De l'injection traditionnelle à la micro-injection de pièces en polymères thermoplastiques : divergences et similitudes

From injecting molding to microinjection molding of thermoplastic polymers : differences and similarities

• Auteur / Autrice : Julien Giboz
• Direction : Patrice Mélé, Thierry Copponnex
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Matériaux polymères et composites
• Date : Soutenance en 2009
• Etablissement(s) : Chambéry
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire Matériaux Organiques à Propriétés Spécifiques (Chambéry ; 1999-2011)

Mots clés

Mots clés contrôlés

Microscopie électronique en transmission

Procédés de fabrication

Thermoplastiques

Mots clés libres

Micro-injection

Microplasturgie

Modèle de Tobin

Morphologie coeur-peau

Résumé

Ce travail a pour objectif de mettre en évidence les divergences et similitudes entre les procédés d'injection et de micro-injection; ce dernier se positionnant comme l'un des procédés les plus prometteurs pour la fabrication à grande échelle de micro-composants à base polymère. L'étude bibliographique a notamment permis de montrer que le procédé de micro-injection n'est pas une simple ''mise à l'échelle micro'' du procédé d'injection; les conséquences de ce procédé en termes de morphologie ou de propriétés des micropièces restent à découvrir. Ainsi, avant de comparer les morphologies et propriétés des pièces mises en œuvre à l'aide de ces deux procédés, la première partie de cette étude a consisté à concevoir puis à fabriquer les pièces de 150microns d'épaisseur, étape réclamant la fabrication d'un moule de dimensions adaptées. Après avoir validé cette phase en termes de capabilité, il a été montré que la morphologie cristalline se développant dans la micropièce n'avait jamais été observée dans la littérature, et a été qualifiée de structure dite ''sans cœur''. Dans le cas de la pièce traditionnelle (1. 5mm d'épaisseur), une morphologie de type ''cœur-peau'' a été relevée en accord avec la littérature. Afin d'analyser plus finement cette nouvelle structure cristalline, des analyses à une échelle nanoscopique ont été entreprises, à l'aide d'observations par microscopie électronique en transmission (MET) et d'analyses par Diffraction des Rayons X équipée d'un micro-faisceau (Ø20μm). Les observations par MET ont permis de montrer des différences significatives d'orientation des lamelles cristallines entre la pièce classique (orientation aléatoire) et la micropièce où une forte orientation des lamelles a été observée dans le sens perpendiculaire à l'écoulement. Ces résultats ont été interprétés en termes de cristallisation induite lors de l'écoulement, dont l'intensité est nettement supérieure dans le cas de la micropièce. Un tel résultat a été confirmé lors de l'analyse des essais de diffraction des rayons X, où une morphologie majoritairement sphérolitique a été trouvée dans le cas de la pièce classique, alors qu'une morphologie de type ''shish-kebab'', fortement anisotrope, s'est développée dans la micropièce. Des essais de nanoindentation ont confirmé l'anisotropie de propriétés mécaniques des micropièces, présentant par ailleurs des propriétés amoindries par rapport à celles des pièces traditionnelles. La dernière partie de cette étude s'est focalisée sur les différences existant entre les cinétiques de cristallisation des échantillons recuits micro-injectés et injectés. A partir d'une modélisation des cinétiques de cristallisation à l'aide du modèle de Tobin, il a été montré que ces différences provenaient d'un nombre plus important de germes cristallins présents dans la micropièce, qui subsisteraient même lors de recuits à hautes températures. Finalement, les résultats acquis sur les morphologies se développant dans le cas de ces deux procédés sont repris et discutés de sorte à proposer des voies d'améliorations au procédé de micro-injection.

This work deals with the differences and similarities found between injection molding and microinjection molding, believed as one of the most viable process for large scale productions of micro-components. A previous bibliographic study have concluded that his process is not a scale-down of the well-know injection molding, and its influence on the morphology and properties of polymer microparts was not clearly indentified. In that purpose, the first part of the work was to mold 150microns thick micropart (μpart), which required the development and the realization of a mold adapted to microinjection molding. This step was ended by characterizing the process capability. Therefore, the study of the morphology created in molded parts has shown a specific ''core free'' structure within the μpart's thickness, never reported in literature. For the conventional injection molded part (macropart: 1. 5mm), a morphology usually referred as ''skin-core'' has been observed. These morphological differences were locally investigated with the help of Transmission Electron Microscopy (TEM) and micro-focused Wide Angle X-ray Diffraction (WAXD). TEM analyses have pointed out clear differences of lamellae orientation between the macropart (random orientation) and the μpart, where lamellae were highly oriented in a direction transverse to flow. This result was related to the influence of the flow-induced crystallization, more pronounced in the case of μpart. This hypothesis was confirmed by local WAXD measurements that have shown a main spherulitic morphology for the macropart, whereas highly anisotropic shish-kebab morphology developed in μpart. Moreover, this anisotropy was also seen from the mechanical properties measured with nanoindentation; which revealed also lowered mechanical properties for the μpart. The last part of the study dealt with the crystallization kinetics found with annealed macropart and μpart. A kinetic model based on the Tobin theory describes perfectly the experimental crystallization kinetics. The fitting results have shown that the origins of the differences are due to a memory of the former molding conditions that enhances the nucleation phase for the μpart, even for high temperature annealing. Finally, the results obtained from the morphological analyses are reviewed and discussed to provide some improvements of the microinjection molding process to better control the μpart molding.