Evaluation of subtractive microtechnologies for injection micromoulding

Abstract

The development of new microsystems is highly dependent on manufacturing technologies that can economically produce microparts without defects in large production runs. In this context, microinjection moulding of polymer materials emerges as one of the most capable techniques for serial micromanufacture. In the mouldmaking industry, the term micromanufacturing refers to the generation of high precision three-dimensional (3D) microstructures using a variety of materials and microtechnologies. The late century saw extremely small feature sizes being produced relying on techniques, like etching and lithographic technologies. However, some of these microtechnologies lack the ability to produce complex 3-dimensional shapes with high-quality surface finishing. These limitations result from the critical dimensions up to which the surface structure at the microscale can be manufactured with good performance. Besides the creation of 3D microstructures with high aspect ratio, the achievable accuracy, the surface texture and integrity and the possibility to produce microdetails are also a challenge in micromachining. In this work, the performance of the main micromachining techniques used for creating 3Dstructures at the microscale in injection moulding blocks are discussed, evaluated and compared. In particular, laser beam machining, mechanical micromachining, electro-discharge micromachining and electron beam machining were considered. These techniques were used to produce moulding blocks for microparts that were injection moulded in polypropylene and polyacetal. These blocks were assembled in injection moulds specifically designed and manufactured for this study.

O desenvolvimento de novos microsistemas está muito dependente das tecnologias de manufactura que podem produzir, economicamente e em larga escala, microcomponentes sem defeitos. Neste contexto, a moldação por injecção de micropeças em materiais poliméricos é uma das técnicas de replicação mais aptas. Na indústria de moldes, micromanufactura referese à criação de microestruturas tridimensionais (3D) de alta precisão usando vários materiais e microtecnologias. O último século assistiu à produção de componentes extremamente pequenos e precisos usando novas técnicas, como processos químicos e litográficos. No entanto, algumas destas microtecnologias não são adequadas à produção de formas complexas tridimensionais com alta qualidade de acabamento da superfície. Estas limitações são impostas pelas dimensões críticas a partir das quais a microestrutura deixa de poder ser fabricada com um bom desempenho. Além disso, a criação de microestruturas 3D com elevada razão de aspecto e precisão, boa textura e integridade de superfície e a possibilidade de produzir microdetalhes são, também, desafios em micromaquinação. Nesta tese, o desempenho das principais técnicas de micromaquinação usadas para a criação de microestruturas 3D em blocos moldantes para a produção de micropeças em materiais poliméricos, são discutidas, avaliadas e comparadas. Em particular, maquinação com feixe laser, a micromaquinação mecânica, a micromaquinação por descarga eléctrica e a maquinação com feixe de electrões foram consideradas. Estas técnicas foram usadas para produzir insertos moldantes para micropeças que foram moldadas por injecção em polipropileno e poliacetal. Estes insertos foram montados em moldes de injecção especialmente desenhados e fabricados para este estudo. Ficou provado que o bombardeamento por electrões depois da maquinação com feixe laser é uma alternativa interessante ao polimento manual das superfícies de micromoldação. Esta combinação permite uma melhoria da rugosidade e integridade superficial sem fendas e com uma camada termicamente afectada mais pequena. Além disso, não requer tempo nem técnicas especiais associadas ao polimento manual e que o polimento por EBM promove dum modo significativo a resistência à oxidação e corrosão comparado com os convencionais tratamentos térmicos de superfície.