Micro and nanostructures replication via injection moulding

Abstract

Des del descobriment del poliestirè i el PVC a principis del segle XX, els plàstics han revolucionat el nostre dia a dia. Les 250 milions de tones que es fabriquen cada any s'utilitzen en un ampli ventall d'aplicacions com l'embalatge, la construcció, el transport, la medicina, l'electrònica, etc. D'una forma similar, es preveu que la nanotecnologia sigui una innovació disruptiva el segle XXI. Des que la nanotecnologia va néixer com a ciència als anys 80, han aparegut un ampli ventall d'aplicacions com els xips en laboratoris, les superfícies amb propietats d'autoneteja, les superfícies antimicrobianes, aplicacions òptiques, etc. Actualment, la nanotecnologia està saltant des dels centres de recerca cap a la indústria. Per fer això, el plàstic sembla ser un material adequat gràcies al seu baix cost, la fàcil fabricació i les propietats interessants com l'alta resistència tot i el baix pes, la durabilitat, la resistència a la corrosió, la transparència, etc. Aquesta tesi estudia en detall com l'injecció de plàstic es pot utilitzar per fabricar peces de plàstic amb àrees nanoestructurades. La dinàmica de fluids i la dinàmica molecular s'utilitzen per quantificar els paràmetres de procés i geomètrics que afecten la replicació. Des d'un punt de vista experimental i dins d'un marc de treball comú entre IQS (Universitat Ramon Llull), CSIC i Flubetech, s'injecta plàstic en motlles amb zones nanoestructurades i s'utilitza un microscopi de forces atòmiques per quantificar l'efecte en la replicació de la temperatura, el temps d'omplerta, la càrrega de polímer i la geometria de la nanocavitat. Per acabar, SEAT i l'IQS han unit esforços per desenvolupar una aplicació industrial centrada en la millora de l'homogeneïtat lumínica mitjançant el nanotexturitzat d'una superfície, s'ha obtingut d'aquesta manera un mètode més econòmic i eficient que els utilitzats actualment en l'il·luminació de fars i pilots.

Desde el descubrimiento del poliestireno y el PVC a principios del siglo XX, los plásticos han revolucionado nuestro día a día. Las 250 millones de toneladas que se fabrican cada año se utilizan en un ámplio abanico de aplicaciones como los embalajes, la construcción, los transportes, la medicina, la electrónica, etc.

De una forma parecida, se prevé que la llegada de la nanotecnología sea un cambio disruptivo del siglo XXI. Desde que la nanotecnología nació como ciencia en los años 80, han aparecido distintas aplicaciones en distintos sectores como los laboratorios en chips, las superfícies autolimpiantes, las superfícies antimicrobios, aplicaciones ópticas, etc.

Actualmente, la nanotecnología está saltando desde los centros de investigación a la industria. Para conseguir este salto, el plástico parece ser un material adecuado debido a su bajo coste, fácil fabricación y propiedades interesantes como su alta resistencia aún y su bajo peso, la resistencia a la corrosión, la transparencia, etc.

Esta tesis estudia en detalle como la inyección de plástico se puede usar para fabricar piezas de plástico con zonas nanoestructuradas. La dinámica de fluidos computacional y la dinámica molecular se utilizan para cuantificar los parámetros de proceso y geométricos que afectan a la replicación. Desde el punto de vista experimental y en un trabajo conjunto entre IQS (Universidad Ramon Llull), CSIC y Flubetech, se inyecta plástico en moldes con superfícies nanoestructuradas y se analiza con un microscopio de fuerzas atómica el efecto en la replicación de la temperatura, el tiempo de llenado, la carga de polímero y la geometría de la nanocavidad. Para acabar, SEAT y IQS han unido esfuerzos para desarrollar una aplicación industrial centrada en la mejora de la homogeneidad lumínica mediante el nanotexturizado de una superficie, obteniendo así un método más económico y más eficiente que los métodos usados actualmente en iluminación de faros o pilotos.

Since polystyrene and PVC were discovered at the beginning of the 20th century, plastics have revolutionized our daily lives. The 250 millions of tonnes that are manufactured each year are used in a wide field of applications like packaging, building and construction, transportation, medical, electronics, etc.

In a similar way, nanotechnology is called to lead a disruptive change on the 21th century. Since nanotechnology emerged as a science in the 1980s, a wide field of applications has appeared in different areas like lab-on-chips devices, surfaces with self-cleaning capabilities, antimicrobial surfaces, optical applications, etc.

Currently, nanotechnology is jumping from the research area to the mass production industry. To do so, plastic appears to be a suitable material for its low cost, easiness to manufacture and interesting properties like high strength-to-weight ratio, durability, corrosion resistance, transparency, etc.

This thesis studies in detail how injection moulding manufacturing technique can be used for manufacturing plastic parts with micro and nanostructured areas. Computational Fluid Dynamics and Molecular Dynamics simulation methods are used to quantify the process and geometrical factors that effect the replication. From the experimental point of view, in a common work between IQS (Ramon Llull University), CSIC and Flubetech, plastic is injected in moulds with nanostructured areas and an Atomic Force Microscope is used for quantifying the effect of temperature, filling time, polymer charge and nanoscale geometries in the replication of nanocavities. Finally, SEAT and IQS joined efforts to develop an industrial application consisting into an improve of light homogeneity through the nanotexturising of a surface, obtaining a costs reduction and a better efficiency than the currently used methods for lighting headlamps and rear lights.