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

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

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Processos de fabricação baseados em ferramentas, como moldagem por injeção, permitem uma produção rápida e de alta qualidade no mercado de massa, 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 através de um processo de fundição e replicação a partir de modelos de sílica fundida. Bronze, latão e cobalto-cromo podem ser replicados com sucesso a partir de replicações moldadas de sílica fundida, alcançando rugosidades superficiais 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 poderiam 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 através de uma rota escalonável, fácil e econômica, superando as técnicas de usinagem atualmente empregadas com uso intensivo de custo, mão de obra e equipamentos.

A fabricação baseada em ferramentas (TBM) é o processo preferido quando se trata de produção em massa com boa relação custo-benefício. Mesmo componentes de alta precisão, como lentes de câmeras de celulares, lentes de Fresnel ou microdifusores1,2 com tolerâncias restritas, 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, ferramentas com superfícies de moldagem altamente polidas são de particular interesse devido à sua capacidade de produzir componentes ópticos de alta qualidade com escalabilidade e custos relevantes. Contudo, o seu fabrico é complexo e dispendioso e continua a ser 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 exigem muito tempo e material e não são bem escalonados8,9. Para produzir moldes com superfícies ópticas, geralmente é necessária usinagem de ultraprecisão, incluindo torneamento com diamante e polimento de superfícies na faixa de rugosidade superficial nanométrica7. Isto 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 abrangendo facilmente semanas, dependendo do seu tamanho, complexidade e qualidade de superfície exigida8. Se forem necessárias resoluções micrométricas ou mesmo submicrométricas, a galvanoplastia é geralmente o método de escolha. Neste processo, modelos pré-fabricados moldados, por exemplo, através de fotolitografia, são copiados num substrato de metal duro que pode suportar as tensões do processo de formação8, ao mesmo tempo que proporciona superfícies de qualidade óptica. 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 através de técnicas generativas, como, por exemplo, sinterização seletiva a laser (SLS)11 ou usinagem por feixe de laser (LBM)12. Os valores de rugosidade superficial alcançáveis ​​por essas técnicas estão na faixa de Ra 2–40 µm , ainda exigindo pós-processamento demorado e caro. A ferramenta de moldagem de pré-forma gerada é então pós-processada usando técnicas clássicas de usinagem, economizando material e tempo total de processamento. Até agora, a prototipagem rápida para TBM é considerada viável apenas em aplicações selecionadas e geralmente não é considerada uma alternativa escalonável às técnicas clássicas de fabricação de ferramentas de moldagem.