Study of microstructures replication for self-cleaning applications

Abstract

A presente dissertação consiste no desenvolvimento de uma protective optical window com a propriedade auto-limpante, para a protecção de um sensor LiDAR aplicado em condução autónoma. A optical window deve ter uma excelente transmissão ótica no comprimento de onda do sensor. A primeira fase do trabalho consistiu na revisão bibliográfica do estado de arte relativo às superfícies auto-limpantes na natureza e também de casos de biomimetismo destas superfícies em peças poliméricas. A pesquisa também incidiu sobre os métodos de replicação de microestruturas bem como nas propriedades adequadas para obter substratos microestruturados. A funcionalidade da protective optical window pode ser assegurada pela configuração das microestruturas a replicar e do polímero usado. Por esta razão, uma configuração pré-definida foi testada para avaliar a sua influência na hidrofobicidade da superfície. Como o PMMA possui melhores propriedades óticas, foi realizado um teste preliminar para estudar as condições de processamento que favorecem a replicação, ao longo de um substrato. Por fim, o protótipo da protective optical window foi produzido por moldação por injeção, com o PMMA e a configuração previamente estudada com o inserto de cobre. Contudo, foi desenvolvido um novo inserto, num material diferente do usado no teste preliminar, para ser integrado num molde de injeção, com propriedades mecânicas adequadas para as altas pressões características desta técnica. A replicação por moldação por injeção resultou em microestruturas não completamente preenchidas, com 1 μm de altura. Estes resultados correspondem a um aumento do ângulo de contacto de 13 ˚, apesar de não ter sido alcançado o regime hidrofóbico. Antes da moldação por injeção, adaptando a técnica de hot embossing, com a configuração de microestruturas previamente estudada, foi possível obter microestruturas com 8 μm de altura com um aumento do ângulo de contacto da água de 44 ˚. Caso a moldação por injeção não permita replicar a altura pretendida, foi desenvolvida uma proposta de molde de injeção-compressão, baseado na revisão bibliográfica, que combinado com um sistema variotérmico, é vantajoso para a replicação das microestruturas. Os resultados sugerem que a presente configuração pode levar à propriedade auto-limpante, aumentando as propriedades hidrofóbicas da superfície, apesar de vários fatores precisarem de ser estudados.

The present dissertation comprises the development of a protective optical window, with self-cleaning ability, to cover a LiDAR sensor applied to autonomous driving. The optical window must have excellent optical transmittance concerning the operational wavelength of the sensor. The first stage of this work consisted of a literature review on the state of the art concerning the self-cleaning surfaces in nature, as well the attempts to biomimetic these surfaces in polymer parts. The research also focused in the replication methods of microstructures as well the proper conditions to successfully obtain microstructured substrates. The functionality of the protective optical window can be assured by the configuration of the microstructured pattern and the used polymer. For this reason, a pre-defined configuration was evaluated through its influence in the surface hydrophobicity. Since the PMMA presents better optical properties, it was performed a preliminary study to achieve the proper processing conditions which favour the microreplication along the substrate. Finally, the protective optical window prototype was produced by injection moulding, using PMMA and the configuration previous tested with the copper insert. However, a new insert of a different material was developed so it can be integrated in an injection mould, with accurate mechanical properties for the higher pressures characteristic of this technique. The replication by injection moulding resulted in incomplete filled microstructures, with 1 μm of height. These results corresponded to an increase in the water contact angle of 13 ˚ although the hydrophobic regime was not achieved. Before injection moulding, improvising hot embossing allowed to obtain, with the same microstructured pattern, microstructures with 8 μm with an increment of water contact angle of 44 ˚. In case of the injection moulding will not allow to achieve the desired replicated height, a proposal for an injection-compression mould was developed, which is pointed in literature, combined with a variotherm system, as advantageous to replicate microstructures. The results suggested that the present configuration can lead to the self-cleaning ability, by enhancing the surface hydrophobicity, although several factors need attention.