A study on the performance of microinjection moulds obtained using additive manufacturing

Abstract

The development of smaller and more effective microsystems for medical, electronic and automotive applications is driving the industry and research institutions to the development of new manufacturing processes. In the last two decades several techniques were developed complying with the requirements of micromanufacturing. Considering their specific nature and purpose, microreplication processes such as microinjection are the most suitable for high production levels. Nevertheless, microinjection moulding is still a relatively unknown process considering polymer flow behaviour at the microscale. Therefore, experimental studies and numerical analyses were required to enable process optimization. Microscale effects such as wall-slip and heat transfer can have a significant influence on microinjection processing conditions as well as on the quality of the moulded parts. Therefore, these effects must be accounted for a numerical simulation with accurate results. For that purpose, tests on an instrumented micromould were carried out to obtain suitable data to be compared with filling and packing simulation results. Furthermore, when considering the use of moulding blocks manufactured by additive technologies such as stereolithography (SLA) and selective laser melting (SLM), it is important to evaluate their mechanical behaviour after the experimental tests have been performed. The use of this type moulding blocks decisively contributes for the time-to-market decrease of plastic microcomponents obtained through microinjection moulding.

O desenvolvimento de microsistemas cada vez mais pequenos e eficazes para aplicações médicas, electrónica e automóvel está a conduzir a indústria e centros de investigação para o desenvolvimento de novos processos de fabrico. Foram desenvolvidas diversas técnicas nas últimas duas decadas orientadas para o cumprimento dos requisitos da microfabricação. Considerando a sua natureza específica e objectivos, os processos de microreplicação como a microinjecção revelam-se como os mais adequados para elevados níveis de produção. Contudo, a moldação por microinjecção é ainda um processo relativamente pouco dominado considerando o comportamento do escoamento de polímero à microescala. Assim sendo, é fundamental a realização de estudos experimentais e de simulações numéricas para optimizar o processo. Efeitos de escoamento à microescala, tais como o escorregamento e a transferência de calor podem ter uma influência significativa nas condições de processamento da microinjecção assim como na qualidade das peças moldadas. Estes efeitos devem assim ser contabilizados para que se possa realizar uma simulação numérica que produza resultados precisos. Para esse efeito, foram realizados testes de microinjecção num micromolde instrumentado com o objectivo de retirar dados comparáveis com os resultados numéricos do enchimento e da compactação. Adicionalmente, considerando a utilização de blocos moldantes fabricados por tecnologias aditivas tais como a estereolitografia (SLA) e a fusão selectiva por laser (SLM), revela-se importante a avaliação do seu comportamento mecânico apoós a realização dos testes experimentais. A utilização deste tipo de blocos moldantes contribui decisivamente para o decréscimo do time-to-market para microcomponentes plásticos obtidos por micromoldação por injecção.