per il processo.
Chiedere specificamente quale attrezzatura viene utilizzata, qual è la sua risoluzione e come viene tenuta in considerazione l'incertezza di misura.
Materiali
La maggior parte dei materiali termoplastici tecnici può essere microstampata, ma la selezione dei materiali è più vincolata rispetto a quella su scala convenzionale.
La dimensione del riempitivo è importante.Le fibre di vetro dimensionate per le parti convenzionali possono essere paragonabili in lunghezza alle caratteristiche delle microparti, il che causa problemi di riempimento e proprietà incoerenti. Generalmente sono preferiti i gradi non riempiti o quelli con riempitivi fini.
Le caratteristiche del flusso contano di più.Il riempimento di una cavità molto piccola attraverso un accesso molto piccolo richiede un buon flusso. I gradi ad alta viscosità che riempiono adeguatamente le parti convenzionali potrebbero non riempire le microcavità.
La stabilità termica conta di più.A causa del tempo di permanenza e del rapporto tra corridore e parte, i materiali sensibili al calore subiscono una maggiore esposizione termica per unità di peso della parte rispetto alla scala convenzionale.
Materiali comuni per microstampaggioincludono PEEK, LCP, POM, PC, PP, qualità di nylon e vari polimeri per uso medico. Laddove è richiesto un grado specifico, confermare l'idoneità al microstampaggio sia con il fornitore del materiale che con lo stampatore.
Considerazioni sulla progettazione
Molte regole di progettazione convenzionali sono ancora valide, e alcune si applicano in modo più rigoroso.
Spessore della parete uniformerimane importante, e le conseguenze della sua violazione sono le stesse: ritiro differenziale, deformazione e affondamento.
Angoli di sformorimangono necessari. Le parti molto piccole sono più suscettibili ai danni da espulsione, quindi un angolo di spoglia adeguato conta di più, non di meno.
Posizione del cancellodiventa più vincolato. Il cancello è grande rispetto alla parte, quindi la sua posizione e le tracce che lascia sono considerazioni di progettazione significative piuttosto che dettagli.
Raggi agli angoliaiutano a riempire e ridurre lo stress e, su scala microscopica, gli angoli acuti sono anche più difficili da inserire con precisione nell'utensile.
Rapporti d'aspettobisogno di cure. Caratteristiche molto profonde e molto sottili sono difficili da riempire e difficili da espellere, e l'acciaio per utensili che le costituisce è fragile.
Le tolleranze dovrebbero essere specificate solo dove la funzione lo richiede.Come su qualsiasi scala, ma qui la penalità in termini di costi è più elevata.
Volume e costo
Gli utensili per microstampaggio costano di più rispetto agli utensili convenzionali con cavitazione comparabile, perché la precisione richiesta è maggiore e la lavorazione più impegnativa.
Al contrario, i tempi di ciclo sono generalmente brevi, poiché le parti piccole si raffreddano rapidamente e gli utensili multi-cavità sono comuni. Una volta che esistono gli utensili, i costi unitari a volume possono essere molto bassi.
Ciò implica un volume di pareggio più elevato rispetto allo stampaggio convenzionale. Il microstampaggio si adatta a programmi consolidati ad alto volume piuttosto che a lavori esplorativi a basso volume. Per le quantità di validazione, le parti lavorate a macchina o stampate in 3D o i prototipi di utensili a cavitazione ridotta sono solitamente il percorso sensato prima di impegnare le attrezzature di produzione.
Applicazioni
Dispositivi medicirappresentano l'area di applicazione più vasta: componenti di cateteri, parti per la somministrazione di farmaci, componenti di dispositivi chirurgici, materiali di consumo diagnostici. Lo stampaggio in camera bianca e la completa tracciabilità sono requisiti comuni.
Elettronica e connettorinecessitano di piccole parti precise in materiali con proprietà elettriche e termiche specifiche, spesso LCP per le sue caratteristiche di flusso e temperatura.
Otticarichiede qualità superficiale e precisione dimensionale che spingono fortemente il controllo degli utensili e del processo.
Microfluidicanecessita di una geometria del canale molto fine con sezione trasversale costante, che combini una tolleranza stretta con un riempimento impegnativo.
Cosa chiedere a un fornitore di microstampaggio
- Quali macchine utilizzate e qual è la gamma di dimensioni dei colpi?
- Come gestite il tempo di permanenza dei materiali sensibili al calore?
- Quali tolleranze puoi mantenere su una caratteristica della mia taglia e su cosa si basa?
- Quali apparecchiature di ispezione utilizzate e qual è la loro risoluzione?
- Come si tiene conto dell'incertezza di misura all'interno della banda di tolleranza?
- Come vengono gestiti e imballati i pezzi dopo lo stampaggio?
- Qual è la tua esperienza con il mio materiale e la mia applicazione?
Le domande di misurazione sono il filtro più utile. Un fornitore che ha riflettuto attentamente sulla metrologia su questa scala è un fornitore che comprende il micro stampaggio. Chi risponde con apparecchiature di ispezione convenzionali probabilmente applica la pratica di stampaggio convenzionale a parti di piccole dimensioni, che è il problema principale descritto in questo articolo.
Ottenere una valutazione realistica
La fattibilità del microstampaggio dipende da combinazioni specifiche di geometria, materiale e tolleranza e un articolo generale non può dirti se la tua parte è fattibile. Alcuni progetti che sembrano impegnativi sono di routine, mentre altri che sembrano semplici non lo sono.
Elite Mold Tech esegue il micro stampaggio insieme allo stampaggio a iniezione convenzionale, alle attrezzature e alla lavorazione di precisione da un'unica struttura. L'invio di un file di parti con tolleranze e materiale previsto produce una valutazione di fattibilità che copre l'approccio dell'utensileria, la tolleranza ottenibile e il metodo di ispezione piuttosto che un solo prezzo.
Domande frequenti
D: Quanto possono essere piccole le parti stampate a iniezione?
R: Vengono normalmente prodotti pezzi molto piccoli che pesano piccole frazioni di grammo, con caratteristiche misurate in micron. Il limite pratico dipende dalla geometria, dalle caratteristiche del flusso del materiale e dalla precisione degli utensili ottenibile.
D: Perché le microparti necessitano di macchine specializzate?
R: Le macchine convenzionali non possono dosare con precisione piccoli colpi e il materiale rimane in una canna sovradimensionata abbastanza a lungo da degradarsi termicamente. Le macchine per microstampaggio utilizzano unità di iniezione più piccole con un controllo più preciso e tempi di permanenza più brevi.
D: Quali tolleranze può contenere il micro stampaggio?
R: È possibile ottenere tolleranze assolute strette, ma non si riducono proporzionalmente alle dimensioni della parte. La precisione dell'utensile, la variazione del ritiro e la capacità di misurazione stabiliscono tutti limiti pratici che devono essere valutati per parte.
D: I materiali riempiti di vetro possono essere microstampati?
R: Con cautela. Le fibre dimensionate per le parti convenzionali possono essere paragonabili in lunghezza a microcaratteristiche, causando problemi di riempimento e proprietà incoerenti. Generalmente sono preferiti i gradi non riempiti o i riempitivi fini.
D: Come vengono ispezionate le parti microstampate?
R: Solitamente con sistemi ottici o di visione e talvolta con scansione TC per le caratteristiche interne, poiché la misurazione a contatto può deformare la parte e le sonde standard possono superare le dimensioni della parte.