Fiche technique Pro.. - Pôle Européen de Plasturgie

Technique
SUPPLÉMENT
TECHNIQUE
N
°12
PROCÉDÉ
▼
Conception et réalisation de pièces
plastiques microstructurées
LA POSSIBILITÉ
D’OBTENIR DES PIÈCES
DE GRANDE PRÉCISION
ÉLARGIT LES CHAMPS
D’APPLICATION DES
THERMOPLASTIQUES.
L’OBJECTIF DU PROJET
MICROSTRUCTURE PORTÉ
PAR LE PEP EST
D’OPTIMISER LA
CONCEPTION ET
LA RÉALISATION DE PIÈCES
MICROSTRUCTURÉES.
Introduction
Le développement de la microplasturgie dans l'industrie et dans
la recherche a vu le jour en tant que
tel à la fin des années 90 avec une
demande croissante des industries
de l'électronique, de la téléphonie
mobile et du milieu médical en particulier. Aujourd'hui, ce développement est porté par la très forte pression des micro et nano technologies
qui ont quelques difficultés à s'industrialiser et pour lesquelles les
matériaux polymères et la microplasturgie sont une réponse à la
fois économique et technologique.
Les microstructures
Les objets microstructurés peuvent
avoir des tailles globales très
variées (de 2 à 100 mm). Ils comportent des microstructures qui composent soit une structuration de
surface, soit une structuration en
masse. Ces microstructures présentent en général au moins une
dimension de plusieurs microns et
un rapport de forme allant de 2 à
100, soit une dimension maximale
de plusieurs centaines de microns.
Les applications
Elles s'adressent à des secteurs
aussi variés que le biomédical, la
micro-électronique, l'optique, la
micro-fluidique, ou encore la
micro-mécanique. La conception et
la réalisation de telles structures
sont donc des points primordiaux
pour le développement de la plasturgie dans des secteurs porteurs
où la valeur ajoutée est importante.
Les procédés
Les procédés qui nous intéressent
ici doivent permettre une productivité accrue pour un coût réduit, ce
qui exclut le micro-usinage des
pièces a posteriori.
La réplication de microstructures
sur des pièces thermoplastiques
peut se faire industriellement par
des techniques diverses. Le microthermoformage concerne le hotembossing. Quant à la micro-injection, elle regroupe l'ensemble des
procédés de mise en forme des
polymères fondus permettant d'obtenir soit une pièce de petite
dimension (moins de 1 g de matière), soit une pièce possédant des
structures microscopiques dans
une des dimensions.
La micro-injection regroupe
différentes techniques :
La micro-injection en tant que
telle est une adaptation directe du
procédé d'injection classique à la
réalisation de petites pièces. Dans
la plupart des cas, une presse à
injecter de petite taille spécifique
est utilisée de manière à bien
contrôler plus particulièrement le
dosage.
◗
◗ L'injection-expansion : le polymère
CONTACT
MAËL MOGUEDET
Docteur de l'INSA de Lyon
spécialité matériaux polymères
et composites.
Pôle Européen de
Plasturgie - R & D
2, rue Curie 01100 Bellignat
Tél : 04 74 81 92 60
[email protected]
Sujet de thèse : optimisation
de la plastification des thermoplastiques chargés fibres de
verre longues.
En charge du projet
“Microstructure” au PEP.
est comprimé dans une zone de
dosage avant le remplissage et s'expanse de lui-même dans le moule.
La micro-injection “Variotherm”
ajoute à l'approche précédente un
contrôle thermique de la température au niveau de l'empreinte alternativement élevée et basse en des
temps très courts.
◗
La micro-injection sous impact,
qui consiste à injecter dans un premier temps le polymère à l'état
fondu dans un réservoir cylindrique de taille classique, puis à
◗
l'aide d'un piston mobile accéléré à
grande vitesse, le polymère est
“frappé” et injecté dans l'empreinte.
Le projet
Microstructure
Dans ce contexte, le Pôle Européen de
Plasturgie porte le projet “Microstructure” dans le cadre de Visioplasturgie,
avec le soutien de la Région RhôneAlpes et de la DRIRE Rhône-Alpes, et la
participation d'industriels et d'universitaires dans un comité de pilotage. Ce
projet combine une approche à la fois
expérimentale et théorique, dont le
but est d'optimiser la conception et la
réalisation de pièces plastiques
microstrucurées.
Objectif du projet
Nous avons vu que les applications
qu'offre la réalisation de pièces
microstructurées plastiques sont
multiples, de la micro-électronique
au biomédical, en passant par l'optique non-linéaire. La mise en
œuvre de ces matériaux ne résulte
pas de la simple transposition de
procédés habituels. Nous sommes
en effet confrontés à des situations
dans lesquelles certains phénomènes physiques deviennent prépondérants, comme les tensions
superficielles, les échanges thermiques dans les outillages ou encore
la rhéologie des polymères dans
des micro-géométries. Ces problèmes complexes n'ont pas à ce
jour de réponses claires et le
champ d'investigation est vaste.
L'objectif du projet est d'améliorer
la connaissance du procédé en
combinant une approche expérimentale (développement de
moules spécifiques, instrumentation du procédé, caractérisation du
comportement du polymère) et une
approche théorique (développements de modèles numériques
spécifiques adaptés aux microstructures, considération de nouvelles lois de comportement…).
➞
VISIONS/octobre 2006
Premiers
résultats
◗
1°) - L'expérience
1.1. La micro-injection
Les hautes précisions requises sur
les pièces nécessitent de fabriquer
des empreintes micro-structurées.
Les techniques existantes sont
nombreuses, parmi lesquelles le
micro-usinage, le micro-frittage de
poudre, l'usinage laser, l'électroérosion, les techniques de microlithographie.
Nos premières expériences ont été
menées sur un moule dérivé de l'injection classique (cf. figure 1),
monté sur presse électrique Fanuc
de 15 tonnes de force de fermeture.
Le moule présente un insert avec
un micro-canal en forme de croix
de 120 µm de large et 300 µm de
profondeur sur une longueur de
4 mm, obtenu par gravure Laser
(YaG) (cf. figure 2).
Figure 1 : vue éclatée du premier moule
Figure 2 : insert microstructuré au laser
(YaG)
La spécificité des procédés de
micro-réplication fait que tous les
polymères ne seront pas forcément
transformables facilement par ces
techniques. Après une enquête
effectuée auprès de nos partenaires, les polymères ayant le plus
de débouchés vers ces nouveaux
marchés et pouvant être transformés sont le PEEK, le LCP et le Cyclo
Oléfine Copolymère (COC).
Nous avons choisi le COC pour ces
premiers essais : il permet dans un
premier temps de s'affranchir des
problèmes liés à la cristallisation.
En outre, c'est un matériau présentant un indice de réfraction élevé
(1,54) et une bonne bio-compatibilité, pouvant ainsi être utilisé dans
le cadre d'applications optiques et
médicales.
Ces premiers essais ont montré que
l'injection dans un micro-canal
pouvait se faire sur plusieurs millimètres mais que la totalité du canal
ne pouvait se remplir comme le
montre la Figure 3. A cela trois
réponses, isolées ou combinées :
◗ soit la matière se fige avec la différence de température du moule,
◗ soit l'air reste emprisonné et
empêche le remplissage complet,
◗ soit les phénomènes de surfaces
deviennent prépondérants et contribuent à ralentir le remplissage.
Depuis, nous avons conçu et développé un deuxième moule nous permettant de pallier les problèmes
précédents. Il offre la possibilité :
◗ d'injecter dans une empreinte
proche de la température d'écoulement du polymère,
◗ de réaliser un vide partiel dans
l'empreinte pour faciliter le remplissage,
◗ de fonctionner en injection-compression pour forcer le remplissage
en fin d'injection comme pour le
procédé de hot-embossing.
Un insert est également utilisé afin
de faciliter le changement de
micro-géométrie. Cette dernière, en
forme de “cible”, a été usinée par
ablation au Laser femto-seconde.
Le principe est de travailler non pas
en faisceau “continu” mais par
impulsions de très courte durée,
permettant ainsi de graver tout type
de matériaux y compris le verre, la
silice et les polymères, en minimisant l'énergie apportée au matériau
et donc éviter sa fusion incontrôlée.
Cette technique permet théoriquement d'usiner des géométries pouvant aller jusqu'à quelques
microns, pour un coût de fabrication relativement réduit.
L'outillage complet est actuellement en phase d'optimisation et
nous pourrons prochainement
injecter des microstructures de
haute précision.
1.2. La micro-rhéologie
La problématique est celle de l'écoulement d'un matériau fortement visqueux et thermosensible en milieu
confiné. En partenariat avec le Site de
Plasturgie de l'INSA de Lyon, nous
abordons une approche expérimentale de la micro-rhéologie des polymères. Notre objectif est d'ouvrir des
voies pour l'étude des écoulements
de polymères fondus en conditions
confinées, pour ensuite élaborer des
montages de caractérisation expérimentaux aussi simples que possible
et définir les lois de comportement
dans ces situations extrêmes.
Figure 3 : remplissage progressif
du micro-canal
2°) - La simulation numérique du
remplissage
Les premières simulations de remplissage ont été menées avec les
logiciels utilisés traditionnellement
dans l'industrie. Nous avons tout
d'abord vérifié qu'il était plus intéressant d'injecter dans un moule proche
de la température d'écoulement du
polymère (cf. figures 4a et 4b).
Figure 4a : remplissage partiel du microcanal (au centre) avec un moule à 35°C
Figure 4b : remplissage plus efficace
avec un moule à 120°C
Cependant, il apparaît que ces
codes ne permettent pas de rendre
compte de façon suffisamment
satisfaisante du remplissage de
micro-canaux ou de micro-géométries. Cela provient de facteurs
importants à prendre en compte
lors des simulations et/ou lors des
expériences :
◗ La connaissance de l'évolution de la
thermique du système global (polymère et outillage) doit être maîtrisée
de façon précise, de sorte que les
paramètres d'entrée des simulations
soient aussi proches que possibles
de la réalité. Les phénomènes
d'échange de chaleur deviennent en
effet très importants lorsque l'on
considère des micro-géométries.
◗ La tension de surface du front de
matière semble jouer un rôle important dans les difficultés de remplissage des micro-cavités, quand elle
vient s'ajouter aux pertes de charges
importantes. De plus, l'interaction
avec les parois devient également
très importante (conditions de glissement, rugosité).
◗ Enfin, les écoulements se déroulant dans des micro-canaux, le comportement singulier des polymères
à l'état fondu font que leur rhéologie doit être étudiée plus précisément dans ce type de configuration.
Par conséquent, en parallèle à l'optimisation de l'utilisation des logiciels,
nous avons dans un premier temps
étudié une approche de type dynamique moléculaire. Bien qu'étant prometteuse pour la simulation de l'écoulement des polymères fondus, cette
méthode ne permet pas de simuler le
comportement d'un grand nombre de
chaînes macromoléculaires, même en
adoptant une approche dite
“Dynamique des Particules Dissipatives” (DPD) comme nous l'avons
fait, qui simule le comportement de
“particules” (ensemble de molécules)
et les interactions entre elles.
Il s'est avéré que d'une part ces
méthodes engendraient des temps
de calcul prohibitifs, et que d'autre
part elles n'étaient pas encore suffisamment développées pour être
appliquées rapidement dans notre
cas.
Les enseignements obtenus nous ont
permis d'adopter une autre
démarche, qui est de simuler, pendant le remplissage, l'interface entre
le polymère fondu et l'air. Ces problèmes de surfaces libres, relevant
des écoulements diphasiques, ont
trouvé certaines solutions dans la littérature, parmi lesquelles la méthode dite “Level Set”, qui permet de
localiser la position de l'interface à
partir des lignes de niveaux d'une
pseudo-concentration.
Si la méthode est conceptuellement
simple, en revanche toutes les difficultés sont reportées dans la résolution numérique des équations de
transport de l'interface. Pour cette
raison, nous avons choisi récemment de travailler avec le logiciel de
simulation numérique Comsol
Multiphysics, dans lequel cette
méthode est en partie implémentée.
Conclusion
Après des premiers résultats prometteurs, le PEP s'attachera durant
les deux prochaines années à lever
les verrous technologiques liés à la
micro-réplication de pièces plastiques. Le projet Microstructure
permettra aussi aux industriels de
la plasturgie en Rhône-Alpes de
s'ouvrir vers de nouveaux marchés.
L'interaction avec les parois devient
également très importante (conditions de glissement, rugosité).
VISIONS/octobre 2006