Analysis of the tribological effects of mold surface properties on the micro injection molding process

Injection molding is one of the most widespread processes for the manufacturing of plastics products, for several applications. However, the increasing competitiveness of the current industrial environment constantly pushes the plastics industry towards the design of smaller, lighter and thinner parts, to reduce both product cost and environmental impact. This lead to significant manufacturing issues that are often related to the design of injection molding tools. In this contest, the design of mold surfaces represent a strategic point for the optimization of several key aspects of the process, especially those related to the filling and ejection phases. In this work, the tribological effects of mold surface properties were investigated focusing on the characterization of conventional and unconventional mold surface treatments. The main objectives were the reduction of the injection pressure and the reduction of the demolding force. The effects of mold surface properties on both the filling and ejection phases were investigated following two main strategies, specifically `Surface Generation' and `Surface Modification'. The approach to the research was mainly based on injection molding experimentations, carried out with specifically designed molds equipped with state-of-the-art instrumentations for process monitoring. The effects of mold surface coatings on the melt flow resistance allowed the identification of the phenomena that control the melt flow resistance (thermal insulation and wall-slip). The correlation between the melt flow resistance and the slip velocity was investigated using high-speed flow visualization. The results showed that the cavity pressure drop is inversely dependent on the slip velocity, thus indicating the importance of selecting a proper mold surface coating. Moreover, it was shown that different laser treatments can be exploited to drive the slipping of polymer melts depending on the relative orientation of the ripples. It was reported that nanostructures have the capability of reducing the injection pressure up to more than 20% under standard injection molding processing conditions. The monitoring of the demolding force indicated that ejection friction is controlled by the mechanical interlocking created at the polymer/mold interface during the filling phase. The results of the experimental tests showed the strong interactions between the effect of mold surface topography and the ones of those injection molding process parameters that promote the replication, such as mold temperature and holding pressure. Mold surface coatings were demonstrated to be efficient solutions to modify the adhesion between the polymer and the tool surface. Modeling of both the filling and ejection phases resulted in significant improvements for the understanding of the phenomena that control the injection molding process. In general, the findings of this work could be anticipated as an innovation for the design of thinner and smaller plastic parts, leading to manufacturing cost saving and reduced environmental impact, through the decrease of material and energy consumption.

Lo stampaggio ad iniezione è una delle tecnologie più diffuse per la produzione di componenti in materiale plastico, per numerose applicazioni. Tuttavia, la crescente competitività del mercato spinge costantemente verso la progettazione di parti sempre più sottili e leggere, al fine di ridurre sia i costi che l'impatto ambientale. In questo contesto emergono notevoli problematiche, spesso legate alla progettazione degli stampi. In particolare, la progettazione della superficie dello stampo rappresenta una tematica strategica che può consentire di ottenere notevoli vantaggi in termini di miglior qualità delle parti stampate, ottimizzazione dei consumi energetici e di materiale. In questo lavoro, le proprietà tribologiche della superficie dello stampo sono state analizzate focalizzando l'attenzione sulla caratterizzazione di trattamenti stampo convenzionali ed innovativi. Gli obiettivi principali di questo lavoro sono stati la riduzione della pressione di iniezione e delle forze di estrazione. Gli effetti delle proprietà dello stampo sulle fasi di riempimento ed estrazione sono stati studiati seguendo due strategie principali legate alla generazione della superficie dello stampo ed alla sua modifica mediante trattamenti superficiali. L'approccio adottato è stato basato su diverse campagne di stampaggio ad iniezione condotte utilizzando stampi appositamente progettati ed equipaggiati con strumentazione per il monitoraggio del processo. L'analisi dell'effetto dei rivestimenti superficiali sulla fase di riempimento ha consentito di identificare i fenomeni che controllano la caduta di pressione in cavità (isolamento termico e scivolamento del fuso polimerico in corrispondenza della parete della cavità). La correlazione tra resistenza al flusso e velocità di scivolamento è stata studiata mediante visualizzazione del flusso. I risultati hanno indicato che la perdita di pressione in cavità è inversamente correlata alla velocità di scivolamento, indicando l'importanza nella scelta del rivestimento adeguato. Inoltre, è stato dimostrato che trattamenti al laser per la generazione di nano-strutture sulla superficie dello stampo possono essere utilizzati per controllare lo scivolamento del polimero a parete, a seconda dell'orientazione relativa delle strutture. Esperimenti condotti in condizioni standard di processo hanno evidenziato riduzioni della pressione d'iniezione superiori al 20%. La caratterizzazione della fase di estrazione ha consentito di mettere in evidenza l'importanza per l'attrito durante l'estrazione delle interazioni all'interfaccia tra polimero e superficie dello stampo. I risultati hanno mostrato forti interazioni tra topografia dello stampo e parametri di processo che promuovono la replicazione, come la temperatura stampo e la pressione di impaccamento. I rivestimenti superficiali sono stati dimostrati essere efficaci per la modifica dell'adesione tra polimero e superficie dello stampo. La modellazione delle fasi di riempimento ed estrazione ha permesso di migliorare in modo significativo la comprensione dei fenomeni che controllano il processo di stampaggio ad iniezione. In generale, i risultati di questo lavoro costituiranno un'innovazione per la progettazione di componenti in materiale plastico più sottili e più piccoli, portando a risparmi economici e minor impatto ambientale, grazie alla riduzione dei volumi e dei consumi energetici.