Análise do fluxo polimérico em micro cavidades revestidas com diamante

Abstract

Com o aumento da produção de micro-componentes é necessário vencer vários desafios tecnológicos presentes na adaptação do processo de moldação por injeção: desgaste da ferramenta moldante, elevada influência do mecanismo de transferência de calor, razão de aspeto das cavidades a preencher, reologia do material à escala micrométrica, entre outros. Uma possível solução passa por aplicar sistemas de revestimento avançados que contenham elevada dureza, elevada condutividade térmica, elevada capacidade de resistência ao choque térmico e baixo coeficiente de atrito. Neste trabalho, um postiço microestruturado foi revestido com nitreto de crómio (comercial) numa das vias de moldacão e revestido com nanodiamante na via oposta, através de uma metodologia adequada e da tecnologia deposição química a partir da fase de vapor por filamento quente (HFCVD). Este postiço foi posteriormente utilizado para a produção de micro-peças de polipropileno, com o objetivo de se analisar a posição relativa da linha de soldadura e, assim, avaliar o fluxo do polímero semicristalino fundido nas micro-cavidades. Numa primeira fase, analisaram-se através das técnicas de caracterização SEM e espetroscopia de Raman, a morfologia, a qualidade e as tensões presentes no filme de diamante obtido. Concluiu-se, que o tamanho médio dos grãos do filme de diamante é cerca de 100 nm, em que os seus cristais são homogéneos, formando um filme praticamente coalescente. O revestimento apresenta um espetro de Raman típico de um filme de diamante nanocristalino, contudo indicia estar sujeito à tração, por influência de fases não diamante nas fronteiras de grão. Parâmetros como o baixo fluxo de hidrogénio durante a deposição ou a baixa temperatura do substrato podem ter influenciado a qualidade e as tensões presentes no filme obtido. Por fim, analisou-se a posição das linhas de soldadura. Através do bloco de moldação com filme de diamante, apurou-se que a temperatura do fundido é a variável que maior influência tem sobre o avanço da frente de enchimento. A frente de enchimento parece beneficiar do revestimento, podendo tirar-se partido de condições de processamento mais controladas. Logo o diamante pode atuar como um "buffer" (amortecedor) de calor, enfraquecendo a influência do mecanismo de transferência de calor na interface polímero/molde na fase de enchimento da cavidade, permitindo um projeto do sistema de controlo de temperatura menos agressivo.

With the increase of the production of micro components, it is necessary to overcome various technological challenges existing in the adaptation of the injection molding process: the wear of the molding tool, high influence of the heat transfer mechanism, the aspect ratio of the cavities to fill, the rheology of the material in micrometer scale and among others. One possible solution is to implement advanced coating systems presenting high hardness, high thermal conductivity, high thermal shock capacity and low friction coefficient. In this work, a molding insert was coated with a commercial chromium nitride film in a molding pathway and coated with a nanocrystalline diamond film in the opposite pathway, using appropriate methodology and Hot Filament Chemical Vapor Deposition (HFCVD) technology. This insert was after used for the production of polypropylene micro-parts, with the scope of analyzing the relative position of the welding line, and therefore, evaluate the semicrystalline polymeric melt flow in the microcavities. Initially, the morfology, the quality and the stress present in the obtained diamond film were analysed using Scanning Electron Microscopy (SEM) and Raman spectroscopy characterization techniques. It was concluded that the average grain size of diamond film is about 100 nm, in which their crystals are homogeneous, forming an almost coalescent film. The coating presents a typical Raman spectrum of a nanocrystalline diamond film, but seems to be subjected to tensile stress due to the influence of non-diamond phases at the grain boundaries. A low flow of hydrogen during the deposition stage or the low substrate deposition temperature may have influenced these results. Lastly, the position of the welding lines was analyzed. Through the molding block with the diamond film, it was found that the melt temperature is the variable that has the greatest influence on the advance of the front flow. The front flow appears to benefit from the coating, leading to a more controlled processing conditions. Therefore, the diamond can act as an heat buffer, weakening the influence of the heat transfer mechanism on the polymer/mould interface at the flow stage, allowing a less aggressive design of the temperature control system.