Texturation de surface de pièces polymères injectées à partir de la structuration submicronique du moule

par Julie Vera

Thèse de doctorat en Matériaux

Soutenue le 26-06-2017

à Lyon , dans le cadre de Ecole Doctorale Matériaux de Lyon (Villeurbanne) , en partenariat avec École centrale de Lyon (établissement opérateur d'inscription) et de Laboratoire de tribologie et dynamique des systèmes (Écully, Rhône) (laboratoire) .

Le président du jury était Denis Mazuyer.

Le jury était composé de Stéphane Benayoun, Anne-Catherine Brulez, Elise Contraires, Emanuela Rossitto, Cécile Venet.

Les rapporteurs étaient Patrick Mele, Michel Vincent.


  • Résumé

    Depuis plusieurs années, on cherche à fonctionnaliser les surfaces de tout type de matériaux que ce soit pour le biomédical, la recherche ou l’industrie des transports afin de conférer de nouvelles propriétés (antibuée, réduction du frottement, dégivrage…). Parmi les techniques de traitement de surface, l’ablation au moyen d’un laser à impulsions ultra-brèves offre la possibilité d’élaborer des textures submicroniques, qui jouent un rôle essentiel dans leur comportement fonctionnel. Toutefois, dans le cas de production en grande série, il est préférable pour des questions de coûts, de reproduire ces textures avec une technique de reproduction d’empreinte.Ce travail porte sur l’étude des différents facteurs impliqués dans la réplication par injection plastique de topographies submicroniques. Il s’agit de comprendre l’influence des paramètres du procédé d’injection, des propriétés du polymère injecté et de la chimie de surface du moule (avec ou sans revêtement) sur la qualité de la pièce injectée.Une première étude a été réalisée sur deux polypropylènes de viscosité différente sous faible taux de cisaillement (grade MFR). Une première étape a consisté à développer une nouvelle méthodologie pour quantifier la qualité de réplication de structures submicroniques périodiques et aléatoires entre la pièce injectée et le moule, avant de mettre en œuvre une série d’injections. Pour des paramètres d’injection identiques, on observe que la qualité de réplication des motifs sur les pièces injectées est différente. Une étude approfondie des caractéristiques structurales et rhéologiques des polymères a été réalisée. Cette différence de réplication n’est pas dues à leur viscosité dans les conditions d’injection en dépit de grades MFR très différents mais de leur mode de relaxation de contraintes pendant la phase de refroidissement [1]. Une deuxième étude s’est concentrée sur l’influence de la chimie de surface des moules lors du remplissage des cavités dans le procédé d’injection. Nous avons principalement étudié le phénomène d’adhésion d’un polymère fondu sur différents substrats revêtus de dépôt à base de nitrures de chrome ou de titane ainsi qu’un dépôt de DLC (Diamond Like Carbon). A partir d’essais de mouillage en température et de mesures d’énergie de surface des polymères fondus, nous avons déterminé le travail d’adhésion du polymères sur les moules revêtus (ou non) aux températures d’injection [2]. A partir de ces résultats nous avons tenté de mener un travail de synthèse en développant une approche statistique basée sur l’analyse de plans d’expériences afin de quantifier l’influence de différents facteurs tant procédés (vitesses d’injection, vide dans l’empreinte, température moule, …) que matériaux (différents polymères, différents revêtements sur le moule). Nous avons montré que les échanges thermiques à l’interface moule-polymère avaient un rôle prépondérant dans la qualité de réplication. Ces échanges dépendent notamment de la nature des revêtements qui conditionne la formation de la gaine solide lors de la microinjection [3].[1] J. Vera, A.-C. Brulez, E. Contraires, M. Larochette, S. Valette, S. Benayoun, Influence of the polypropylene structure on the replication of nanostructures by injection molding, J. Micromech. Microeng. 25 (2015) 115027. doi:10.1088/0960-1317/25/11/115027.[2] J. Vera, E. Contraires, A.-C. Brulez, M. Larochette, S. Valette, S. Benayoun, Wetting of polymer melts on coated and uncoated steel surfaces, Applied Surface Science. 410 (2017) 87–98. doi:10.1016/j.apsusc.2017.02.067.[3] J. Vera, A.-C. Brulez, E. Contraires, M. Larochette, N. Trannoy-Orban, M. Pignon, C. Mauclair, S. Valette, S. Benayoun, Factors influencing micro-injection quality, Journal of Micromechanics and Microengineering. (soumis en juin 2017).


  • Résumé

    Over the past decades, industrial and academic research groups have been trying to functionalize surfaces, i.e. provide new properties to surfaces, in order to obtain specific functions such as friction reduction, anti-fog or de-icing properties. Among the various existing surface treatment techniques, laser ablation using an ultra-short pulse laser gives the opportunity to generate submicronic textures, which play an essential role in their functional behavior. However, in the case of mass production of textured surfaces, it is preferable to reproduce these textures with a fingerprinting technique for reasons of cost-effectiveness.This work focuses on the study of the various factors involved in the replication of submicronic topographies by plastic injection. Understanding the influence of the parameters of the injection process, the properties of the injected polymer and the surface chemistry of the mold (with or without coating) is key to controlling the quality of the injected part.A first study was carried out on two polypropylenes of different viscosities under low shear rate (MFR grade). A first step was to develop a methodology enabling to quantify the quality of replication of periodic and random submicron structures between the injected part and the mold. For identical injection parameters, it was observed that the quality of replication of the patterns on the injected parts was different when viscosity changed. A study of the structural and rheological characteristics of the polymers was carried out. This difference in replication was not due to their viscosity under the injection conditions in spite of very different MFR grades but to their mode of stress relaxation during the cooling phase [1]. A second study focused on the influence of the surface chemistry of molds when filling the cavities in the injection process. We mainly studied the phenomenon of adhesion of a molten polymer on different chromium nitride, titanium-based and DLC films deposited on mold substrates. From the temperature wetting tests and the surface energy measurements of the molten polymers, we determined the work of adhesion between the polymers and the coated or non-coated molds at injection temperatures [2]. On the basis of these results, we performed a synthesis work by developing a statistical approach based on the analysis of experimental plans in order to quantify the influence of various factors, both process (injection rates, Impression, mold temperature, etc.) and material (different polymers, different coatings on the mold) related. We showed that thermal exchanges at the mold-polymer interface had a dominant role in the quality of replication. In particular, these exchanges depend on the nature of the coatings and regulates the formation of the solid sheath during microinjection [3].[1] J. Vera, A.-C. Brulez, E. Contraires, M. Larochette, S. Valette, S. Benayoun, Influence of the polypropylene structure on the replication of nanostructures by injection molding, J. Micromech. Microeng. 25 (2015) 115027. doi:10.1088/0960-1317/25/11/115027.[2] J. Vera, E. Contraires, A.-C. Brulez, M. Larochette, S. Valette, S. Benayoun, Wetting of polymer melts on coated and uncoated steel surfaces, Applied Surface Science. 410 (2017) 87–98. doi:10.1016/j.apsusc.2017.02.067.[3] J. Vera, A.-C. Brulez, E. Contraires, M. Larochette, N. Trannoy-Orban, M. Pignon, C. Mauclair, S. Valette, S. Benayoun, Factors influencing micro-injection quality, Journal of Micromechanics and Microengineering. (soumis en juin 2017).


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  • Sous le titre : Texturation de surface de pièces polymères injectées à partir de la structuration submicronique du moule
  • Détails : 1 vol. (169 p.)
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