Funzionalizzazione del processo di stampaggio a iniezione attraverso nano e micro-testurizzazione laser e modelli numerici avanzati

Injection molding of polymers is one of the most efficient technologies for the manufacturing of complex three-dimensional polymer parts with high precision and repeatability. The process involves injecting molten polymer into a mold cavity, enabling the production of intricate and detailed shapes with minimal need for post-processing. In recent years, the demand for polymeric parts with functionalized surfaces - engineered to exhibit properties such as enhanced adhesion, improved wettability or antibacterial effects- has increased significantly across various industries. Among the surface functionalization techniques for molds, ultrafast laser texturing stands out as one of the most precise, environmentally friendly and flexible methods. This technology enables the creation of micro- and nanostructures on mold surfaces, which can then be replicated onto polymer parts via injection molding, making it possible to mass-produce textured parts with tailored surface properties. Leveraging the injection molding process for large-scale replication offers a cost-effective solution to meet the growing demand for functionalized parts. To achieve optimal results, however, the injection molding process requires careful control and optimization of multiple parameters. Accurate setting of these parameters in the design phase is critical to minimize defects, reduce material waste and ensure efficient production. This can be achieved through numerical simulation, allowing for precise process optimization in the design phase, saving time and resources that would otherwise be spent on trial-and-error adjustments. A particularly challenging aspect of injection molding is the prediction of the filling of micro- and nanocavities, which is crucial for the successful replication of fine surface textures. The primary difficulty lies in the significant scale difference between the "macro" part and the microtextures. Modeling the replication process is still an area of ongoing research, as the complex interactions between the polymer melt and the mold surface at the microscale need to be thoroughly understood and controlled. In this context, the aim of this work was to investigate the replication of ultrafast laser-textured surfaces onto polymer parts through the injection molding process, both experimentally and numerically. First, a variety of combined micro- and nano-textures were designed and generated on mold inserts, which were then replicated onto polymer parts using injection molding with the goal of generating antibacterial surfaces. Successful replication was achieved, with the textured surfaces showing a significant reduction in live bacteria compared to untextured parts. Second, the numerical modeling, initially focused on the macro-scale injection molding process to gain a deeper understanding of process dynamics, was subsequently directed toward the numerical replication at the micro-scale. A review of existing models for predicting flow behavior at the microscale was performed and a preliminary numerical model was developed using COMSOL Multiphysics in order to investigate the factors affecting the filling of submicron cavities.

Lo stampaggio a iniezione di polimeri è una delle tecnologie più efficienti per la fabbricazione di parti polimeriche tridimensionali complesse, caratterizzata da elevata accuratezza e ripetibilità. Il processo prevede l'iniezione di polimero fuso in una cavità stampo, consentendo la produzione di forme dettagliate con una minima necessità di post-processing. Negli ultimi anni, la domanda di parti polimeriche con superfici funzionalizzate, progettate per esibire proprietà quali adesione migliorata, bagnabilità migliorata o effetti antibatterici, è aumentata in modo significativo in vari settori. Tra le tecniche di funzionalizzazione delle superfici per stampi, la testurizzazione laser ultraveloce si distingue come uno dei metodi più flessibili, accurati e sostenibili. Questa tecnologia consente la creazione di micro e nanostrutture sulle superfici degli stampi, che possono poi essere replicate su parti in polimero durante lo stampaggio a iniezione, rendendo possibile la produzione in grande serie di parti funzionalizzate con le proprietà superficiali desiderate offrendo una soluzione conveniente per soddisfare la crescente domanda di questi prodotti. Tuttavia, per ottenere risultati ottimali, il processo di stampaggio a iniezione richiede l'ottimizzazione di molteplici parametri, l'accurata scelta dei quali, nella fase di progettazione, è fondamentale per ridurre al minimo i difetti, ridurre lo spreco di materiale e garantire una produzione efficiente. Ciò può essere ottenuto tramite simulazione numerica, consentendo un'ottimizzazione precisa del processo sin dalle fasi iniziali, risparmiando tempo e risorse che altrimenti verrebbero spesi in aggiustamenti usando il classico metodo basato su “trials and errors”. Un aspetto particolarmente sfidante dello stampaggio a iniezione è la previsione del riempimento delle micro- e nano-cavità, cruciale per la corretta replicazione delle strutture superficiali fini. La principale difficoltà risiede nella significativa differenza di scala tra la parte "macro" e le microstrutture. La modellazione del processo di replicazione è ancora un campo di ricerca in evoluzione, poiché le complesse interazioni tra il polimero fuso e la superficie dello stampo a livello microscopico devono essere comprese. In questo contesto, l'obiettivo di questo lavoro è stata l’indagine della replicazione di superfici testurizzate mediante laser a impulsi ultracorti su parti polimeriche attraverso il processo di stampaggio a iniezione, sia sperimentalmente che numericamente. In primo luogo, sono state progettate e realizzate diverse combinazioni di micro- e nanotexture sugli inserti dello stampo, successivamente replicate su parti polimeriche tramite stampaggio a iniezione, con l'obiettivo di ottenere superfici antibatteriche. La replicazione è stata eseguita con successo, mostrando una significativa riduzione dei batteri vivi sulle superfici testurizzate rispetto a quelle non testurizzate. In secondo luogo, la modellazione numerica si è inizialmente concentrata sul processo di stampaggio a iniezione su scala macroscopica per comprendere meglio la dinamica del processo. Successivamente, l'attenzione è stata rivolta alla modellazione della replicazione su scala microscopica. È stata condotta una revisione dei modelli esistenti per la previsione del comportamento del flusso su scala microscopica, e un modello numerico preliminare è stato sviluppato utilizzando COMSOL Multiphysics per investigare i fattori che influenzano il riempimento delle cavità micrometriche.