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MICROESTRUTURAS REPLICADAS, EM PMMA AQUECIDO, OBTIDAS EM PROCESSO DE LAMINAÇÃO 197

MICROESTRUTURAS REPLICADAS,EM PMMA AQUECIDO, OBTIDASEM PROCESSO DE LAMINAÇÃO

Laércio Javarez JuniorLuciana Montanari

Renato Goulart JasinevíciusJaime Gilberto Duduch

Departamento de Engenharia Mecânica, Escola de Engenharia de São Carlos,Universidade de São Paulo, Av. Trabalhador São-carlense, 400, CEP 13566-590,São Carlos, São Paulo, Brasil, e-mails: laercio@sc.usp.br, montanar@sc.usp.br,

renatogj@sc.usp.br, jgduduch@sc.usp.br

ResumoCom o surgimento de novas tecnologias de conformação, poucos trabalhos têm sido desenvolvidos na área de fabricaçãode microcomponentes ou microestruturas. Assim, métodos simples e eficazes e com menor custo de fabricação deprodutos milimétricos e micrométricos desafiam projetistas e pesquisadores. Dentro desse contexto, este trabalhovisa ao estudo do processo de replicação por laminação, em PMMA (polimetilmetacrilato) aquecido, para geração demicroestruturas. O experimento foi realizado em um laminador do tipo ourives de precisão. Foram usinados, nocilindro molde, microcanais que foram replicados no PMMA. O material do cilindro (molde) de laminação é a liga dealumínio 7075. O estudo demonstrou que a porcentagem de fidelidade da replicação depende de fatores como velocidadede laminação e taxa de redução do material. A temperatura ótima de replicação utilizada para o PMMA é a de 105°C,ou seja, sua temperatura de transição vítrea.

Palavras-chave: replicação, laminação, cilindro molde, microestruturas.

IntroduçãoO processo de fabricação de microcomponentes

baseia-se em resultados individuais de manufatura, sendoum dos desafios da engenharia moderna o estudo do efeitoem escala, a fim de criar novas técnicas de produção emmassa viáveis e com baixo nível de retrabalho. Assim,os processos de conformação mecânica, além de proporcio-narem métodos de produção viáveis, apresentam vantagenscomo economia de material, controle das propriedadesmecânicas e alta razão de produtividade.

A massificação de microestruturas e microlentes,bem como suas exigências técnicas, concorrem para odesenvolvimento de técnicas de produção, podendo serde baixa replicação para fabricação de moldes e protótiposou replicação em larga escala, de forma a dar respostaa um mercado em crescimento acelerado. Os moldesdemandam superfícies com alto grau de acabamento, eas paredes da microestrutura necessitam ser, muitas vezes,ligeiramente inclinadas e livres de rebarbas para facilitara desmoldagem. A viabilidade de produção dessasmicroestruturas se dá por meio de processos como ablaçãoa laser, fotopolimerização, fotolitografia, microinjeção,termoformagem, moldagem a frio, moldagem a quente,LIGA modificado, entre outros (Kang, 2004; Jiang et

al., 2008). Alguns desses processos são complicados,demandam muito tempo na fabricação e envolvem altastemperaturas e pressões, além de máquinas e moldesde custo elevado (Yang, 2008). Os processos de replicaçãosão capazes de alcançar resoluções nanométricas emgrandes áreas, e o custo dessas estruturas replicadas épraticamente independente de sua complexidade (Gale,1998).

Uma alternativa eficiente para a produção em sériee com baixo custo é o método de laminação, cuja deformaçãoe formação da microestrutura replicada ocorrem quandoum material entra em contato com rolos que contenhammicrorranhuras em sua superfície. Normalmente os materiaisa serem replicados são polímeros termoplásticos comoo policarbonato (PC), o polimetilmetacrilato (PMMA)(Ottevaere, 2006), resinas fotossensíveis do tipo Novolake resinas curadas por radiação ultravioleta (UV).

A participação deste trabalho na evolução tecnológicatem por base o estudo e o desenvolvimento de replicaçãousando cilindro de laminação como molde, pois háevidências de ser um método mais rápido e moderno nafabricação de microlentes e/ou microestruturas. Seuprincípio de funcionamento consiste num rolo matrizque gira sobre um polímero termoplástico. Através do

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aquecimento e pressão sofridos pelo termoplástico serãogeradas microdeformações. O material usado para replicaçãoé o PMMA, o qual possui, como outros polímeros,características de viscoelasticidade, isto é, característicasde fluido e sólido elástico ao mesmo tempo. A fraçãoelástica da deformação aparece em virtude de variaçõesdo ângulo e distância de ligação entre os átomos da cadeiapolimérica. A fração plástica aparece em decorrência doatrito e escoamento entre as moléculas poliméricas. Issofaz com que o polímero demore um tempo finito pararesponder à solicitação, gerando defasagem entre o inícioda solicitação e a resposta (Canevarolo, 2002). Este trabalhomostra a influência das variáveis temperatura, distânciaentre rolos e espessura do corpo-de-prova de PMMA napeça replicada.

Metodologia de EnsaiosPara realizar o processo de replicação por laminação

foi utilizado um laminador especial fabricado pelaLaminadores G3®, cujo modelo (G3) é amplamente usadopor ourives. Sua abertura máxima é de 4 mm entre rolos.O volante superior, como mostra a Figura 1, movimentaduas coroas sincronizadas através de dentes helicoidais,fazendo com que o cilindro do laminador móvel (molde)desça ou suba de forma linear e sincronizada nas duasextremidades.

A replicação ocorre quando o PMMA aquecidopassa entre os rolos do laminador. Logo, o cilindro moldedeve conter a microestrutura a ser replicada. Para tanto,foram usinados 21 microcanais. A usinagem realizadapara a geração dos microcanais foi a de ultraprecisãocom ferramenta de diamante monocristalino, a fim degarantir alto grau de acabamento e pequenas profundidadesdos canais. A Figura 2 apresenta um desenho esquemáticoda ferramenta bem como seus principais ângulos.

O cilindro molde foi confeccionado em liga dealumínio 7075 em virtude de sua boa usinabilidade, aliadaà alta resistência mecânica. Para aquecimento do PMMAfoi usada uma placa térmica (Figura 1), onde o corpo-de-prova foi colocado diretamente e aquecido a 160°C.A temperatura foi controlada através de termoparesinstalados na superfície do corpo-de-prova de PMMA.

Foram usinados canais com diferentes profundidades,e a distância entre eles foi de 10 µm, com rotação de900 rpm. A máquina usada na usinagem foi a ASG 2500da Rank Pneumo®. A sequência de usinagem é apresentadana Tabela 1.

Os perfis gerados no cilindro molde foram analisadosatravés do perfilômetro óptico VEECO®. A análise mostrouque os canais não apresentaram rebarbas ou defeitos dedeformação plástica em virtude da alta tenacidade domaterial, como pode ser observado na Figura 3.

Volante superior

Cilindromóvel

(molde)

Aquecedor

�: ângulo de saída: 0°�: ângulo de folga: 2°b: chanfro: 0,125 mm

b

�

�

Figura 2 Geometria de ferramenta de diamante monocristalino.

Figura 1 Laminador G3® especial e aquecedor.

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Antes de iniciar a fase de replicação foi necessárioaliviar as tensões internas do corpo-de-prova de PMMA.De acordo com Canevarolo (2002), aumentando atemperatura, acelera-se a movimentação molecular(mobilidade), permitindo que o sistema retorne à posiçãode equilíbrio mais rapidamente, ou seja, há redução dotempo necessário para retornar ao equilíbrio. Esse períodoé denominado tempo de relaxação. Para isso o corpo-de-prova foi aquecido em estufa a 120°C por 24 horas afim de aliviar as tensões e não deixar que comprometessemo resultado do experimento.

Com o intuito de verificar os parâmetros queinfluenciam a taxa de replicação, a distância entre rolos(taxa de redução) e a velocidade de laminação, a temperaturautilizada no processo foi de 105°C, que é a temperaturade transição vítrea (Tg) do PMMA. Isso foi feito pelofato de abaixo da Tg o material apresentar características

sólidas frágeis e, acima, características viscoelásticas.A temperatura de fusão cristalina (Tm) do PMMA é de160°C, e suas características físicas são líquidas acimadessa temperatura. A distância entre rolos (taxa de redução)foi variada na ordem de 6, 13 e 19% de redução emrelação à espessura do PMMA. Foram usados corpos-de-prova de PMMA com duas espessuras diferentes: 2e 4 mm. A velocidade de laminação (VL) permaneceuconstante (na ordem de 60 mm/s). As condições dereplicação usadas no experimento para corpos-de-provade 4 e 2 mm de espessura estão contidas nas Tabelas 2 e3, respectivamente.

Resultados e DiscussãoFoi calculado o raio de replicação medido, obtido

em perfilômetro mecânico, que é a área de cada canal domolde do cilindro dividido pela área obtida por cada canal

3 – Dimensional Interactive Display Date: 05/28/2009Time: 14:48:12

Surface stats:

Ra: 8.37 um

Rq: 10.16 um

Rt: 52.37 um

Measurement info:

Magnification: 2.54

Measurement mode: VSI

Sampling: 3.31 um

Array size: 736 x 480

Tabela 1 Sequência de usinagem da camisa de alumínio 7075.

Figura 3 Trecho de perfilometria óptica 3D de canais no cilindro molde.

Profundidade de corte (µm) Espaço (mm)Passos

10 20 30 0,2 0,3

1 3 canais

2 *

3 5 canais

4

5 5 canais

6

7 5 canais

8

9 3 canais

(*) O símbolo indica que deve ser dado o espaço correspondente na tabela, ou 0,2

ou 0,3, conforme passo.

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da replicação. As porcentagens mostraram que, tanto parao corpo-de-prova de 2 mm de espessura quanto para ocorpo-de-prova de 4 mm de espessura, os valores do raiode replicação foram parecidos para a mesma condição deprofundidade de canal e VL, sendo de 10, 20 e 30 µm(conforme Tabela 1) e 60,30 mm/s, respectivamente(Figura 4).

Os resultados obtidos nas três variações de profun-didade dos microcanais no cilindro molde de 10, 20 e30 µm tiveram valores muito próximos de raio de replicação,por isso foi realizada uma média aritmética, como mostrao gráfico da Figura 4.

Analisando a Figura 5 nota-se que os resultadosde replicação do corpo-de-prova de 4 mm foram similarespara as mesmas condições de laminação.

Foi realizada microscopia eletrônica de varredura(MEV) com o objetivo de analisar a integridade físicada replicação obtida, conforme Figura 6.

Notou-se que para usinagens em moldes de cilindroscada vez menores a tendência do raio de replicação émaior, ou seja, a fidelidade é maior. Isso se deve à pequenadistância entre as cadeias de átomos do material, facilitandoa movimentação.

Em todos os casos de replicação foi observado umarredondamento no ápice da superfície (Figura 6) no lugarde uma cunha, referente à característica geométrica daferramenta utilizada para a usinagem do cilindro molde.Segundo Canevarolo (2002), a variação da taxa de nucleaçãoe de crescimento linear com a temperatura passa por ummáximo entre as temperaturas características Tg e Tmdo polímero. Abaixo de Tg não há mobilidade para oarranjo das cadeias e, consequentemente, nucleação ecrescimento, isto é, o polímero encontra-se no estadovítreo com as cadeias rígidas e imóveis. Para valorescrescentes, acima da Tg, a mobilidade aumenta continua-mente, facilitando a nucleação e o crescimento.

Pode-se observar também que, quanto maior a taxade redução, maior o raio de replicação, porém, trata-sede um aumento pequeno, de pouca influência em relaçãoà medida original. O fato de a geometria ter aparênciasemicircular se restringe ao fato de o arranjo das cadeiasnão estar concluído junto ao molde, sendo que a cristalizaçãoda estrutura ocorre quando a temperatura cai. Somentecom o alinhamento correto de velocidade de laminação,temperatura próxima da Tg e taxa de redução corretahaverá alto raio de replicação.

0

0,2

0,4

0,6

0,8

1

1,2

1,4

6 13 19

Redução (%)

Raio

de

replic

ação

(%)

Tabela 2 Replicação em corpos-de-prova (PMMA) de 4 mm.

Tabela 3 Replicação em corpos-de-prova (PMMA) de 2 mm.

Figura 4 Gráfico de redução × raio de replicação realizado no experimento àtemperatura de 105°C para corpo-de-prova de 2 mm.

Temperatura (oC) Taxa redução (%) VL (mm/s)

105 12 60,3

105 25 60,3

105 37 60,3

Temperatura (oC) Taxa redução (%) VL (mm/s)

105 6 60,3

105 13 60,3

105 19 60,3

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ConclusõesEste trabalho mostrou o mecanismo e os fatores

responsáveis pela qualidade da replicação usando o processode laminação. O raio de replicação do PMMA apresentoucaracterísticas peculiares no que diz respeito ao interesseda fabricação. Por exemplo, se quiser obter alto raio dereplicação terá de dosar as variáveis taxa de redução evelocidade, a fim de obter as características geométricasdo projeto inicial.

Para PMMA identifica-se a temperatura ótima parareplicação a 105°C, pois nessa faixa o estado viscoelásticodo material está propício a deformações plásticas. Essatemperatura é a Tg do PMMA (105°C); abaixo dela amovimentação das cadeias cessa.

As aplicações seguem uma linha de tendênciaà miniaturização de componentes e fabricação emlarga escala e alta produção. Muitos dos componentesópticos, EDOs (elementos ópticos difrativos), entreoutros usados atualmente, poderiam empregar a técnica

0

0,2

0,4

0,6

0,8

1

1,2

1,4

1,6

1,8

Raio

de

replic

ação

(%)

Redução (%)

6 13 19

Figura 5 Gráfico de redução x raio de replicação realizado no experimento àtemperatura de 105°C para corpo-de-prova de 4 mm.

Figura 6 Trecho do corpo-de-prova de PMMA de 2 mm de espessura replicado a 105°Ccom redução de 25% analisado em MEV aumentado em 650 vezes.

apresentada, para isso bastaria adequar o modeloao projeto requerido.

AgradecimentosÀ CAPES, pelo apoio financeiro concedido, e à

Laminadores G3®.

Referências Bibliográficas

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GALE, M. T. Replication. In: HERZIG, H. P. Micro-optics: elements, systems and applications. Taylor e Francis,1998. p. 153-177.

JIANG, L. T.; HUANG, T. C.; CHANG, C. Y.; CIOU, J.R.; YANG, S. Y.; HUANG, P. H. Direct fabrication ofrigid microstructures on a metallic roller using a dry filmresist. Journal of Micromechanics and Microengineering,n. 18, p. 1-6, 2008.

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