Micro extrusion of feedstock for manufacturing stainless steel micro bi-lumen needles

La miniaturizzazione dei componenti ha richiesto fortemente la produzione di microcomponenti ad alto rapporto di forma (lunghezza/spessore) negli ultimi decenni per ottenere proprieta avanzate. La fabbricazione di tubi multi-lume in acciaio inossidabile ad alto rapporto di forma per applicazioni biomediche e multi-fluidiche e un caso in cui le attuali metodologie di lavorazione sono limitate. I processi di lavorazione utilizzati per la produzione di tubi multi-lume o multi-canale e limitata nel caso degli acciai inossidabili a causa della differenza di comportamento dei metalli e delle leghe nella microscala a causa di effetti dimensionali, difficolta e difetti nella formatura alle elevate temperature richieste per gli acciai. I recenti progressi della ricerca suggeriscono che l'estrusione di feedstock (particelle metalliche in legante polimerico) e un metodo molto promettente per la produzione di tubi metallici multi-lume con un elevato rapporto di forma. I tubi a doppio lume possono essere estrusi utilizzando feedstock metallici a verde quindi possono essere successivamente lavorati mediante operazioni di debinding e sinterizzazione. L'estrusione di tubi multi-lume in feedstock mira all'applicazione nel campo degli aghi bi-lume e richiede lo sviluppo di una catena di processo incorporando processi di fabbricazione adatti per ottenere le proprieta geometriche, superficiali e strutturali richieste per il tubo finito. Mantenere l'accuratezza geometrica, le tolleranze dimensionali e la finitura superficiale dei tubi a doppio lume durante l'estrusione e lungo la catena di processo e cruciale per le proprieta del tubo finale. In questo lavoro di ricerca di dottorato e stata sviluppata una catena di processo per la micro estrusione di feedstock per la produzione di aghi in acciaio inossidabile ad alto rapporto di forma. Lo studio di una catena di processo che consiste nella selezione delle materie prime, micro estrusione, debinding, sinterizzazione, rettifica e lucidatura al plasma e stato condotto per la produzione di aghi a doppio lume mediante estrusione di feedstock. Gli studi sull'effetto dei tipi di feedstock sull'estrusione di tubi ad alto rapporto di forma hanno mostrato che le proprieta del feedstock sono fondamentali per ottenere un'estrusione continua. Lo studio sull'estrusione ha anche mostrato che il feedstock e il suo contenuto di leganti influenza molto la superficie e le proprieta strutturali dei tubi estrusi. Gli studi di estrusione di feedstock di 17-4PH hanno dato un valore di rugosita medio (Sa = 1,73 µm) che e un buon valore, molto inferiore alla dimensione media delle particelle metalliche della materia prima. Gli studi di micro estrusione di feedstock condotti estrudendo tubi bi-lume ad alto rapporto di forma variando i parametri di estrusione hanno mostrato che i parametri di micro estrusione, la temperatura di estrusione e la velocita di estrusione e la loro interazione sono molto influenti sulle caratteristiche geometriche e la finitura superficiale dei tubi di bi-lume a verde. Questa tendenza si ripresenta anche a valle del debinding in acqua e allo stato pre-sinterizzato. Le deviazioni delle caratteristiche del tubo bi-lume si sono dimostrate piu evidenti a elevate temperature di estrusione. L'analisi della firma tecnologica, detta fingerprint, e stata effettuata per identificare le caratteristiche del prodotto piu significative da monitorare in linea durante l'estrusione del feedstock. L'analisi del fingerprint e l'analisi allo stato sinterizzato hanno mostrato che il diametro e la rotondita del tubo sono le caratteristiche del prodotto da monitorare in linea in condizioni di processo ottimali per garantire la qualita complessiva dei tubi bi- lume. Lo studio ha rivelato che monitorando e controllando i fingerprint identificati per i tubi bi-lume e mantenendo i corretti parametri di processo, e possibile mantenere tule le caratteristiche e la qualita dei tubi estrusi. Gli studi di rettifica e lucidatura al plasma hanno dimostrato che per la produzione di aghi a bi-lume in acciaio inossidabile 17-4PH mediante micro estrusione di feedstock, la rettifica puo produrre buone caratteristiche della punta con rugosita superficiale Ra fino a 0,10 µm mentre la lucidatura al plasma ha la capacita di lucidare la superficie del tubo a Ra = 0,40 µm, valori comparabili gli aghi bi-lume usati commercialmente nella fecondazione assistita.