Produzione replicativa di stampi metallici per la replicazione di polimeri a bassa rugosità superficiale

Nature Communications volume 13, numero articolo: 5048 (2022) Citare questo articolo

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I processi di produzione basati su strumenti come lo stampaggio a iniezione consentono una produzione rapida e di alta qualità per il mercato di massa, ma per i componenti in polimeri ottici la produzione degli strumenti necessari è lunga e costosa. In questo documento viene presentato un processo per fabbricare inserti metallici per la produzione basata su utensili con superfici lisce tramite un processo di fusione e replica da modelli di silice fusa. Bronzo, ottone e cromo-cobalto potrebbero essere replicati con successo da repliche sagomate di silice fusa ottenendo una rugosità superficiale di Rq 8 nm e microstrutture nell'intervallo di 5 µm. Lo stampaggio a iniezione è stato eseguito con successo, utilizzando un sistema di stampaggio a iniezione disponibile in commercio, con migliaia di repliche generate dallo stesso strumento. Inoltre, corpi tridimensionali in metallo potrebbero essere realizzati con la stampa 3D di stampi per colata di silice fusa. Questo lavoro rappresenta quindi un approccio a strumenti di stampaggio di alta qualità attraverso un percorso scalabile, facile ed economico, che supera le tecniche di lavorazione ad alta intensità di costi, manodopera e attrezzature attualmente impiegate.

La produzione basata su utensili (TBM) è il processo di scelta quando si tratta di produzione di massa economicamente vantaggiosa. Anche i componenti di alta precisione come gli obiettivi delle fotocamere dei cellulari, le lenti di Fresnel o i microdiffusori1,2 con tolleranze strette devono essere prodotti in grandi quantità a costi accessibili. Questo profilo di requisiti lascia pochissima scelta nelle procedure di produzione e può essere realizzato solo da TBM3,4. Soprattutto, lo stampaggio a iniezione è emerso come lo standard di riferimento de facto per la produzione ad alto rendimento di componenti dalla forma complessa con un elevato standard di qualità5. Tra tutti, gli strumenti con superfici di stampaggio altamente lucidate sono di particolare interesse per la loro capacità di produrre componenti di alta qualità ottica con scalabilità e costi rilevanti. Tuttavia, la loro produzione è complessa e costosa e resta il principale collo di bottiglia6. Oggi, gli utensili di formatura per TBM sono prodotti principalmente mediante lavorazioni sottrattive come foratura, tornitura, fresatura e lucidatura7,8. Queste procedure richiedono molto tempo e materiale e non sono facilmente scalabili8,9. Per produrre stampi con superfici ottiche, di solito è necessaria una lavorazione ad alta precisione, compresa la tornitura al diamante e la lucidatura delle superfici fino all'intervallo di rugosità superficiale dei nanometri7. Ciò limita l’applicabilità della TBM e rende la prototipazione degli strumenti di stampaggio estremamente impegnativa. A seconda della qualità, anche i semplici strumenti di stampaggio possono costare da migliaia a decine di migliaia di euro9, mentre il processo di produzione vero e proprio può durare facilmente settimane, a seconda delle sue dimensioni, complessità e qualità della superficie richiesta8. Se sono necessarie risoluzioni micrometriche o addirittura submicrometriche, la galvanica è solitamente il metodo da preferire. In questo processo, modelli prefabbricati modellati, ad esempio, tramite fotolitografia, vengono copiati in un substrato di metallo duro che può resistere alle sollecitazioni del processo di formatura8, fornendo allo stesso tempo superfici di qualità ottica. Gli svantaggi decisivi della galvanica sono la lenta velocità di crescita, 12 µm/h10 non sono insoliti per i rivestimenti di nichel, e la limitata libertà di progettazione per utensili di stampaggio con notevoli variazioni dimensionali. Sono stati presentati vari tentativi per consentire una generazione più rapida e conveniente di utensili di stampaggio, un campo comunemente noto come attrezzamento rapido o attrezzamento diretto. Sono state presentate diverse tecniche per strutturare una preforma dello strumento di stampaggio tramite tecniche generative come, ad esempio, la sinterizzazione laser selettiva (SLS)11 o la lavorazione con raggio laser (LBM)12. I valori di rugosità superficiale ottenibili con queste tecniche sono compresi tra Ra 2 e 40 µm13,14,15, ma richiedono ancora una post-elaborazione costosa e dispendiosa in termini di tempo. Lo strumento di stampaggio della preforma generato viene quindi post-elaborato utilizzando tecniche di lavorazione classiche, risparmiando così materiale e tempo di lavorazione complessivo. Finora, la prototipazione rapida per TBM è considerata praticabile solo in applicazioni selezionate e generalmente non è considerata un’alternativa scalabile alle classiche tecniche di produzione per strumenti di stampaggio.