CENTRE NATIONAL DE LA RECHERCHE SCIENTIFIQUE (3 Rue Michel Ange, Paris Cedex 16, F-75794, FR)
MORIN, Pierre (5 Rue du Val d'Isère, Caluire, F-69300, FR)
| REVENDICATIONS 1 - Procédé de micro-thermoformage pour réaliser des microstructures (1) sur la face de formage (2) d'une pièce (3), à l'aide d'un moule (5) comportant une matrice microstructurée (11) caractérisé en ce qu'il comprend les étapes suivantes : - une première étape de thermoformage de la pièce (3) placée dans le moule (5), réalisée à l'aide d'une matrice de préformage (6) ne réalisant pas les microstructures (1) mais assurant la formation sur la face de formage, d'au moins une nervure périphérique d'anti-retrait (8), - une étape de remplacement de la matrice de préformage (6) par la matrice microstructurée (11) avec maintien de la pièce dans le moule (5), cette matrice microstructurée (11) étant adaptée pour conserver la nervure d'anti-retrait (8) lors de l'opération de thermoformage, - une deuxième étape de thermoformage de la pièce (3) maintenue dans le moule (5) avec la matrice microstructurée (11) pour obtenir la pièce (3) avec les microstructures (1) et la nervure d'anti-retrait (8). 2 - Procédé de micro-thermoformage selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il consiste à réaliser la nervure périphérique d'anti-retrait (8) afin d'être en appui contre le moule (5). 3 - Procédé de micro-thermoformage selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il consiste à réaliser la nervure périphérique d'anti-retrait (8) avec une hauteur supérieure à la hauteur des microstructures (1). 4 - Procédé de micro-thermoformage selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il consiste à retirer ia matrice microstructurée (11) avant l'enlèvement de la pièce (3) du moule (5). 5 - Procédé de micro-thermoformage selon l'une des revendications 1 à 4, caractérisé en ce qu'il consiste à refroidir la pièce avant l'enlèvement des matrices (6, 11). 6 - Machine de micro-thermoformage pour la mise en œuvre du procédé conforme à l'une des revendications 1 à 5 visant à réaliser des microstructures (1) sur la face de thermoformage (2) d'une pièce (3), comportant : - un bâti (21) porteur d'un moule (5) de réception d'une pièce thermoformable (3), - un module (30) de chauffage de la pièce, - un système d'application (23) d'un effort de compression (F) sur le moule (5) caractérisé en ce qu'il comporte : ■ une matrice de préformage (6) dépourvue desdites microstructures (1) mais pourvue d'au moins une rainure périphérique (9) pour former une nervure périphérique d'anti-retrait (8) sur la pièce, ■ une matrice microstructurée (11) pour réaliser les microstructures (1) et comportant une rainure périphérique (12) identique à la rainure périphérique (9), ■ un dispositif (26) de remplacement d'une matrice par une autre matrice, ■ un système (5i, 52, 53) assurant, lors de l'opération de remplacement de la matrice de préformage, le maintien de la pièce dans le moule et le contact avec la nervure périphérique de la pièce. 7 - Machine de micro-thermoformage selon la revendication 6, caractérisée en ce que le dispositif de maintien comporte une plaque de fermeture (52) du moule (5), montée mobile et déplacée par un organe de déplacement (27), cette plaque de fermeture (52) recevant alternativement la matrice de préformage (6) et la matrice microstructurée (11). 8 - Machine de micro-thermoformage selon la revendication 6, caractérisée en ce que le système de maintien de la pièce (3) comporte un anneau de maintien (53) présentant un rebord saillant (54) sur lequel s'appuie la pièce et contre lequel la rainure d'anti-retrait (8) est en contact. |
La présente invention concerne le domaine technique du micro-thermoformage de pièces relevant de la micro-technoiogie et elle vise plus précisément un procédé et une machine permettant de réaliser par thermoformage, des microstructures, au sens général, sur une face d'une pièce.
L'objet de l'invention trouve une application particulièrement avantageuse mais non exclusivement dans le domaine de la fabrication des microsystèmes au sens général tel que par exemple les microsystèmes microfluidiques.
L'objet de l'invention trouve des applications également dans le domaine du traitement des surfaces pour par exemple des applications optiques.
Dans le domaine technique du micro-thermoformage, il est connu de façonner une pièce en polymère afin de réaliser des motifs, en creux ou en relief ou d'une manière générale des microstructures à l'échelle micrométrique ou nanométrique. Une telle pièce est obtenue classiquement à l'aide d'une matrice microstructurée comportant des empreintes pour réaliser par thermoformage, les microstructures sur la pièce. A cet effet, cette matrice microstructurée fait partie d'un moule dans lequel est placée une plaquette par exemple en polymère. L'application d'un effort de compression sur la plaquette, combinée au chauffage de la plaquette permettent la réalisation d'une pièce thermoformée portant sur une face, les microstructures souhaitées. Avant démoulage, la pièce thermoformée et microstructurée est refroidie.
Cette technique de micro-thermoformage présente des inconvénients car il apparaît difficile, voire impossible, de remplir par le matériau certaines zones de tailles réduites. Par ailleurs, il n'apparaît pas possible d'obtenir certaines formes de microstructures car les efforts latéraux exercés sur les empreintes de la matrice microstructurée peuvent les déformer ou les détruire. De plus, lors du refroidissement des pièces avant démoulage, le retrait de la matière exerce également des contraintes latérales sur les empreintes pouvant conduire à leur déformation ou leur destruction.
Pour tenter de remédier à ces inconvénients, il a été proposé d'augmenter l'effort de pression pour un meilleur remplissage des empreintes de la matrice, par la matière. Cette solution présente l'inconvénient d'augmenter le risque de déformation des empreintes de la matrice microstructurée.
Pour améliorer la tenue des empreintes de la matrice microstructurée, il a été proposé de réaliser la matrice microstructurée par des matériaux plus durs, ce qui conduit toutefois à un usinage plus difficile et à un coût de fabrication plus élevé.
Par ailleurs, dans le domaine de la fabrication de cartes en matière plastique, le brevet US-A-6 042 761 propose de réaliser une opération de thermoformage visant à s'affranchir des problèmes de retrait de la matière plastique. Cette opération de thermoformage vise à réaliser des empreintes creuses pour déplacer la matière plastique. Si un tel document vise à s'affranchir des effets de retrait de la matière plastique, une telle solution ne donne pas satisfaction pour réaliser par thermoformage des microstructures, en raison des efforts latéraux exercés par le déplacement de matière, sur les empreintes d'une matrice microstructurée.
De même, la demande de brevet US 2008/0157438 décrit une méthode de réalisation de motifs sur un substrat à l'aide d'un moule à empreintes creuses ou en reliefs. Ce document n'apporte pas une solution au problème de la déformation ou de la destruction des empreintes de la matrice susceptible d'intervenir en raison des efforts latéraux exercés par la matière sur ces empreintes lors de l'opération de formage.
L'objet de l'invention vise donc à remédier aux inconvénients de l'art antérieur en proposant un procédé de micro-thermoformage adapté pour réaliser sur une grande surface d'une pièce, des microstructures à l'échelle micro ou nanométrique, avec des formes diversifiées.
Un autre objet de l'invention vise à proposer un procédé de micro-formage permettant de s'affranchir des effets de retrait de la matrice de la pièce mais également de contrer les efforts latéraux exercés par le déplacement de matière, sur les empreintes de la matrice microstructurée.
Pour atteindre un tel objectif, l'objet de l'invention concerne un procédé de micro-thermoformage pour réaliser des microstructures sur la face de formage d'une pièce, à l'aide d'un moule comportant une matrice microstructurée.
Selon (Invention, le procédé comprend les étapes suivantes :
- une première étape de thermoformage de la pièce placée dans le moule, réalisée à l'aide d'une matrice de préformage ne réalisant pas les microstructures mais assurant la formation sur la face de formage, d'au moins une nervure périphérique d'anti-retrait,
- une étape de remplacement de la matrice de préformage par la matrice microstructurée avec maintien de la pièce dans le moule, cette matrice microstructurée étant adaptée pour conserver la nervure d'anti-retrait lors de l'opération de thermoformage,
- une deuxième étape de thermoformage de la pièce maintenue dans le moule avec la matrice microstructurée pour obtenir la pièce avec les microstructures et la nervure d'anti-retrait.
Le procédé selon l'invention comporte en outre l'une et/ou l'autre des caractéristiques suivantes :
- réaliser la nervure périphérique d'anti-retrait afin d'être en appui contre le moule,
- réaliser la nervure périphérique d'anti-retrait avec une hauteur supérieure à la hauteur des microstructures,
- retirer la matrice microstructurée avant l'enlèvement de la pièce du moule,
- refroidir la pièce avant l'enlèvement des matrices.
Un autre objet de l'invention est de proposer une machine de micro-thermoformage permettant la mise en œuvre du procédé conforme à l'invention. La machine de micro-thermoformage pour la mise en œuvre du procédé vise à réaliser des microstructures sur la face de thermoformage d'une pièce comportant :
- un bâti porteur d'un moule de réception d'une pièce thermoformable,
- un module de chauffage de la pièce,
- un système d'application d'un effort de compression sur le moule comportant :
■ une matrice de préformage dépourvue desdites microstructures mais pourvue d'au moins une rainure périphérique pour former une nervure périphérique d'anti-retrait sur la pièce,
■ une matrice microstructurée pour réaliser les microstructures et comportant une rainure périphérique identique à la rainure périphérique,
■ un dispositif de remplacement d'une matrice par une autre matrice,
■ un système assurant, lors de l'opération de remplacement de la matrice de préformage, le maintien de la pièce dans le moule et le contact avec la nervure périphérique de la pièce.
La machine selon l'invention comporte en outre l'une et/ou l'autre des caractéristiques suivantes :
- un dispositif de maintien comportant une plaque de fermeture du moule, montée mobile et déplacée par un organe de déplacement, cette plaque de fermeture recevant alternativement la matrice de préformage et la matrice microstructurée,
- un système de maintien de la pièce comportant un anneau de maintien présentant un rebord saillant sur lequel s'appuie la pièce et contre lequel la rainure d'anti-retrait est en contact.
Diverses autres caractéristiques ressortent de la description faite ci-dessous en référence aux dessins annexés qui montrent, à titre d'exemples non limitatifs, des formes de réalisation de l'objet de l'invention.
Les Figures 1 à 8 illustrent le procédé de micro-thermoformage conforme à l'invention selon différentes étapes caractéristiques. La Figure 9 est une vue schématique d'un exemple de réalisation d'une machine de micro-thermoformage conforme à l'invention.
Les Figures 10 à 14 sont des vues illustrant la machine de micro-thermoformage dans des positions caractéristiques de mise en œuvre du procédé conforme à l'invention.
Tel que cela ressort plus précisément des Fig. 1 à 8, l'objet de l'invention concerne un procédé de micro-thermoformage permettant de réaliser des microstructures 1 sur une face 2 d'une pièce thermoformée 3. Les microstructures 1 correspondent à des motifs en creux ou en saillie de formes diverses et réalisées à l'échelle micrométrique ou nanométrique.
De manière classique, cette pièce thermoformée 3 est réalisée en tout matériau thermoformable. Par exemple, la pièce 3 est une pièce en un matériau thermoplastique tel qu'un polymère thermoplastique. Bien entendu, la pièce 3 peut être réalisée en un matériau thermoformable différent tel que par exemple en métal, en verre ou en céramique.
Le procédé selon l'invention met en oeuvre un moule 5 dans lequel est placé en tant que pièce 3, un matériau thermoformable (Fig. 2) se présentant sous la forme par exemple d'une plaquette qui après thermoformage permettra d'obtenir la pièce 3 avec les microstructures 1 définitives souhaitées.
Conformément à l'invention, le procédé de micro-thermoformage consiste à réaliser une première étape de thermoformage à l'aide d'une matrice de préformage 6 ne réalisant pas les microstructures 1 mais assurant la formation d'au moins un épaulement, une saillie ou d'une manière générale, une nervure périphérique d'anti-retrait 8 sur la face de thermoformage 2. Tel que cela apparaît plus précisément aux Fig. 1 à 3, cette matrice de préformage 6 comporte au moins une rainure périphérique 9 destinée à réaliser la nervure d'anti-retrait 8 correspondante sur la face de thermoformage 2 de la pièce.
Selon un exemple préféré de réalisation, cette matrice de préformage 6 est complètement lisse à l'exception de la rainure périphérique 9. En d'autres termes, la matrice de préformage 6 ne comporte pas les empreintes assurant la formation des microstructures 1 que doit présenter la pièce 3 en fin de processus de thermoformage. Il est à noter que selon une variante de réalisation, il peut être prévu de réaliser sur la pièce 3, lors de cette première étape de thermoformage, des microstructures correspondant à des préformes par rapport aux microstructures 1 réalisées au terme du procédé de thermoformage.
Lors de cette étape de thermoformage, la plaquette 3 est formée par thermo-compression c'est-à-dire par application par un organe 10 tel qu'un vérin, d'un effort de compression F combiné au chauffage du matériau pour obtenir une pièce 3 thermo compressée pourvue sur sa face de thermoformage 2, de la nervure périphérique d'anti-retrait 8 (Fig. 3).
Il est à noter que lors de l'application de la force de compression F dans la direction perpendiculaire à la face 2 à structurer, il apparaît un déplacement de matière dans une direction parallèle à cette face 2 et vers l'extérieur de la pièce compte tenu de la nature élastique de la pièce 3. Un tel déplacement latéral de matière est limité par la présence du moule 5 dans lequel est placée la pièce 3. Ainsi la pièce 3 est en butée contre le moule 5.
Selon une variante préférée de réalisation, il est à noter que la nervure d'anti-retrait 8 présente un bord externe 8i (Fig. 8) qui est avantageusement en butée sur le moule 5 contribuant également à limiter l'extension radiale de la matière de la pièce 3.
De manière classique, la pièce 3 est refroidie avant la poursuite du procédé de micro-thermoformage selon l'invention qui comporte ensuite une étape de remplacement de la matrice de préformage 6 par une matrice microstructurée 11 (Fig. 3, 4). La pièce 3 est maintenue dans le moule 5 durant la suite du procédé et en particulier lors du remplacement de la matrice de préformage 6 par la matrice microstructurée 11. Il est à noter qu'après la suppression de la force de compression F et l'enlèvement de la matrice de préformage 6, il apparaît une rétraction c'est-à-dire un déplacement de matière dans une direction parallèle à cette face 2 et vers l'intérieur de la pièce 3. Avantageusement, la nervure d'anti-retrait 8 permet de maintenir en extension la matière de la pièce au niveau de la face 2.
La matrice microstructurée 11 présente toutes les empreintes nécessaires pour réaliser les microstructures 1 sur la pièce 3. Bien entendu, la matrice microstructurée 11 comporte également une rainure périphérique 12 identique à la rainure périphérique 9 aménagée sur la matrice de préformage 6 afin de conserver la présence de la nervure d'anti-retrait 8.
Le procédé selon l'invention consiste ensuite à réaliser une deuxième étape de thermoformage avec la matrice microstructurée 11 (Fig. 5) en vue d'obtenir la pièce 3 pourvue sur sa face de formage 2, des microstructures 1 et de la nervure d'anti-retrait 8. Cette étape de thermoformage consiste à appliquer sur la pièce 3 maintenue dans le moule 5, une force de compression Fi combinée à un chauffage pour assurer la réalisation par thermoformage des microstructures 1 et de la nervure anti-retrait 8. Avant l'enlèvement de la matrice microstructurée 11, la pièce 3 est refroidie (Fig. 6). La matrice microstructurée 11 est enlevée pour permettre le retrait de la pièce 3 du moule 5 (Fig. 7 - 8).
Le procédé décrit ci-dessus permet de minimiser les efforts latéraux sur les empreintes de la matrice microstructurée 11 pour les raisons suivantes. Lors de la première étape de thermoformage, il se produit, comme explicité ci-dessus, un déplacement important de matière qui ne se produit plus lors de la deuxième étape de thermoformage. Compte tenu de l'absence des empreintes sur la matrice de préformage 6, il n'apparaît pas de dégradations de la matrice de préformage 6. Cette première étape de thermoformage est mise à profit pour réaliser sur la face de thermoformage 2, une nervure d'anti-retrait 8 qui d'une part se trouve en appui sur le moule 5 pour limiter l'extension de la pièce 3 et d'autre part, limite le retrait de la pièce 3 lors de la suppression de la force de compression mise en œuvre pour cette première étape de thermoformage. Cette nervure d'anti-retrait 8 qui s'étend en saillie par rapport à la face de thermoformage 2, présente de préférence un contour fermé en étant réalisé sur toute la périphérie de la pièce 3. Bien entendu, il peut être prévu de réaliser plusieurs nervures d'anti-retrait 8 en différents endroits de la pièce 3.
La nervure d'anti-retrait 8 assume également ces fonctions lors de la deuxième étape de thermoformage même si le déplacement de matière est moins important que dans la première étape de thermoformage. Il est à noter que d'une manière avantageuse, la nervure d'anti-retrait 8 présente une hauteur supérieure à la hauteur maximale des microstructures 1 permettant de protéger ces dernières au cours de l'opération de démoulage.
Par ailleurs, il est à noter qu'il existe une différence de température entre la phase de compression et de démoulage, ce qui entraine un retrait inévitable de la matière par rapport au moule 5. La rainure 12 réalisée sur la matrice microstructurée 11 permet également de maintenir la pièce en extension pour préserver à la fois les empreintes de la matrice microstructurée 11 et les microstructures 1 réalisées en surface de la pièce 3.
La Fig. 9 illustre un exemple de réalisation d'une machine 20 permettant de mettre en œuvre le procédé de micro-thermoformage conforme à l'invention tel que décrit ci-dessus.
Tel que cela ressort de la Fig. 9, la machine de micro-thermoformage 20 comporte un bâti 21 supportant le moule 5 de la pièce 3. Dans l'exemple illustré, le moule 5 comporte un corps cylindrique Si fermé par une plaque de fermeture 52. Selon une caractéristique avantageuse de réalisation, le moule 5 comporte également un anneau de maintien 5 3 dont la fonction apparaîtra plus précisément dans la suite de la description et qui est interposée entre le corps cylindrique Si et la plaque de fermeture 5 Î . Cet anneau de maintien S3 comporte un rebord saillant 54 s'étendant en saillie par rapport à la paroi interne du corps cylindrique 5i.
La machine 20 comporte également un système 23 d'application de l'effort de compression F sur le moule 5, réalisé par exemple par un vérin 23i pourvu d'un piston de compression 232 agissant sur la pièce 3 sur une face opposée à la face de thermoformage 2 en contact avec la matrice de préformage 6 ou la matrice microstructurée 11. A cet égard, la matrice de préformage 6 ou la matrice microstructurée 11 est portée par la plaque de fermeture 52 pour constituer le fond du moule 5. Avantageusement, chaque matrice 6, 11 vient en butée contre le rebord saillant 5 4 de l'anneau de maintien 5 3 . Par ailleurs, chaque nervure 9, 12 est aménagée respectivement sur la matrice de préformage 6, et la matrice microstructurée 11 de manière que son bord externe se trouve situé dans l'alignement ou à distance de l'extrémité du rebord saillant 54 pour permettre le retrait de la pièce 3 par rapport à l'anneau de maintien 5 3 .
Cette machine 20 comporte également un dispositif 26 permettant de remplacer une matrice par une autre matrice. Dans l'exemple illustré, le dispositif de remplacement 26 comporte un vérin inférieur 27 dont la tige 28 est équipée de la plaque de fermeture 5 2 - Le coulissement en rétraction de la tige de piston 28 permet de dégager la matrice 6, 11 du moule pour permettre son chargement (manuel ou automatique). Le coulissement en extension de la tige de piston 28 permet de fermer le moule 5, et voire d'assurer l'application de l'effort de compression Fi lors de la deuxième étape de thermoformage. Bien entendu, cet effort de compression peut être assuré aussi par le vérin 23i.
De manière classique, cette machine 20 comporte également un module 30 de chauffage de la pièce 3. Par exemple, ce module de chauffage 30 permet de chauffer, par tous moyens appropriés, le piston de compression 23 2 et la matrice 6, 11 montée sur la plaque de fermeture 5∑.
Le fonctionnement de la machine 20 découle directement de la description qui précède.
Après mise en place de la pièce 3 à l'intérieur du moule 5 équipé de la matrice de préformage 6, le vérin 23i est commandé pour mettre sous pression la pièce 3 qui est également soumise à un chauffage (Fig. 10). Lors de cette première étape de thermoformage 6, la matrice de préformage 6 réalise, la nervure anti-retrait 8 sur la pièce 3. Après la suppression de l'effort de compression Fi et le refroidissement de la pièce 3, le moule 5 est ouvert à l'aide du vérin inférieur 27 qui écarte la matrice de préformage 6 du moule 5 (Fig. 11). Il est à noter que l'anneau de maintien 53 grâce à son rebord 54 permet de retenir la pièce 3 pendant l'opération de changement de la matrice. La pièce 3 se trouve également en appui sur le corps cylindrique 5i et sur le rebord saillant 54 par la nervure d'anti-retrait 8.
Après le remplacement de la matrice de préformage 6 par la matrice microstructurée 11, le moule 5 est refermé à l'aide du vérin inférieur 27 en vue de permettre l'accomplissement de la deuxième étape de thermoformage. L'effort de compression pour la formation des microstructures 1 sur la pièce 3 est alors assuré par le vérin inférieur 27 (Fig. 12). La pièce 3 est soumise également à un chauffage pendant cette opération.
Après refroidissement, le moule 5 est ouvert à l'aide du vérin inférieur 27 qui écarte la plaque de fermeture 52 du corps cylindrique 5i pour l'enlèvement de la matrice microstructurée 11. La pièce 3 est supportée par l'anneau de maintien 5 3 qui peut être écarté du moule 5 (Fig. 13). Une pièce de support 31 peut être mise en place sur le vérin inférieur 27 pour venir supporter la pièce 3 et la dégager de l'anneau de maintien 5 3 (Fig. 13) Après le déchargement de la pièce 3, la machine 20 peut être pilotée pour un nouveau processus de fabrication.
L'objet de l'invention tel que décrit ci-dessus permet de réaliser des pièces 3 de relativement grandes surfaces de l'ordre de 10 à 20 cm de diamètre avec des microstructures 1 présentant des formes très diversifiées et une taille micro ou nanométrique. Cette technique permet d'utiliser une matrice microstruturée 11 avec des empreintes réalisées dans un matériau tendre et donc facile à usiner (tel qu'en polymère). Ces empreintes peuvent présenter un rapport de forme élevé (hauteur / largeur) par exemple de l'ordre de 5 à 10.
La technique décrite ci-dessus permet ainsi la réalisation par exemple des canaux dans un système microfluidique en polymère, de micro-pièces en polymère par fabrication collective puis séparation après moulage, ou de pièces micro-nanostructrées en surface pour des applications optiques.
L'invention n'est pas limitée aux exemples décrits et représentés car diverses modifications peuvent y être apportées sans sortir de son cadre.
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