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Jul 08, 2023

Fabricação replicativa de moldes metálicos para replicação de polímeros de baixa rugosidade superficial

Volume de comunicações da natureza

Nature Communications volume 13, Número do artigo: 5048 (2022) Citar este artigo

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Os processos de fabricação baseados em ferramentas, como a moldagem por injeção, permitem uma produção de mercado de massa rápida e de alta qualidade, mas para componentes de polímeros ópticos, a produção das ferramentas necessárias é demorada e cara. Neste artigo, é apresentado um processo para fabricar pastilhas metálicas para fabricação baseada em ferramentas com superfícies lisas por meio de um processo de fundição e replicação a partir de moldes de sílica fundida. Bronze, latão e cobalto-cromo podem ser replicados com sucesso a partir de réplicas de sílica fundida moldada, atingindo uma rugosidade superficial de Rq 8 nm e microestruturas na faixa de 5 µm. A moldagem por injeção foi realizada com sucesso, utilizando um sistema de moldagem por injeção disponível comercialmente, com milhares de réplicas geradas a partir da mesma ferramenta. Além disso, corpos tridimensionais em metal podem ser realizados com impressão 3D de moldes de fundição de sílica fundida. Este trabalho representa, portanto, uma abordagem para ferramentas de moldagem de alta qualidade por meio de uma rota escalável, fácil e econômica, superando as técnicas de usinagem intensivas em custo, mão de obra e equipamentos atualmente empregadas.

A fabricação baseada em ferramentas (TBM) é o processo de escolha quando se trata de produção em massa econômica. Mesmo componentes de alta precisão, como lentes de câmera de celular, lentes Fresnel ou microdifusores1,2 com tolerâncias rígidas, devem ser fabricados em grandes quantidades a custos acessíveis. Este perfil de requisitos deixa muito pouca escolha nos procedimentos de fabricação e só pode ser realizado pelo TBM3,4. Mais proeminentemente, a moldagem por injeção emergiu como o padrão ouro de fato para a fabricação de alto rendimento de componentes de formato complexo com um alto padrão de qualidade5. Entre todas, as ferramentas com superfícies de moldagem altamente polidas são de particular interesse devido à sua capacidade de produzir componentes de alta qualidade óptica com escalabilidade e custos relevantes. No entanto, sua fabricação é complexa e cara e continua sendo o principal gargalo6. Hoje, as ferramentas de moldagem para TBM são produzidas principalmente por usinagem subtrativa, como furação, torneamento, fresamento e polimento7,8. Esses procedimentos são intensivos em tempo e material e não escalam bem8,9. Para produzir moldes com superfícies ópticas, geralmente é necessária usinagem de ultraprecisão, incluindo torneamento de diamante e polimento de superfícies bem na faixa de rugosidade superficial nanométrica7. Isso limita a aplicabilidade do TBM e torna a prototipagem de ferramentas de moldagem extremamente desafiadora. Dependendo da qualidade, mesmo ferramentas de moldagem simples podem variar de milhares a dezenas de milhares de euros em custo9 com o processo de fabricação real facilmente abrangendo semanas, dependendo de seu tamanho, complexidade e qualidade de superfície necessária8. Se forem necessárias resoluções de micrômetro ou mesmo sub-micrômetro, a galvanoplastia é geralmente o método de escolha. Neste processo, moldes pré-fabricados moldados, por exemplo, por meio de fotolitografia, são copiados em um substrato de metal duro que pode suportar as tensões do processo de conformação8, enquanto fornece superfícies de qualidade ótica. As desvantagens decisivas da galvanoplastia são as taxas de crescimento lentas, 12 µm/h10 não são incomuns para revestimentos de níquel e a liberdade limitada de design para ferramentas de moldagem com variações significativas nas dimensões. Várias tentativas foram apresentadas para permitir a geração mais rápida e conveniente de ferramentas de moldagem, um campo comumente conhecido como ferramental rápido ou ferramental direto. Várias técnicas foram apresentadas para estruturar uma pré-forma da ferramenta de moldagem por meio de técnicas generativas, como, por exemplo, sinterização seletiva a laser (SLS)11 ou usinagem por feixe de laser (LBM)12. Os valores alcançáveis ​​de rugosidade superficial dessas técnicas estão na faixa de Ra 2–40 µm13,14,15, ainda exigindo pós-processamento caro e demorado. A ferramenta de moldagem de pré-forma gerada é então pós-processada usando técnicas de usinagem clássicas, economizando material e tempo de processamento geral. Até agora, a prototipagem rápida para TBM é considerada viável apenas em aplicações selecionadas e geralmente não é considerada uma alternativa escalável às técnicas clássicas de fabricação de ferramentas de moldagem.