医疗行业对纳米和微型组件的需求不断增长，这促使制造商不断改进其制造工艺，并采用科学的方法进行注塑成型和加工。从模具设计、模具生产和加工的角度来看，微米和纳米产品对工程和制造提出了重大挑战，以最终获得可供最终使用的优质零件。壁厚和几何形状是挑战微米和纳米制造操作的关键组成部分。由于模制零件的设计公差极其精确，薄壁区域在 0.003 英寸（0.08 毫米）范围内，并且需要复杂的几何形状和近乎尖锐的角，因此每个模具都需要以正确的方式设计和制造，具体取决于特定客户的要求。

模具组件

纳米模具工程的一个关键因素始于模具组件和所需材料的分解。使用的材料范围从具有良好抗冲击性和高硬度的 S-7 模具钢，到具有高温强度和抗软化性的 H-13 模具钢，再到 O6 油硬化模具钢，用于其良好的“抗摩擦”性能和出色的金属对金属耐磨性。

尽管使用了高强度材料，但微米级和纳米级模具部件仍然非常脆弱。工程师必须了解容易损坏的关键部件，并考虑到在模制生产运行过程中损坏模具时的维修措施。

我们的工程师结合使用模流分析对微米和纳米模制零件进行流动模拟，以验证模具的设计和可加工性。在这一点上，观察数据以确定空腔是否正确填充，定位潜在的气穴，并确保不会在关键区域形成焊接/编织线，从而可能使结构完整性降低标称强度的 80%的一部分。

模流允许分析剪切速率、剪切应力和残余应力等值，这些值是加工高质量薄壁零件的非常重要的因素。

剪切速率通常描述为层间流动速率。它受注射流速的影响，随着速度的增加，剪切速率也会增加。这会产生剪切热——在没有外部温度的情况下加热材料的能力——并降低粘度。材料供应商在其规范中会有一个最大水平，如果超过最大水平，可能会出现材料降解等问题。根据典型的熔体曲线，剪切率最高的地方是流动层之间的行程最大，通常是在成型壁和熔化材料之间，或者在静止的冻结材料和熔化材料之间。

剪切应力是聚合物分子彼此相邻流动所产生的力的量度。由于模具壁熔化或固化材料熔化的剪切速率最高，因此这些位置的剪切应力最高。模流分析可确保剪切应力均匀分布，并且力值不会太高。

残余应力基本上是由于加工参数（例如“冻结”在模制部件中的流量或温度）而产生的模内应力。这与剪切应力有关，因为它是可能导致残余应力的来源之一。其他因素可以是从温度到一般加工条件的任何因素。在模流分析中观察到的残余力可能会导致翘曲、收缩和其他类似问题。

工程师在他们的模拟中使用一组工艺参数来最小化残余应力。成型中的残余应力会导致变形，因为熔化的材料凝固得太快，然后试图松弛到原来的尺寸。这通常的特征是材料注入速度过快，随后是快速冷却循环。

纳米和微米级成型可归类为精密高速注塑成型，因为注塑速度可以是传统注塑成型的十倍。必须使用高剪切率、压力和热量来抵消薄壁的限制性流动路径，从而在材料凝固之前填充空腔。

窄窗

这些极端条件会带来许多加工问题，反过来又会产生非常狭窄的加工窗口，即使是最轻微的偏差也可能导致零件损坏。

随着剪切速率的增加，可以在不增加模具温度的情况下向熔化的材料施加额外的热量。但是，必须注意不要超过材料的剪切率规格，因为这会导致材料在流动过程中降解。随着剪切速率的增加，材料内的应力也会增加。如果剪切速率达到临界剪切应力点以上的值，则材料中的主要键可能会受到损害。

例如，如果液晶聚合物 (LCP) 等含有 30% 玻璃填料（增强纤维）的材料达到过高的剪切应力率，分子链就会撕裂。这种材料往往具有高耐热性、高耐化学性和高机械强度。

通常，对于玻璃填充树脂，必须假定最小纤维长度以保持材料的结构特性。这意味着，如果树脂的玻璃填料的纤维长度为 0.003 英寸，而模具部件的壁厚为 0.003 英寸，则可能会出现严重问题。

对于 LCP 模塑纳米部件，一个常见的问题是开裂或裂纹。这被简单地定义为模制部件中的断裂，但它并不那么容易补救。通过增加注射压力和填充率，可以产生超过材料抗拉强度的内应力，并导致零件在脱模后继续冷却时开裂。

导致薄壁部件开裂的另一个因素是由脱模力引发的，因为它从模具中拔出零件。底切、粗糙表面条件和/或无拔模等因素可能会导致这种情况。在纳米零件的精密注塑成型中，严格的公差是常态——有时要求特征保持在 ±0.00025 英寸（0.0064 毫米）以内，这实际上消除了拔模型腔特征的可能性。

为了克服这个问题，重要的是要确保表面粗糙度尽可能光滑。这始于称为电火花加工 (EDM) 的模具的制造阶段。通过使用晶粒尺寸小于 1 µ 的高密度碳电极，我们相信我们可以实现最佳的表面光洁度并生产出接近尖角的产品——这是某些模具的基本要求。抛光所有成型表面以降低零件提取过程中的摩擦系数并改善成型零件的外观也很重要。

此外，为了克服纳米成型零件常见的变形和开裂等问题因素，我们在注塑机上采用了特殊的加工设备。为了在熔化和注射阶段提供精确和更好的材料控制，使用了独特的 8 毫米注射螺杆单元。这确保了注射前熔化材料的均匀成分，以及最小的注射量和显着缩短的保压时间。

材料选择和过程监控

正确的材料选择也成为医疗部件精密注塑成型的一个重要因素。在某些情况下，有几种不同等级的聚合物可供选择，它们都可以满足客户的要求。尽管这些不同等级可能相似，但它们之间的熔体流动可能非常不同；因此，加工工程师有责任确定能够正确填充型腔的材料的具体等级，从而使模制零件达到并超过客户规格。某些可能包含磨蚀性填料（例如 LCP）的材料，由于其玻璃含量，会导致模具磨损。如果不使用合适的模具钢，这些材料会在模具生命周期的早期造成磨损。鉴于这些因素，

在注塑部件的生产过程中，始终确保 100% 质量合格的产品非常重要。如果在生产运行过程中模塑部件存在缺陷，则重要的是要识别所有受影响的模塑部件并将它们隔离为“故障”。如果在组装好的医疗最终产品中允许出现故障部件，那将是灾难性的。

除了所有最新的 moldflow 软件外，有时制造商可能还需要使用过程监控软件将理论数据与实验数据相关联。具体来说，这意味着结合型腔压力/温度传感器进行监测和评估。

型腔压力被广泛认为是最重要的加工变量之一，最终可以成为零件完整性和质量的特征。由于精密模制纳米组件的加工窗口狭窄，温度和压力的轻微变化以及原材料成分的变化都可能导致零件报废/有缺陷。为了更好地了解模具型腔内发生的情况，制造商集成了型腔压力传感器，可以记录填充、保压和保压阶段的数据，从而创建型腔压力曲线。通过分析这些数据，可以有效地进行动态更改以解决处理问题或优化周期。

在精密注塑成型中有许多实例，重复的工艺参数和注塑机可能会导致成型零件的质量差异。通过主动监测型腔压力分布，可以设置一个基线，以便在理论上为未来的生产运行复制零件质量，并确保均匀的压力分布。

自动化也可以通过将机器人技术与过程监控软件认为有缺陷的报废零件结合起来。这可以帮助制造商消除手动零件分类的需要。处理参数也可以通过某些机器参数的实时控制来自动化。这种动态控制依赖于传感器的反馈，然后解释数据。通过监测型腔压力、生成和评估轮廓曲线，控制器可以向注塑机发送信号以优化工艺参数。

通过利用可用的不同尖端技术资源，制造商能够生产出超出客户要求的优质精密零件。从工程和模流分析到精密制造和专业加工技术，它们为不断发展的纳米组件世界做出了贡献。

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