Прецизионные микродетали приобретают все большее значение в различных отраслях промышленности, таких как биомедицина или бытовая электроника, а также во многих других. Большинство изделий подобного назначения требуют высокой размерной точности и быстрого внедрения в серийное производство, что не так просто реализовать с помощью традиционных технологий. Так, используя такие известные технологии, как мехобработка на станках с ЧПУ, ‚электроэрозионная обработка, масочная литография или 3D-печать по технологии SLA, сложно быстро и точно изготовить определенные типы деталей, например микродиффузоры, микролинзы с шероховатостью менее 10 нм, микроиглы с 5-микрометровым наконечником, микроинжекторы с отверстиями диаметром менее 20 мкм или флюидные микрочипы со специальными фильтрами. На рис. 1 в качестве примера представлен микродиффузор сложной формы для акустических систем с тонкими столбчатыми элементами размером до 70 мкм, который невозможно выполнить с помощью литья под давлением в формообразующих деталях (ФОД) литьевых форм, изготовленных обычными методами.
Вместе с тем сочетание сложных процессов аддитивного производства, таких как двухфотонная полимеризационная 3D-микропечать (в дальнейшем – 2PP-микропечать от англ. 2-Photonen Polymerisations µ-3D-printing) и микролитье под давлением, позволило впервые преодолеть этот технологический барьер в производстве ФОД. С одной стороны, необходимой для этого компетентностью в 3D-печати обладала сравнительно молодая компания NanoVoxel, основанная в Вене в 2022 г. с амбициозной целью революционизировать промышленную 3D-печать для производства миниатюрных деталей. С другой стороны, около двух десятилетий назад некоторые машиностроители первыми разработали специальные ТПА для производства прецизионных микродеталей, в том числе компания WiBa с ее 15-тонным ТПА MicroPower 15/10. Однако, несмотря на прогресс в производстве литьевой оснастки, именно формы ограничивают возможности эффективного прецизионного микролитья из конструкторских соображений, а также из-за высоких начальных затрат и длительных сроков поставки.
Для этих целей как раз и была использована новая технология микропечати с принтером, работающим по принципу нелинейного поглощения фотонов, который заключается в следующем. Фемтосекундный лазер испускает узконаправленный луч, проходящий через систему зеркал и линз и воздействующий на светочувствительную синтетическую смолу. Подобно 3D-печати по технологии SLA/DLP, поглощенный свет вызывает химическую реакцию в смоле, в результате чего она полимеризуется и затвердевает в фокусе лазерного луча. В отличие от традиционных аддитивных технологий технология 2PP-микропечати обеспечивает субмикронную точность микроизделия вплоть до нанометрового диапазона, причем во всех трех пространственных направлениях и с высоким качеством поверхности. Подобный уровень точности и разрешения остается недостижимым и для большинства других производственных технологий. Новый метод микропечати поддерживается широким ассортиментом различных светочувствительных синтетических смол, включая фотополимерные смолы и гибридные материалы, которые выбираются в зависимости от конкретного назначения микроизделия и требований к его механическим, оптическим и химическим свойствам.
С помощью 2PP-принтеров можно в течение нескольких часов распечатать ФОД из 3D- CAD-файла с точностью, недоступной для ФОД, изготовленных даже на самых современных станках. Допуски менее 1 мкм, структуры в диапазоне 200 нм и качество поверхности со средней шероховатостью ниже 10 нм могут быть достигнуты быстро и экономично с помощью 2PP-микропечати. Кроме того, микроизделия сложной геометрической формы, которые невозможно изготовить литьем под давлением, например, из-за поднутрений, могут быть быстро напечатаны методом 2PP-микропечати. На рис. 2 в качестве примера показаны прототипы микроигл с ультраострыми наконечниками и микрополостными структурами, напечатанные на 2PP-принтере.
Недостатком описываемой технологии в настоящее время является ее ограниченная мощность для крупносерийного производства, что делает ее нерентабельной для производства деталей размером более нескольких миллиметров. С учетом ограничений, существующих как при микролитье под давлением, так и при микро-3D-печати, возникает вопрос о том, что еще можно предложить, чтобы сократить время выполнения заказа без ущерба для точности микроизделий.
В качестве решения компания NanoVoxel решила объединить преимущества обоих процессов – 2PP-микропечати и микролитья – в качестве основного направления своей деятельности. В результате быстрое изготовление прецизионных ФОД для микролитья с помощью аддитивной технологии 2PP позволяет с максимальной эффективностью переносить точность и высокое разрешение микропечати на литьевые микродетали.
В качестве примера на рис. 3 показана напечатанная ФОД, в которой была изготовлена пластиковая микрошестеренка диаметром 4 мм с точностью ±5 мкм. Благодаря такому симбиозу двух технологий сроки выполнения заказа и поставки были сокращены до двух недель (!).
Таким образом, сочетание указанных технологий можно считать прорывом в области производства филигранных прецизионных микродеталей, литье которых с допусками в диапазоне всего нескольких микрометров ранее считалось неосуществимым. Кроме того, высокоточная 2PP-микропечать позволяет изготавливать полости со структурами микрометрового размера в более крупных деталях, производство которых в настоящее время другими способами было бы чрезвычайно трудоемким, дорогостоящим или даже невозможным. Примером являются разработка и производство эндоскопа для компании aiEndoscopic (рис. 4). В начале выполнения проекта были напечатаны на 3D-принтере прототипы отдельных элементов эндоскопа в различных вариантах дизайна в целях контроля геометрических параметров и оптимизации конструкции. Затем, после проверки прототипа эндоскопа заказчиком, были изготовлены его промышленные образцы из оригинального материала, которые были успешно протестированы на соответствие требуемым механическим и функциональным характеристикам. При этом часть микроэлементов эндоскопа была напечатана на принтере (сегменты, входящие в состав полупрозрачной желтой части трубки на рис. 4, а), а часть – изготовлена микролитьем под давлением (сегменты белого цвета на титульном фото и на рис. 4, б). При этом весь проект, включая опытно-промышленные работы, был завершен в течение пяти недель.
Способность NanoVoxel сочетать различные процессы, включая прототипирование, микролитье или спекание, позволяет изготавливать высокоточные ФОД не только из фотополимеров, но и из более прочных материалов, таких как отвержденная эпоксидная смола, стекло, керамика или металл.
Для достижения максимально возможной точности литья NanoVoxel использует, как упоминалось выше, ТПА MicroPower 15/10 компании WiBa (входит в состав WITTMANN Group), специально разработанный для литья мелких и микродеталей из пластика с максимально возможными точностью и повторяемостью. (рис. 5). При этом термически гомогенный материал подается в форму двухступенчатым шнеково-поршневым узлом впрыска с объемом впрыска от 1,2 до 6,0 см3. Особая конструкция ТПА позволяет поршню узла впрыска достигать почти всей плоскости разъема инструмента, сводя к минимуму подушку расплава. Кроме того, непосредственно внутри корпуса этого ТПА и зоны формы имеется достаточно места для интеграции различного дополнительного оборудования, такого как поворотный стол, робот, сушилка или термостат. Причем роботы и периферийные устройства были разработаны компанией WITTMANN специально для этого ТПА. Так что MicroPower 15/10 представляет собой своего рода закрытую со всех сторон литьевую производственную миниячейку, которая уже в своем стандартном исполнении может работать в условиях чистого помещения для производства, например, изделий медицинского назначения.
В заключение следует заметить, что возможности NanoVoxel отнюдь не ограничиваются сочетанием 2PP-печати с литьем под давлением для производства прецизионных ФОД. Компания использует в работе и другие аддитивные технологии и материалы. При этом возможность комбинировать различные материалы в одном изделии позволяет реализовать индивидуальные и быстрые решения при разработке многофункциональной продукции, начиная от прототипа и заканчивая серийным производством. Примером служат мельчайшие структуры на более крупных деталях. Первым серийным изделием такого рода стали флюидные микросхемы из пластика с приформованными к ним 3D-печатью микроэлементами, которые невозможно было изготовить литьем под давлением.
Опубликовано в журнале «Полимерные материалы» № 9 (304) 2024 г., с. 42-45.
