林野，鐘軼，姬玲
[柯惠 (中國) 醫療器材技術有限公司，上海 201114]
摘要：基于3D打印快速成型技術低成本、快速獲取、按需生產的特點，提出了一種將3D打印線纜連接器作為醫療器械線纜連接器注射成型中間媒介的新應用。將3D打印的預成型零件，替代真實線纜連接器進行二次注射成型過程中的工藝參數摸索與調試，待注塑參數確定后再使用真實零件進行生產。以某線纜連接器為例，設計了用于二次注射成型參數調整的3D打印零件，選用3D打印用塑料制作了預成型零件并進行了線纜連接器內部芯模注射成型和外部包膠注射成型的注塑試驗。對比發現，3D打印零件可以復現真實線纜連接器的注射成型效果和被注塑材料用量，材料成本大幅降低，同時大幅減少了樣品制備周期，為3D打印技術在醫療器材及線纜連接器制造領域的應用提供了新思路。
關鍵詞：3D 打印；注射成型； 二次成型； 線纜連接器
二次成型工藝，即將已經完成成型和組裝的零件(簡稱預成型零件) 放入另一套模具中，注入另一種塑膠成型材料以制造多材料產品的一種工藝，已經成為醫療器械線纜生產過程中的重要環節。通過二次注射成型方式將高分子材料(如聚氨酯、聚乙烯等)成型內部填充，或外側包膠護套，不僅可以保護線纜內外導體免受環境、氣候、水解作用的影響以及其它物理破壞，還可以提高線纜和線纜連接器的強度、剛度、耐疲勞等性能[1-4]。研究發現，選用合理注塑工藝參數(如注塑壓力、注塑溫度、保壓壓力、保壓溫度、進料量等)是獲得優質注塑制品的前提[5]。在實際生產中，預成型線纜連接器本身需要經歷復雜的制造過程，生產周期長，成本高，同時二次注塑工藝又需要大量線纜連接器零件用于參數調試，這對生產過程中的成本、零件的儲備和規劃提出了新的要求：如果零件儲備過多，則會造成資源浪費；如果儲備不足，則可能遇到調試過程中樣品短缺、短期內難以補足數量的情況，影響調參進程或導致無法摸索到最優參數。
增材制造技術，或3D打印快速成型技術，因擁有快速成型、個性化定制、按需生產等優勢，成為一種新興、前沿的加工技術[6-8]。目前3D打印已經在注塑生產上獲得了相對成熟的應用，較為典型的應用場景是快速制造產品原型來分析方案的可行性、技術性及輔助注射成型的模具設計[9]。同時，一些研究人員開始嘗試將3D打印與注射成型結合進行生產，如Boros 等[10]設計了一種在3D打印骨架上進行注塑包膠的零件，制造結果顯示，零件的注塑部分和3D打印部分的連接性能良好；Fuenmayor等[11]提出了一種定制雙層片劑的生產方式，藥片的兩層分別通過注射成型和3D打印制造，可以在生產過程中修改藥物成分的比例。這些創新的制造方式實現了兩種技術優勢的強強結合，極大地提高了生產效率和產品靈活性。將3D打印直接應用于注射成型模具的設計/制造以減少模具的開發周期和成本是增材制造技術的新應用趨勢之一，3D打印模具不僅可適用于不同種類的注塑材料，保證成型零件良好的尺寸精度，還可以直接在最終產品的生產中應用并節約制造成本[12-15]，特別在一些復雜的模具結構(例如隨形冷卻水路)的制造上擁有更高的效率和隨形性[16-17]。
盡管3D打印在注射成型工藝上已經充分體現其優勢性，但是目前3D打印零件的應用還主要局限于終成品或者模具，用作二次注塑工藝參數調試的中間媒介的研究和應用卻鮮有提及。如果3D打印零件可以作為注塑工藝參數調試的一種輔助手段，不僅可以根據實際需求快速、準確地獲取或補充零件用量以滿足調試需求，減少調參樣品采購周期、避免造成資源冗余或浪費，還可以反映出真實零件在不同參數下的二次成型效果，待注塑工藝參數確定后再使用真實零件進行生產，將為3D打印在注塑成型及線纜生產的應用提供新的思路和依據。
筆者提出了一種將3D打印技術用于線纜生產中間媒介的應用新思路，使用3D打印零件替代真實零件進行二次成型工藝參數的摸索與調試，并以某線纜連接器為例，設計了用于注射成型參數調整的3D打印線纜連接器，制作了3D打印線纜連接器并用于內部芯模注射成型和外部包膠注射成型。在不同注塑參數下與實際線纜連接器進行對比，驗證了3D打印線纜連接器在注射成型工藝參數調試中應用的可行性。
1 3D 打印線纜連接器設計
1．1 基于注塑工藝參數調試的 3D 打印線纜連接器方案
圖1是某線纜連接器零件，由連接器外殼、接觸器和接觸器內部Pin針組成。線纜插入連接器外殼內并與Pin針焊接。該線纜連接器需要經過多個金屬/非金屬零件的成型、組裝流程，生產周期較長。在二次成型時，需將連接器外殼內腔用低密度聚乙烯 (PE-LD) 完全填充，在連接器外殼外側成型軟包膠，材料為熱塑性聚氨酯 (TPU)，如圖2所示，來保護線纜及增加連接器的抗彎曲、抗沖擊等力學性能。
a—外殼內腔用 PE-LD 完全填充；
b—外殼外側用 TPU 成型軟包膠
考慮到注射成型主要針對于連接器的后段，為節省材料降低成本，去除Pin針，僅保留部分連接器外殼和接觸器結構，將接觸器和連接器外殼設計為一個整體，并且對不參與注射成型過程的表面進行簡化設計。基于圖2線纜連接器設計的、用于注塑工藝參數調試的3D打印接頭設計如圖3所示。
圖 3 用于注塑工藝參數調試的 3D 打印線纜連接器設計
圖4是用于二次成型注塑工藝參數調試的3D打印線纜連接器方案。其中3D打印線纜連接器后端為一段包含銅環的線纜。線纜的材料、外徑及銅環的位置均與實際生產時一致，但未與3D打印線纜連接器存在物理連接。選擇放置線纜一方面可以保持3D打印連接器內部注塑空間與實際注塑時一致，另一方面可利用成型過程中線纜外皮彈性變形保持其與模具的接觸實現連接器后端的密封作用。
圖 4 用于注塑工藝參數調試的 3D 打印線纜連接器
1．2 3D 打印材料及設備
選用美國3D Systems公司生產的3D打印用塑料PRO-BLK 10作為3D打印材料進行試樣制作，固化后試樣的實測拉伸性能見表1。通過3D打印制作的線纜連接器的價格僅為真實線纜連接器的16.7%，可大幅度降低調參過程的材料成本。此外，PRO-BLK 10 的顏色為透明茶色，便于在注射成型前后觀察3D打印零件內外表面的變形狀況。使用美國3D Systems公司生產的Figure 4 Modular型3D打印機，固化設備為瀚海立維光固化箱，固化時間為2h。同一批次可制作約30個線纜連接器零件，制作時間約3.5h/批。3D打印材料制作的纜線連接器如圖5所示。
表 1 3D 打印線纜連接器材料制備固化試樣的實測拉伸性能
圖 5 3D 打印線纜連接器
1．3 基于3D打印線纜連接器的注射成型試驗
選用上述的真實線纜連接器和3D打印零件進行二次成型試驗，對比研究3D打印零件在注射成型工藝參數調試中的應用可行性。對線纜連接器進行內部芯模注射成型和外部包膠注射成型試驗，被注塑材料分別為PE-LD和TPU。
為了對比在注射成型中可能遇到的不同成型狀態(即：未充分注塑、充分注塑、過量注塑)下的成型效果，選用的注射成型工藝參數見表2，這些參數可以實現注塑要求的材料融化、擠出及凝固要求；
基于滿足內外模成型要求參數，進一步通過調整進膠量實現未充分注塑、充分注塑、過量注塑三種狀態。進膠量選擇參數見表3。注射成型過程前后分別對使用被校準過的電子秤對連接器進行稱重，計算成型前后的質量差，按照式(1)計算注塑材料的質量。注塑完成后的零件均不進行額外的處理(如人工修剪、調整等)。綜合考慮試驗結果的一致性和試驗成本，每種注塑成型工藝參數的注塑試驗均重復4次。
表 2 注射成型工藝參數
mM = mCB - mCA (1)
式中：mM——注塑材料的質量；
mCA——注塑前3D打印線纜連接器和線纜的質量之和；
mCB——注塑后3D打印線纜連接器、線纜和被注塑材料的質量之和。
2 結果與討論
2．1 3D 打印線纜連接器在注射成型中的應用可行性分析
圖6、圖7分別是經過內部芯模注射成型和外部包膠注射成型后充分注塑的3D打印線纜連接器與真實零件對比。從圖6可以看出，所選用的3D打印材料均具有足夠的強度，可以承受二次成型過程中來自上下模具的壓力和內部注塑材料對連接器內表面的壓力，內部芯模注射成型完成后，未觀察到3D打印線纜連接器具有產生擠壓導致的塑性變形或斷裂。此外，3D打印零件在成型過程中可以與模具保持良好接觸，與模具配合保證線纜連接器放置定位。PE-LD與3D打印材料可以保證有效連接，注塑完成后未與3D打印材料發生分離。此外，未發現由于注射成型溫度導致的3D打印零件融化或熱塑性變形現象。
圖 6 內部芯模注射成型后 3D 打印線纜連接器與真實零件對比
圖 7 外部包膠注射成型后 3D 打印線纜連接器與真實零件對比
在外模包膠成型試驗過程中，由于3D打印線纜連接器內部已經充分填充PE-LD材料，因此主要承受外表面TPU材料的擠壓。從圖7可以看出，盡管外模包膠試驗的注塑溫度更高、成型壓力更大，但是依然沒有觀察到對3D打印線纜連接器產生擠壓變形/破壞和熱變形現象，線纜連接器與模具可以起到有效支撐和配合。
根據試驗結果分析可知，針對所述線纜連接器，當選用合適的3D打印材料時，可擁有良好的結構強度，不會發生斷裂、破損等現象，被注塑材料與3D打印材料粘連良好、無脫落。因此，3D打印連接器可以滿足二次成型過程中參數調節的預成型零件的使用要求，具備二次成型時用于參數調節的應用可行性。
2．2 3D 打印線纜連接器與真實線纜連接器的注塑成型結果分析
選用二次成型材料的注塑質量和注塑后零件外觀來評價線纜連接器的注射成型結果。其中，注塑質量用于評價3D打印零件與真實零件在注塑過程中材料用量的一致性，注塑后零件的外觀用于評價3D打印零件與真實零件是否可以獲得相同的二次注塑效果。
由稱重和式(1)計算獲得的真實線纜連接器與3D打印線纜連接器的注塑材料質量對比如圖8 所示。由圖8可以看出，在未充分注塑、充分注塑和過量注塑三種不同成型狀態下，注入3D打印線纜連接器的PE-LD材料的平均質量相較于真實線纜連接器的偏差分別為9.02%，1. 14%和4.49%；外側包裹的TPU材料的平均質量偏差分別為6.41%，0.90%和0. 14%。可認為在選用相同注塑工藝參數條件下，采用3D打印線纜連接器被注塑的材料和真實線纜連接器是一致的。
圖 9 3D 打印內部芯模注射成型后的線纜連接器外觀與真實零件對比
試驗結果表明，在未充分注塑條件下，PE-LD與連接器未形成充分粘連，可以通過人力取出。 PE-LD并沒有完整填充兩種線纜連接器 (3D打印線纜連接器和真實線纜連接器)的內腔，前端未充分包裹線纜，所形成的芯模形態也類似，如圖9a、圖9b所示。二次成型完成后，真實線纜連接器和3D打印線纜連接器均未發現變形。
從圖9c~圖9f可以看出，在選擇的注塑工藝參數下，兩種注塑條件(充分注塑和過量注塑)均可以充分填充連接器內腔，且在連接器的末端均未觀察到溢膠現象。但在過量注塑條件下，真實線纜連接器和3D打印線纜連接器的后側相同位置均出現了局部鼓包的現象(圖9c、圖 9d)，而充分注塑時沒有出現鼓包現象(圖9e、圖9f)，這是由于過量的PE-LD材料在零件薄弱位置將連接器的外殼頂起的結果。除上述局部變形外，二次成型完成后，真實線纜連接器和3D打印零件的其余位置均未發現變形。
圖 10 3D 打印外部包膠注射成型后的線纜連接器外觀與真實零件對比
從圖10可以看出，兩種線纜連接器的外側均未完整包裹TPU，未完整包裹的位置存在于零件的前端，零件后端均完全包裹。
從圖10c~圖10f可以看出，在選擇的注塑工藝參數下，兩種注塑條件 (充分注塑和過量注塑)均可以充分包裹連接器，但是在過量注塑情況下，兩種線纜連接器的分模線位置均出現了較為明顯的飛邊，而在充分注塑條件下，線纜連接器雖然也存在飛邊，但不明顯。
3 結論
基于3D打印快速成型技術，提出了用于醫療器械線纜注射成型參數調整的應用新方法，即：將3D打印的預成型零件，替代真實線纜連接器進行二次注射成型工藝參數的摸索與調試，待注塑參數確定后再使用真實零件進行生產。以某線纜連接器為例，設計了用于注射成型參數調整的3D打印零件，選用PRO-BLK 10 材料制作了3D打印零件并進行了內部芯模注射成型和外部包膠注射成型的注塑試驗，結論如下：
(1)3D打印線纜連接器在注塑過程中擁有良好的結構強度，不會發生斷裂、破損等現象，被注塑材料與3D打印材料粘連良好、無脫落，滿足作為預成型零件的使用要求。
(2)通過3D打印制作的線纜連接器可以獲得與真實線纜連接器相同的二次注塑材料質量，同時具有相同的注塑材料特征及注塑后的零件外觀，使用3D打印線纜連接器進行的參數調整結果可以用作二次注射成型參數是否合適的判斷指標。
(3) 3D打印線纜連接器材料的成本僅為所采購的真實連接器的16.7%，可大幅減少預成型材料成本；同時一個批次材料的生產時間短，可以實現快速、按需生產預成型零件，在二次成型制造與注射成型中擁有廣闊的應用前景。
參 考 文 獻
[1] 劉輝，陸根生 . 聚氨酯電纜護套料的性能及其擠出工藝 [J]. 光纖與電纜及其應用技術，2008(5):17-18，25.
[2] Burk S. Overmolding circular connectors in cable assemblies[J].Connector Speci?er，2000，16(7):32-33.
[3] Brachmann M. Durable protection for electronic components[J].Adhesion Adhesives & Sealants，2014，11(1):34-37.
[4] Thomas R，Rapp R J，Spalding M A，et al. Technology in undersea cable systems: 50 years of progress[J].Marine Technology Society Journal，2015，49(6):88– 109.
[5] 陳妍 . 注塑成型工藝參數的優化研究進展 [J]. 合成樹脂及塑料，2020，37(3):87-90.
[6] Prabhakar M M，Saravanan A K，Lenin A H，et al. A short review on 3D printing methods，process parameters and materials[J]. Mate- rials Today:Proceedings，2021，45(7):6 108-6 114.
[7] Singh T，Kumar S，Sehgal S. 3D printing of engineering materials:A state of the art review[J]. Materials Today:Proceedings，2020，28:1 927-1 931.
[8] 蔣龍，姚曉彤 . 淺析3D打印成形方法及在機械加工制造中的優勢[J]. 內燃機與配件，2020(23):112-113.
[9] 王莉莉，湯榮燕 . 淺論3D打印技術對注塑產品研發的影響及其智能化趨勢[J]. 工程技術，2018(1):316-317，319.
[10] Boros R，Rajamani P K，Kovács J G. Combination of 3D printing and injection molding:Overmolding and overprinting[J]. Express Polymer Letters，2019，13(10):889–897.
[11] Fuenmayor E，O’Donnell C，Gately N，et al. Mass-customization of oral tablets via the combination of 3D printing and injection molding[J] . International Journal of Pharmaceutics，2019，569. DOI:10. 1016/j.ijpharm.2019. 118611.
[12] Ferreira J C，Mateus A. Studies of rapid soft tooling with conformal cooling channels for plastic injection moulding[J]. Journal of Materials Processing Technology，2003，142(2):508–516.
[13] 劉雷 . 基于3D打印的快速模具關鍵技術研究[D]. 石家莊 : 河北科技大學，2017.
[14] 井石磊 . 3D打印技術在模具制造中的應用[J]. 百科論壇電子雜志，2019(3):266-267.
[15] Dizon J R C，Valino A D，Souza L R，et al. 3D printed injection molds using various 3D printing technologies[C]//Materials Science Forum. [S. l.]:Trans Tech Publications Ltd，2020，1005:150-156.
[16] 劉斌，譚景煥，吳成龍 . 基于 3D 打印的隨形冷卻水道注塑模具設計 [J]. 工程塑料應用，2015，43(10):71-74.
[17] 譚景煥，劉斌，吳成龍 . 基于 Mold?ow 和 3D 打印的注塑模具隨形冷卻水道設計 [J]. 塑料工業，2015，43(12):45-48，77.
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