Mikroszkopikus csodák – Mikro- és nanofröccsöntés

Egy korábbi cikkemben röviden bemutattam a világ legnagyobb fröccsöntő gépeit. A bevezetőben már ott is rávilágítottam arra, hogy napjainkban gyakorlatilag az élet minden területén a termékeket a lehető legkisebb helyen, a lehető legprecízebben szeretnénk megvalósítani. Számos területen a fröccsöntéssel előállított termékek – megfelelő alapanyag választás mellett- minőségben és árban is vetélytársai lehetnek a hagyományos szerkezeti anyagokból készülteknek, értve ez alatt a fém vagy a kerámia termékeket is. Nincs ez másképp a mikro – és a nanofröccsöntés területén sem, ráadásul ezekkel a technológiákkal olyan termékeket is életre hívhatunk, melyeket más hagyományos megmunkálási módszerekkel csak nehezen, vagy egyáltalán nem lehetne megalkotni. A fröccsöntés ezen részterületeinek fentebb említett különlegességei miatt, jelen cikkemben a mikro – és a nanofröccsöntés alapvető jellemzőit fogom ismertetni, kitérve az alkalmazott gyártóberendezések különlegességeire és a végtermékek felhasználási lehetőségeire.

Speciális mikrofröccsöntésre tervezett berendezés (Wittmann Battenfeld)

Speciális mikrofröccsöntésre tervezett berendezés (Wittmann Battenfeld)

A mikrofröccsöntésre számos definíciót lehet találni. Általánosan akkor beszélhetünk mikrofröccsöntésről, hogyha az előállítani kívánt termékünk tömege mindössze pár milligramm, vagy a termék egyes méretei és az ehhez kapcsolódó tűrések mikrométer tartományba esnek. Ahhoz, hogy ezeknek a kritériumoknak meg tudjunk felelni, speciális berendezések szükségesek. A termék méretpontosságához elengedhetetlen a szerszám megfelelő megmunkálása, melyet mikromarással, vagy mikro-szikraforgácsolással érhetünk el.

A szerszám megfelelő megmunkálása mellett ilyen kis tömegű termékek esetében a plasztikáló egység precíz működése is nélkülözhetetlen. A gyártók általában kétféle megoldást alkalmaznak; első lehetőség, hogy ezekhez a termékekhez speciális berendezéseket kínálnak, melyeket külön, ezeknek a kisméretű termékeknek az előállítására terveztek. Ezekről általánosan elmondható, hogy kis záró erővel (általában 2-10 tonna), speciális plasztikáló egységgel, és nagyon precíz szerszámzárással rendelkeznek. Második lehetőségként a gyártók a korábban nagyobb méretű termékekhez alkalmazott berendezés plasztikáló egységének cseréjét teszik lehetővé, azaz nagyon kis ömledék mennyiségek beadagolására alkalmas, cserélhető plasztikáló egységet kínálnak.

Részletesebben megvizsgálva az alkalmazott plasztikáló egységeket azt tapasztalhatjuk, hogy a gyártók változatos technológiákat és ezek kombinációit alkalmazzák a granulátumok megömlesztésére és az ömledék pontos mennyiségének szerszámba juttatására.  Általánosan elmondható, hogy a nagyméretű termékek fröccsöntésére alkalmazott csigakonstrukciókat itt már ritkábban alkalmazzák, sokkal inkább tisztán dugattyús, illetve dugattyús – vagy csigás előplasztikálással rendelkező, dugattyús beadagolást alkalmaznak. A dugattyúk a mikrofröccsöntés területén való térhódításának legfontosabb oka a nagyobb beadagolási pontosságuk, mely ennek az ágazatnak az egyik legfontosabb alapkritériumát képezi. A felhasznált csigák átmérője általánosságban 8-15 mm, míg a leggyakrabban alkalmazott dugattyúké mindössze 5 mm.

Mikrofröccsöntésnél alkalmazott csiga...

Mikrofröccsöntésnél alkalmazott csiga…

...és a teljes plasztikáló egység (Arburg)

…és a teljes plasztikáló egység (Arburg)

Fontos megjegyezni, hogy míg a hagyományos fröccsöntési technológiák esetében a sérülésre kevésbé érzékeny termékeket egyszerűen gravitációs úton távolítják el, addig a mikrofröccsöntés esetében a termékek szerszámból való kivételét gyakorlatilag mindig robotizálással oldják meg. A gravitációs eltávolítás során a kidobó csapok előre mozdulását követően a termék – a gravitációnak köszönhetően – két szerszám fél között elhelyezkedő nyíláson távozik, ahol egy erre kijelölt gyűjtődobozban, vagy szállítószalagon landol. A robotizált fröccsöntés során a robot elvégzi a beömlő csonk eltávolítását, majd esetleges lézeres minőségellenőrzést követően a termékeket eltérő gyűjtőkbe szelektálja.

A megfelelő szerszámmal és gyártóberendezéssel változatos mikrotermékeket állíthatunk elő. Alkalmazásuk széleskörű: mikrofröccsöntéssel előállíthatunk kis méretű, órákban alkalmazott fogaskerekeket, mikro méretű rögzítőegységeket, miniatürizált csapágytartozékokat, mikrofiltereket, vagy elektronikai eszközök alkatrészeit, mint például telefonok belső tűs csatlakozóinak a fejét is.

Mikrofröccsöntött termékek

Mikrofröccsöntött termékek

jól látszik az átlagos mérettartomány

Jól látszik az átlagos mérettartomány

Általános az a tény, hogyha valamit sikerül megoldanunk, attól abba még nem nyugszunk bele. Mindig még jobb, még nagyobb esetleg még kisebb, precízebb megoldást keresünk. A mikrofröccsöntés térhódításával szöget ütött a kutatók fejébe az a kérdés, hogy vajon lehet-e még ennél is kisebb termékeket vagy megfelelően strukturált felületet kialakítani. Az ötlet kigondolását követően nem is kellett sokáig várni, megszületett a nanofröccsöntés.

A nanofröccsöntés technológiájával leggyakrabban speciális, holografikus felületeket tudunk létrehozni. Ezek a felületek a szerszám lenyomatai, tehát ezek kialakításához speciális felületkiképzéssel rendelkező szerszám szükséges. Kezdetekben ezt a különleges felületet úgy érték el, hogy egy fotolitográfiás módszerrel felületkezelt félvezető mintázatát nikkel lemezre vitték át, melyet ezt követően a szerszámba ültettek. Ezeknek a legnagyobb hátránya az volt, hogy mindössze körülbelül százezres ciklusszámig voltak használhatóak. Az újabb technológiák esetében már nem nikkel lemezeket alkalmaznak, hanem a kész szerszám felületére visznek fel egy speciális réteget, melyet azt követően módosítanak. Az így kapott speciális szerszámmal már milliós ciklusszámok is elérhetőek. A lefröccsöntött termékeken nyert felületek leggyakrabban marketing, illetve védjegy funkciókat töltenek be.

Fröccsöntéssel kialakított holografikus felület

Fröccsöntéssel kialakított holografikus felület

Rövid összefoglalómban láthattuk, hogy a mikro – és nanofröccsöntés területe széles, fejlődőképes ágazat, mely újabb és újabb lehetőségeket ad speciális, esetlegesen különleges felületekkel rendelkező termékek olcsóbb, gyorsabb előállítására. Bennem mindössze egy kérdés maradt: Van ettől még kisebb?

Források:

http://cdn.intechopen.com/pdfs-wm/34671.pdf
http://orca.cf.ac.uk/54854/1/U585243.pdf
http://www.battenfeld.ru/fileadmin/templates/docs/imm/microsystem_presentation.pdf
https://plasticsengineeringblog.com/2015/07/30/beyond-micro-nano-injection-molding-is-finally-commercial/
https://www.arburg.com/fileadmin/redaktion/presse/2010/27980-01.jpg
http://www.plasticportal.eu/image/staticke/Image/2014_foto/Oktober_2014/MicroPower_LIM.JPG
https://www.arburg.com/fileadmin/redaktion/bilder/galerie_747px/27985_dosing_screw_micro.jpg
https://www.arburg.com/fileadmin/redaktion/bilder/presse_300dpi/arburg_30113_micro_clamping_frame.jpg
http://microsystems.uk.com/wp-content/uploads/2015/05/medical-micro-clamp-part-orange-finger-tip.jpg
https://plasticsengineering.files.wordpress.com/2015/08/nil-technology.jpg