Fabrication réplicative de moules métalliques pour la réplication de polymères à faible rugosité de surface

Nature Communications volume 13, Numéro d'article : 5048 (2022) Citer cet article

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Les processus de fabrication basés sur des outils tels que le moulage par injection permettent une production de masse rapide et de haute qualité, mais pour les composants optiques en polymère, la production des outils nécessaires prend du temps et est coûteuse. Dans cet article, un processus de fabrication d'inserts métalliques pour la fabrication d'outils avec des surfaces lisses via un processus de coulée et de réplication à partir de modèles en silice fondue est présenté. Le bronze, le laiton et le cobalt-chrome ont pu être reproduits avec succès à partir de réplications de silice fondue façonnées, atteignant une rugosité de surface de Rq 8 nm et des microstructures de l'ordre de 5 µm. Le moulage par injection a été réalisé avec succès, à l'aide d'un système de moulage par injection disponible dans le commerce, avec des milliers de répliques générées à partir du même outil. De plus, des corps tridimensionnels en métal pourraient être réalisés grâce à l’impression 3D de moules de coulée en silice fondue. Ce travail représente donc une approche des outils de moulage de haute qualité via une voie évolutive, facile et rentable, dépassant les techniques d'usinage à forte intensité de coût, de main-d'œuvre et d'équipement actuellement utilisées.

La fabrication à base d'outils (TBM) est le processus de choix lorsqu'il s'agit d'une production de masse rentable. Même les composants de haute précision tels que les objectifs d'appareils photo de téléphones portables, les lentilles de Fresnel ou les microdiffuseurs1,2 avec des tolérances serrées doivent être fabriqués en grande quantité à des coûts abordables. Ce profil d'exigence laisse très peu de choix dans les procédures de fabrication et ne peut être réalisé que par TBM3,4. Plus important encore, le moulage par injection est devenu la référence de facto pour la fabrication à haut débit de composants de formes complexes avec un niveau de qualité élevé5. Parmi tous, les outils dotés de surfaces de moulage hautement polies présentent un intérêt particulier en raison de leur capacité à produire des composants de haute qualité optique à une évolutivité et à des coûts pertinents. Cependant, leur fabrication est complexe et coûteuse et reste le principal goulot d’étranglement6. Aujourd’hui, les outils de moulage pour tunneliers sont principalement produits par usinage soustractif tel que le perçage, le tournage, le fraisage et le polissage7,8. Ces procédures nécessitent beaucoup de temps et de matériel et ne sont pas bien évolutives8,9. Pour produire des moules dotés de surfaces optiques, un usinage d’ultra-précision est généralement nécessaire, notamment le tournage au diamant et le polissage de surfaces allant jusqu’à une rugosité de surface de l’ordre du nanomètre7. Cela limite l’applicabilité du TBM et rend le prototypage des outils de moulage extrêmement difficile. En fonction de la qualité, même des outils de moulage simples peuvent coûter entre des milliers et des dizaines de milliers d'euros9, le processus de fabrication lui-même s'étendant facilement sur plusieurs semaines, en fonction de sa taille, de sa complexité et de la qualité de surface requise8. Si des résolutions micrométriques ou même submicrométriques sont requises, la galvanoplastie est généralement la méthode de choix. Dans ce processus, des modèles préfabriqués façonnés, par exemple via une photolithographie, sont copiés dans un substrat métallique dur qui peut résister aux contraintes du processus de formage8, tout en fournissant des surfaces de qualité optique. Les inconvénients décisifs de la galvanoplastie sont des taux de croissance lents, 12 µm/h10 n'étant pas inhabituels pour les revêtements de nickel, et une liberté de conception limitée pour les outils de moulage présentant des variations dimensionnelles importantes. Diverses tentatives ont été présentées pour permettre une génération plus rapide et plus pratique d'outils de moulage, un domaine communément appelé outillage rapide ou outillage direct. Plusieurs techniques ont été présentées pour structurer une préforme de l'outil de moulage via des techniques génératives telles que par exemple le frittage sélectif par laser (SLS)11 ou l'usinage par faisceau laser (LBM)12. Les valeurs de rugosité de surface réalisables avec ces techniques sont comprises entre Ra 2 et 40 µm13,14,15, ce qui nécessite toujours un post-traitement long et coûteux. L'outil de moulage de préforme généré est ensuite post-traité à l'aide de techniques d'usinage classiques, économisant ainsi du matériel et du temps de traitement global. Jusqu'à présent, le prototypage rapide pour les tunneliers est considéré comme viable uniquement dans des applications sélectionnées et n'est généralement pas considéré comme une alternative évolutive aux techniques de fabrication classiques des outils de moulage.