Injection moulding process optimization for microstructured parts production

Abstract

Ao longo das últimas décadas, a micromoldação (u-moldação) por injeção de termoplásticos ganhou um lugar de destaque no mercado de equipamentos eletrónicos e de uma ampla gama de componentes mecânicos. No entanto, quando o tamanho do componente diminui, os pressupostos geralmente aceites na moldação por injeção convencional deixam de ser válidos para descrever o comportamento reológico e termomecânico do polímero na microimpressão. Por isso, a compreensão do comportamento dinâmico do polímero à escala micro bem como da sua caraterização, análise e previsão das propriedades mecânicas exige uma investigação mais alargada. O objetivo principal deste programa doutoral passa por uma melhor compreensão do fenómeno físico intrínseco ao processo da μ-moldação por injeção. Para cumprir com o objetivo estabelecido, foi efetuado um estudo paramétrico do processo de μ-moldação por injeção, cujos resultados foram comparados com os resultados obtidos por simulação numérica. A caracterização dinâmica mecânica das μ-peças foi efetuada com o objetivo de recolher os dados necessários para a previsão do desempenho mecânico das mesmas, a longo prazo. Finalmente, depois da calibração do modelo matemático do polímero, foram realizadas análises estruturais com o intuito de prever o desempenho mecânico das μ-peças no longo prazo. Verificou-se que o desempenho mecânico das μ-peças pode ser significativamente afetado pelas tensões residuais de origem mecânica e térmica. Estas últimas, resultantes do processo de fabrico e das condições de processamento, por isso, devem ser consideradas na previsão do desempenho mecânico e do tempo de serviço das u-moldações.

Over the last decades, microinjection moulding (uIM) of thermoplastics has gained a pertinent place on the market of electronic equipment and a broad range of the mechanical aids. However, when size of components drop to the micro level, the assumptions of the conventional injection moulding cease to describe the complex rheological and thermo-mechanical behavior of the polymer in the microimpression. Therefore, understanding of the polymer flow dynamics at the micro scale as well as characterization, assessment and prediction of the final mechanical properties require a great deal of additional research. The prime objective of this doctoral thesis is to get an insight into the physical phenomena inherent to μIM process. In order to comply with the established objective, a number of parametrical studies of the μIM process were carried on an instrumented micromould and then their results were compared with the obtained numerical simulation results gathered from process modeling phenomena. Dynamical mechanical characterization of μ-moulded parts was performed in order to collect the data required for prediction of their long-term mechanical performance. Finally, after calibration of polymer material model, a long-term transient structural analysis was carried out. It was found out that the structural performance of microparts was significantly affected by the thermo-mechanical (residual) stresses. The latter is an inherent feature of the injection moulding processing, and therefore has to be accounted for the prediction of the u-moulded parts’ service life.