Mikroformowanie wtryskowe stanowi – obok mikrotłoczenia na gorąco i mikroodlewania – podstawową metodę produkcji detali o wymiarach rzędu mikro- i nanometrów.

Chociaż nazwa “mikrowtrysk” sugeruje, że proces ten jest tożsamy z formowaniem wtryskowym, jego skala wymaga zupełnie innej organizacji produkcji – począwszy od przygotowania formy, a na kontroli jakości skończywszy.

Mikrowtrysk jest w gruncie rzeczy sztuką samą w sobie. Wymaga bowiem nie tylko odpowiedniego wyposażenia, ale przede wszystkim ogromnej wiedzy i wieloletniego doświadczenia w produkcji mikroskopijnych detali. Jak w każdej dziedzinie sztuki, także i tutaj dopiero regularne ćwiczenie i przekraczanie kolejnych granic czyni z operatora prawdziwego mistrza w swoim fachu.

Dlaczego więc mikroformowanie wtryskowe tak często jest utożsamiane z konwencjonalnym formowaniem? Po części winna jest temu sama nazwa, która sugeruje, że proces ten przebiega dokładnie tak samo jak w przypadku tradycyjnego wtrysku – tyle że w skali mikro, a po części wolumen produkcji, który nie pozostawia wątpliwości, że mamy tu do czynienia z procesem masowym. A jednak produkcja wielkoseryjna jest w tym przypadku poprzedzona niemal nadludzkimi zmaganiami z ograniczeniami stawianymi przez dostępną technologię.

Mikrowtrysk, czyli co?

Utożsamianie mikroformowania z formowaniem wtryskowym – choć co do zasady błędne – ma pewne racjonalne podstawy: podobnie jak w przypadku konwencjonalnego wtrysku także i tutaj detal formuje się przez wprowadzenie materiału do formy. I podobnie jak w metodzie tradycyjnej proces ten składa się z czterech podstawowych faz: przygotowania formy, wprowadzenia do niej roztopionego granulatu, stygnięcia materiału w formie oraz wyciągnięcia gotowego detalu.

Jeśli jednak dokładnie przyjrzymy się każdej z nich, dostrzeżemy, że wymaga ona zupełnie innego podejścia do kwestii projektowania maszyn i narzędzi, parametryzacji procesu czy choćby kontroli jakości. A wszystko za sprawą specjalnych wymogów stawianych przez mikroskopijne wymiary detali.

Jak małe muszą one być, by móc mówić o mikroformowaniu wtryskowym? Specjaliści nie są w tej materii zgodni: jedni twierdzą, że żaden z wymiarów zewnętrznych nie może przekraczać 1000 µm; inni dowodzą, że gotowe detale powinny ważyć mniej niż 1 g, a jeszcze inni uważają, że mikroformować można nawet duże komponenty – pod warunkiem, że sama obróbka odbywa się w skali mikro, a więc z zachowaniem niewielkich tolerancji, zwykle rzędu 0,01-5 µm.

Oznacza to, że mikroformowaniem będzie także proces wykonania dużego detalu o niezwykle cienkich ściankach (np. 0,1 mm) lub mikroskopijnych otworach. Wymaga on bowiem zastosowania specjalnej formy i odmiennej parametryzacji procesu.

Z punktu widzenia odbiorców mikrodetali istotne znaczenie ma fakt, że metodą tą można formować niemal każdy materiał – począwszy od konwencjonalnych termoplastów, przez polimery wysokosprawne (takie jak PEEK, PEI) i ciekłokrystaliczne wzmacniane włóknem węglowym, po poliamid z dodatkiem włókna szklanego, duromery i elastomery (żywice).

Uniwersalność ta sprawia, że mikrokomponentami formowanymi wtryskowo zainteresowany jest cały szereg branż – od sektora medycznego, produkcji elektroniki i telekomunikacji, po IT, producentów sprzętu biurowego i branżę automotive, a oferta wytwarzanych tą techniką detali obejmuje zarówno przekładnie zębate i ich obudowy, jak i aparaty słuchowe, urządzenia MID (wyposażone w połączenia elektryczne), szpule, czujniki, przełączniki, soczewki, cewniki, uszczelki, wałki i komponenty światłowodów. Co więcej, te mikroskopijne części wyposażone są w jeszcze mniejsze elementy składowe, takie jak otwory, piny, kanały czy zaczepy. Jak to możliwe?

Forma inna niż wszystkie

Tajemnica leży w odpowiednim zaprojektowaniu formy wtryskowej. A nie jest to zadanie łatwe, biorąc pod uwagę, że forma taka może mieć złożoną geometrię i dodatkowe elementy, takie jak kanały czy słupki.

Część producentów detali formowanych z zastosowaniem mikrowtrysku powołała specjalne działy zajmujące się projektowaniem i budową takich form, stawiając na wygodę związaną z możliwością ich bieżącej modyfikacji i naprawy na miejscu. Inni zadanie to oddelegowali na zewnątrz.

W ten sposób powstała całkowicie nowa grupa producentów specjalizujących się w wytwarzaniu form wtryskowych w skali mikro.

[…]

Sprzęt do zadań specjalnych

Nawet najstaranniej skonstruowana forma wtryskowa na nic by się jednak zdała, gdyby nie odpowiednio zaprojektowana maszyna. Ponieważ ilość wtryskiwanego tworzywa jest równie mikroskopijna jak sama forma, wtrysk realizowany jest bardzo szybko.

W takich warunkach trudno przeprowadzić efektywną analizę temperatury, ciśnienia czy ilości wtryskiwanego tworzywa, a więc standardowych procedur realizowanych podczas formowania wtryskowego. Dlatego zamiast nich przeprowadza się zaawansowane symulacje przebiegu procesu z wykorzystaniem specjalistycznego oprogramowania dedykowanego właśnie mikrowtryskowi.

[…]

Co przyniesie przyszłość?

Odpowiednio zaprojektowane oprzyrządowanie i nowoczesne oprogramowanie stanowi jednocześnie warunek konieczny realizacji procesu mikrowtrysku oraz fundament dalszego rozwoju stojącej za nim technologii.

Kierunek owego rozwoju jest tożsamy z tym, który charakteryzował samo formowanie wtryskowe: oprócz tradycyjnego wtrysku jednokomponentowego na rynku pojawiają się również producenci oferujący możliwość tworzenia mikrokonstrukcji z zapraskami, a także formowania detali z dwóch materiałów (wtrysk dwukomponentowy).

[…]

Pełna wersja artykułu ukazała się w nr 2/2020 miesiecznika “Plastime Magazine”. Zaprenumeruj: https://plastime.pl/prenumerata/