Microinjection Moulding of semi-crystalline polymers
Microinjection des polymères semi-cristallins : Microstructures et textures des matériaux
Résumé
Due to the development of microsystems, it is compelling to find techniques that allow the production of increasingly small pieces. Among these techniques lies the microinjection, which is the injection of thermoplastic materials in micro-molds. This method is considered as the prime choice and is being established in the industrial field. However, technical and scientific obstacles prevent its development on a larger scale. Fully aware of this problem, the Centre For Material Forming (CEMEF) in Mines ParisTech, the Process and Engineering in Mechanics and Materials laboratory (PIMM) in Arts et Métiers ParisTech, along with GETELEC company submitted to Mat&Pro in the National Agency for Research (ANR) a project entitled Micronnect. This project aimed at elaborating a new concept for a microinjection machine, studying the rheology at high deformation rates, and for us in the PIMM laboratory, understanding and determining the influence of high deformation speeds on the microstructures and the properties induced in the semi-crystalline polymers, the large majority of polymers used today in microinjection. Studies were carried out on one high-density polyethylene (HDPE) and one polyamide 12 (PA12) that were injected in low thickness plates (200, 300 and 500 µm). The optical microscope provided analysis showing that the " skin-core " morphology is only formed by two visible layers: a transparent skin layer of a constant thickness, and a quite uniform core layer. Combined analysis of diffusion and diffraction of X-radiations (SAXS and WAKS) with a synchroton microbeam allowed us to determine the microstructure induced in the thickness of the pieces. Unlike the higher-thickness injection, the skin layer is formed of shish-kebabs and turns out to be the most oriented layer. Thickness plays a preponderant role with microstructures in shish-kebabs that reach the core once the thickness decreases to 0.3 or 0.2 mm. The flow length, the injection time, as well as the mold's temperature are also significantly influential. We will seek to reach the fastest possible injection times, a few hundredths of a second, in order to allow, simultaneously, a good filling of the molded cavities, and a decrease of crystalline orientations, leading, thus, to a better relaxation of the polymers chains after the filling and before the crystallization. Therefore, one may understand that classic injection technologies ought to evolve.
L'essor des microsystèmes contraint à développer des techniques qui permettent la production de pièces de plus en plus petites. Parmi ces techniques, l'injection de matériaux thermoplastiques dans des micro-moules, nommée microinjection, est un candidat de choix et commence à s'implanter dans le milieu industriel. Mais des verrous techniques et scientifiques empêchent son développement à plus grande échelle. Conscient de ces problèmes, le CEMEF de MinesParisTech, le PIMM de Arts et Métiers ParisTech et la société GETELEC ont déposé un projet ANR Mat&Pro intitulé Micronnect dont le but était à la fois de mettre au point un nouveau concept de machine de microinjection, d'étudier la rhéologie à haut taux de déformation, et pour nous au laboratoire PIMM, de comprendre et déterminer l'influence des hautes vitesses de déformation sur les microstructures et propriétés induites dans les polymères semi-cristallins qui représentent la grande majorité des polymères aujourd'hui utilisés en microinjection. Les études ont été menées sur un PEhD et un PA12 qui ont été injectés dans des plaques de faibles épaisseurs (200, 300 et 500 µm). Les analyses obtenues par la microscopie optique montrent que la morphologie " cœur-peau " n'est constituée que de deux couches visibles, une couche de peau transparente d'épaisseur constante et une couche de cœur assez uniforme. Les analyses combinées de diffusion et de diffraction des rayons X (SAXS et WAXS) avec un microfaisceau synchrotron nous ont permis de déterminer la microstructure induite dans l'épaisseur des pièces. Contrairement à l'injection en plus forte épaisseur, la couche de peau est constituée de shish-kebabs et s'avère la couche la plus orientée. L'épaisseur joue un rôle prépondérant avec des microstructures en shish-kebabs qui se prolongent jusqu'à cœur lorsque l'épaisseur diminue jusqu'à 0,3 ou 0,2 mm. La longueur d'écoulement, le temps d'injection et la température du moule ont également une influence significative. On recherchera des temps d'injection les plus rapides possibles, quelques centièmes de seconde, pour permettre à la fois un bon remplissage des cavités moulantes et une diminution des orientations cristallines, ce qui a pour effet une meilleure relaxation des chaînes de polymères après le remplissage et avant la cristallisation. On comprend alors que les technologies classiques de l'injection doivent évoluer.
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