3D-Printed molds for micro-injection molding

No Thumbnail Available
Journal Title
Journal ISSN
Volume Title
Kemian tekniikan korkeakoulu | Master's thesis
Ask about the availability of the thesis by sending email to the Aalto University Learning Centre oppimiskeskus@aalto.fi
Date
2015-03-03
Department
Major/Subject
Soveltava materiaalitiede
Mcode
MT3001
Degree programme
MTE - Materiaalitekniikan koulutusohjelma
Language
en
Pages
122 + 41
Series
Abstract
Stereolithography (SLA) 3D-printed micro-injection molds could decrease the price and lead times when compared to traditional steel molds. In addition, an increase in design freedom could be achieved. This thesis aims to study the feasibility of SLA 3D—printed injection molds in general as well as in manufacturing of patient specific trachea prostheses. Perfactory SXGA+ Mini Multi Lens SLA was utilized. Resin used was Envisiontec's HTM140V2 high temperature molding resin. Molds created were tensile test specimen, three different tubes, and one 1:1 scale trachea mold. Tensile specimens were molded from USP Class VI (United States Pharmacopeia) and ISO 10993-5 approved biocompatible thermoplastic polyurethanes of different hardness (Shore 5A-75A) and polypropylene (PP). Tensile specimen molded with SLA molds were compared to ones molded with steel mold. General quality of parts was observed by eye and with light microscope. More accurate surface quality studies were done with scanning electron microscope (SEM). Thermal properties were compared using differential scanning calorimetry (DSC) and mechanical properties with tensile tests. As a result, no significant differences in mechanical or thermal properties were observed. Parts produced with SLA molsd were not more birttle and no increased crystallinity was observed when compared to parts molded with steel molds. It was concluded that due to small size of the micro-injected parts, that itself enables fast cooling, the lower heat conductivity of SLA molds compared to steel molds does not cause alterations on the properties of molded parts. SLA molds lasted for 15 injection cycles on average, 50 cycles being the maximum. Failure occurred in brittle manner. Most significant contributor to the breaking was warping of the molds during printing and post-curing. Another significant contributor to the breaking was relatively high mold closing pressure of 130 bar. Trachea tube prototypes were molded using TPU5A and TPU15A. Designs with different wall thicknesses of 2 mm and 1 mm were tested. In addition a mold with denser “cartilage” rings spacing and a mold with realistic trachea dimensions were produced. The quality of produced tubes was good. The shape of the tube was clearly transferred from mold to the part. Tube prototype molds lasted for 4 cycles. Breaking occurred in brittle manner, likely initiated by high mold closing pressure. Realistic trachea mold lasted only for one cycle. Nonetheless the poor cycle performance of the realistic trachea mold, it yielded a good quality trachea prosthesis with realistic dimensions from Shore 5A TPU .

Stereoliografia 3D-printatuilla mikro-ruiskuvalumuoteilla voitaisiin laskea sekä hintaa että markkinoille tuloaikaa verrattuna perinteisiin teräsmuotteihin. Lisäksi, voitaisiin saavuttaa suurempi vapaus suunnittelussa. Tässä diplomityössä tutkittiin SLA:n soveltuvuutta ruiskuvalumuottien valmistukseen. Soveltuvuutta tutkittiin sekä yleisellä tasolla, että soveltumista potilasräätälöityjen henkitorviproteesien valmistukseen. Tutkimuksessa käytettiin Perfactory SXGA+ Mini Multi Lens SLA laitteistoa. Hartsina käytettiin Envistiontecin HTM140V2 korkean lämpötilan kestävää hartsia. Muottityyppejä, joita valmistettiin olivat, vetokappalemuotit, kolme erilaista putkimuottia, sekä yksi 1:1 mittakaavan henkitorvimuotti. Vetokappaleet valettiin käyttäen eri kovuuksisia (Shore 15A-75A) USP Class VI (United States Pharmacopeia) ja ISO 10933-5 hyväksyttyjä bioyhteensopivia termoplastisia polyuretaaneja (TPU) sekä polypropeenia (PP). Valettuja vetokappaleita verrattiin teräsmuotilla valmistettuihin kappaleisiin. Yleisesti kappaleiden laatuja verrattiin visuaalisesti tarkastelemalla sekä optista mikroskooppia hyödyntäen. Tarkempi pinnanlaatu tarkastelu suoritettiin pyyhkäisyelektronimikroskoopilla (SEM). Termisiä ominaisuuksia verrattiin hyödyntäen differentiaali pyyhkäisykalorimetria (DSC) ja mekaanisia ominaisuuksia vetokokeella. Kappaleiden välillä ei havaittu merkittäviä eroavaisuuksia mekaanisissa eikä termisissä ominaisuuksissa. SLA muoteilla valetut kappaleet eivät olleet hauraampia, eikä niiden kiteisyys ollut suurempi kuin teräsmuotilla valetuilla kappaleilla. Johtopäätelmänä todettiin, että mikro-valettujen kappaleiden pienen koon ja tätä kautta nopean jäähtymisen vuoksi, SLA muottien huonompi lämmönjohtavuus ei aiheuta muutoksia kappaleisiin. SLA vetokappalemuotit kestivät keskimäärin 15 ruiskutussykliä, maksimin ollessa 50. Murtumisen havaittiin olevan haurasta. Murtumaan vaikuttivat merkittävästi muottien käyristyminen tulostuksen sekä jälkikovetuksen aikana. Toinen murtumista edistävä tekijä oli suhteellisen korkea muotin sulkemispaine 130 baaria. Henkitorviprototyypit valettiin käyttäen TPU5A ja TPU15A:ta. Eri seinämänpaksuuksia, 2 mm ja 1 mm, testattiin. Lisäksi valmistettiin muotti, jossa ”rustolevyjen” tiheys oli suurempi sekä muotti jossa henkitorven dimensiot olivat realistiset. Valmistettujen prototyyppiputkien laatu oli hyvä. Muottien muodot siirtyivät selvästi valettuihin kappaleisiin. Nämä muotit kestivät keskimäärin vain neljä kertaa. Murtuminen oli haurasta ja tapahtui todennäköisesti korkean muotin sulkemispaineen vuoksi. Realistinen 1:1 mittakaavan henkitorvimuotti kesti sen sijaan vain yhden syklin. Vaikka tämän muotin kestävyys oli huono, lopputuloksena saatiin valettua hyvälaatuinen henkitorviproteesi realistisilla mitoilla Shore 5A -kovuuden TPU:sta.
Description
Supervisor
Seppälä, Jukka
Thesis advisor
Korhonen, Harri
Keywords
stereolithography, 3D-printing, trachea, prosthesis, micro-injection molding, injection mold
Other note
Citation