巧用高精度3D打印技术，实现微型注塑模具的快速成型

高精度微型部件在生物医学、消费电子等不同领域的应用越来越广泛。大多数正在开发的应用都需要高精度、快速迭代的设计并对传统设计自由度提出了挑战。

 

标题图：内窥镜的POM微型部件是通过3D打印的注塑模具生产的© NanoVoxel

例如，目前已有的制造方法，如CNC、EDM、掩模光刻和SLA 3D打印等，很难快速精确地生产以下这些零件，如声学应用中3D细部为70µm的微扩散器（图1）、粗糙度小于10nm的微透镜、尖端为5µm的微针、孔径小于20µm的微喷嘴以及带有专用过滤器的微流体芯片等。
 
注塑模具曾为关键瓶颈

但是，当两项先进的微制造技术——2PP µ-3D打印和微注塑成型相结合时，这种情况就成为了可能。该技术是NanoVoxel公司的强项。这是一家于2022年在奥地利维也纳成立的初创公司，它颠覆了此类微型部件的行业标准。

 

图1：具有复杂特征的零件，如尺寸为1x1毫米的微型声学扩散器，可以通过2PP打印的注塑模具来可靠地复制。这种精细的70µm柱状特征无法通过传统模具生产方法制造© NanoVoxel

 

图2：3D打印微针阵列与圆珠笔尖的对比。高精度2PP打印可实现无可比拟的锋利边缘© NanoVoxel

大约二十年前，包括拥有MicroPower 15的威猛巴顿菲尔（Wittmann Battenfeld）在内的机器制造商们率先推出了专用注塑系统。这些系统专为精密微型零件量身定制，具有工业模块化和显著的经济效益。尽管这些系统具有多功能性和高精度，微型部件生产的瓶颈仍存在于注塑腔内，导致交货时间延长至20周。客户被迫接受更大的公差（±30µm），但他们对更短交货时间和更小特征的需求日益增长，尤其是在原型开发过程中。耗时的精密模具生产一直是主要瓶颈之一。

 

双光子聚合：激光焦点处的精密制造

近年来，UpNano公司的双光子打印机实现了精度与经济性的双重突破。UpNano是NanoVoxel的合作伙伴，也是一家维也纳的初创企业。这款打印机基于光子的非线性吸收原理，被称为双光子聚合（2PP）。飞秒激光发射窄聚焦光束来激发感光树脂，而扫描仪单元则移动激光束穿过Galvano 镜和透镜系统来固化树脂。

与SLA/DLP 3D打印一样，当光被吸收时，它会在树脂中引发化学反应，使其在激光束焦点处聚合并固化。但是，与现有的 3D 打印技术不同，2PP实现了对z维聚合的完全控制，因此制造的产品具有精确圆润孔和腔。与其他大多数制造技术相比，2PP打印工艺提供了无与伦比的精度和分辨率，能够创建亚微米甚至纳米精度的复杂3D微结构。因此，它成为了具有极其复杂细部和高表面质量要求的应用的理想选择。

 

公差小于一微米

有多种感光树脂可用于2PP打印，包括光致聚合物和混合材料。这些材料可根据特定应用的要求进行定制并提供广泛的机械、光学和化学特性。

2PP打印机可以在数小时内将3D-CAD文件打印成微型零件，即使传统工具制造商使用最先进的机器，其精度也无法与之比拟。这种先进的增材制造技术能够快速经济地生产出公差小于1µm、结构小至200nm、表面平均粗糙度优于10 nm的产品。

因为底切等原因而无法通过注塑成型生产的构型也可以通过3D打印快速生产。图2 所示为2PP打印的微针原型，其具有锋利的边缘和微空心结构。

目前，该技术的缺点是它无法进行大批量生产，因此对于大于几毫米的零件来说不太划算。

 

两周内即可完成微注塑成型模具

微成型和微3D打印的局限性引出了一个问题：哪些变化可以缩短交货时间、确保高精度并保持高生产率？

为了回答这一问题，NanoVoxel GmbH公司结合了两者的优点，建立了2PP打印和微注塑相结合的核心业务。通过利用2PP 3D 打印来快速生产高精度微注塑模具，它以极高的效率将2PP的精度和分辨率复制到了模制微型部件中。图3所示为通过其中一个打印腔体模制的微型齿轮。

NanoVoxel公司的目标是成为一个能够提供灵活的多种制造解决方案的一站式服务平台，并努力成为微制造领域最具创新力的公司之一。作为一家服务提供商，NanoVoxel的多学科专家团队将这些不同的技术结合起来，为客户提供从原型生产到大批量生产的服务。

这一出色的成就将结构制造的时间压缩到了令人难以置信的两周内。

 

图3：该3D打印的腔体嵌件（左）被用于4mm POM齿轮（右）的注塑成型，其精度为±5µm© NanoVoxel

NanoVoxel自此在微型部件成型方面取得了以前无法实现的突破，能够高精度、可重复地模制精细的小型结构并将公差控制在几微米范围内。此外，通过高精度2PP 3D打印创建模具腔体可用于生产具有几微米特征的较大部件，否则这一过程将非常耗时、昂贵或无法成功。

 

图4：为aiEndoscopic公司开发的原型内窥镜的端臂。黄色半透明部分通过3D 打印段制成，而白色部分则由POM模制而成 © NanoVoxel

 

母模制作、铸造、烧结和微注塑成型

NanoVoxel公司的服务案例之一是为aiEndoscope公司开发和制造内窥镜（图4）：内窥镜的各个部分最初在原型设计阶段以不同的设计变型进行打印，以进行几何测试和优化。在经过客户的设计验证后，快速成型的部件被生产出来并进行功能和机械测试。该项目的所有制造过程和迭代都在五周内完成。

结合母模制作、铸造和烧结等不同工艺的能力使NanoVoxel能够以其最高精度制造模具，不仅可以使用 3D 打印材料，还能够使用更坚固的材料，如玻璃、陶瓷和金属等。

 

精确控制注射

为了充分利用模具的最高精度，NanoVoxel使用了威猛集团生产的MicroPower 15（图5）。威猛集团是一家领先的注塑机和自动化解决方案制造商。MicroPower系列机器的锁模力为150kN，专为具有高精度和高重复精度的极小部件和微型部件的经济生产而设计。注射容积为1.2-6.0cm3两级螺杆活塞注射单元注射的熔体受热均匀，因此能够生产出具有出色精度的部件，同时生产极其稳定，循环时间极短。

 

图5：MicroPower 15/10已兼容洁净室生产标准 © WITTMANN Group

该机器的独特设计使注射柱塞几乎到达模具的分型线，因此将质量缓冲降至最低。此外，该机器的标准版本已兼容洁净室生产：它采用封闭的外壳单元设计。外壳单元为旋转台、机器人、材料干燥机和温度控制单元等设备选型的集成提供了足够的空间。威猛集团生产的机器人和外围设备都针对该机器进行了改装。

全电动驱动系统的所有驱动模块（包括所有机械部件）都封装在易于清洁的外壳中。为了成功注塑出精密且质量稳定的微型零件并实现批量生产，对极少量受热均匀的热塑性塑料进行极其精确的控制极为关键。

 

直接在不同材料上打印结构

2PP打印与微注塑成型的结合不仅仅局限于高精度快速制模工艺。NanoVoxel GmbH公司为微制造行业带来了重大突破，它还能够在用其他工艺制造的不同材料的部件上直接进行2PP打印。这种打印可以在许多材料上进行，包括玻璃、陶瓷、碳基板、金属和塑料等。此外，它还能将各种材料组合起来以实现不同的功能，这种可定制性是快速原型制作、产品开发和批量生产的理想选择。

因此，客户能够将详细的功能特征直接打印在通过更高效的工艺制成的大型部件上。该技术已初步应用于微流体领域。通过在需要的地方使用这一先进的打印工艺，NanoVoxel已成功地将不可模制的特征打印到商业芯片中。

 

为非常规的部件构型提供创新解决方案

NanoVoxel在微制造工艺方面的高效为不同行业的设计师和工程师开辟了新的创造性途径，并彻底改变了复杂的功能性定制微型零件的设计和制造方式。NanoVoxel致力于推进微制造技术和创新的解决方案，即使是非常规的部件构型，它也将努力提供富有创意、高效而又简单的制造方法。

 

本文翻译自Plastics Insights杂志
作者：Martin Ganz

 

来源：荣格-《国际塑料商情》

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