Texturation topographique multiéchelles de pièces polymères par structuration laser des moules d’injection : Application de la technologie aux systèmes plastiques de délivrance de médicaments – TOPOINJECTION

Nous avons organisé le projet TopoInjection en 4 tâches décomposées en sous-tâches. Indépendamment de la Tâche 1 qui concerne le management de projet (Sous-tâche 1.1) ainsi que la valorisation des résultats (Sous-tâche 1.2), le projet est structuré autour de 3 axes scientifiques principaux qui conditionnent les tâches et sous-tâches fortement interdépendantes entre elles :
- Le 1er axe porte sur l'étude des polymères (Sous-tâche 2.4) et la structuration (chimique :Sous-tâche 2.1, et topographique : Sous-tâche 2.2) des états de surface des moules ainsi que la modélisation phénoménologique de l'interaction laser-matière dans le contexte de l'étude (laser ultra-bref, moule revêtu, ... Sous-tâche 2.3).
- Le 2ème a pour objet la simulation du procédé d’injection plastique (Tâche 3) tant d’un point de vue phénoménologique (Sous-tâche 3.2) que par simulation numérique (Sous-tâche 3.1).
- Le troisième consiste en l’élaboration des pièces polymériques texturées (Tâche 4) sur une installation de type industrielle pilote particulièrement instrumentée, destinée à la fabrication d’éprouvettes de géométries simples ou complexes.
Notre démarche d’optimisation du procédé d’injection, procédera par itérations successives à partir d’un dialogue interactif entre simulation, élaboration et caractérisation. Ainsi la Tâche 4 est autant une mise en oeuvre des résultats des Tâches 2 et 3 que le moyen de valider les modèles comme de leur fournir des données d’entrée. Afin de privilégier cette interdisciplinarité, les partenaires participent de manière croisée aux différentes tâches pour qu’ils puissent être source de propositions dans une tâche ou sous-tâche donnée au regard de leur coeur de compétence qui peut être plus amont ou aval. Cette démarche est facilitée par les compétences pluridisciplinaires des partenaires du consortium et l’expérience mutuelle qu’ils ont de travailler déjà ensemble

Les principaux résultats que nous avons obtenus après 18 mois de projet sont:
- la réalisation d'un moule instrumenté. Suivi in situ de la pression et la température dans la cavité du moule à plusieurs endroits.
- L'études des paramètres d'injection pour une large gamme de polymères. Détermination des interactions matériau-procédé en lien avec le processus de texturation du polymère (voir communications internationales)
- La réalisation de faisceaux laser originaux pour l’usinage de motifs complexes à partir de la mise en forme du faisceau (voir image jointe)
- La réalisation d’un code de calcul numérique permettant la simulation du remplissage de l’injection plastique avec la prise en compte de texturation multi-échelle

Les perspectives scientifiques du projet sont notamment:
- L'étude de l'influence des revêtements sur le comportement du moule et de son interaction avec le polymère.
- Le suivi par visualisation in-situ de l'interaction polymère-moule-textures.
- La modélisation numérique des différentes phases du process d'injection et identification avec les résultats expérimentaux.
Enfin, un transfert de compétences sur une chaine de production industrielle sera envisagé.

Effects of injection parameters on the replication quality of multiscale features obtained by femtosecond Laser, A.-C. Brulez, M. Larochette, J. Vera, S. Benayoun, Polymer Replication on Nanoscale, PRN, 18-19/5/15, Copenhagen, Denmark.
Influence of the polypropylene structure to control the replication of nanostructures by injection molding, J. Vera, A.-C. Brulez, E. Contraires, M. Larochette, S. Valette, S. Benayoun, PRN,18-19/5/15, Copenhagen, Denmark.
Development of an instrumented mold for the replication of textured surfaces by injection molding: optimization of the replication quality, M. Larochette, A.-C. Brulez, J. Vera, S. Benayoun, PRN, 18-19/5/15, Copenhagen, Denmark.
Controlled wettability of PP nanostructured surfaces replicated by injection molding, J. Vera, A.-C. Brulez, E. Contraires, M. Larochette, S. Valette, S. Benayoun, European Polymer Congress, 21-26/6/15, Dresden, Germany.
Advances in spatial shaping of ultrafast laser beam for enhanced surface processing of materials« C. Mauclair (invité), FemtoMat, Mauterndorf, Autriche, 4/15
Influence des paramètres de mise en oeuvre en injection plastique sur la qualité de réplication de texturations obtenues par ablation laser femtoseconde, A.-C. Brulez, M. Larochette, J. Vera, S. Benayoun, JFT,27-29/5/15, Nantes.
Modelling the injection of textured molds,R. Nakhoul, P. Laure, L. Silva, M. Vincent, 22ème CFM, Lyon,24-28/8/15.
Etude des paramètres process en injection de thermoplastique sur la qualité de réplication de texturation multi-échelle, A.-C. Brulez, M. Larochette, J. Vera, S. Benayoun, 22ème CFM, Lyon, 24-28/8/15
Influence of the polypropylene structure to control the replication of nanostructures by injection molding, J. Vera, A.-C. Brulez, E. Contraires, M. Larochette, S. Valette, S. Benayoun, 22ème CFM, Lyon, 24-28/8/15.
Contrôle de faisceau laser ultrabref pour la fonctionnalisation de surface à cadences industrielles, C. Mauclair (invité), Intersurfaces, St Etienne, France, 6/ 2015.

La maîtrise de la texture de surface à petite échelle est un nouvel horizon pour les procédés d’injection des pièces polymère. Les fonctions recherchées peuvent être des propriétés de rendu visuel ou tactile pour des produits de grande consommation mais aussi des fonctions plus techniques comme les propriétés de mouillabilité, de frottement ou d’adhésion. Le domaine biomédical représente à lui seul un secteur d’application potentiel très vaste pour ce genre de technologies, car il cumule de très forts volumes de consommables produits par injection (micropipettes, microtubes, seringues, microsystèmes de diagnostique) avec des spécifications techniques très importantes.

Le choix de TopoInjection est de travailler sur les dispositifs de délivrance de médicaments injectables, afin de développer des technologies utiles pour une application industrielle dans le domaine de la santé. Au delà du respect des exigences réglementaires, les systèmes médicaux destinés à la préparation et/ou l'administration de médicaments par voie parentérale doivent répondre à des contraintes très strictes d’un point de vue des fonctions tribologiques et d’étanchéité, de stabilité chimique et de biocompatibilité, tout en restant compatibles avec une production de masse.
Un travail préliminaire sur l’étude du comportement tribologique du contact élastomère (piston de la seringue)-surface rugueuse (corps de la seringue) a permis de définir des structurations de surface idéales des pièces plastiques visà vis de l’étanchéité et du frottement. La question est maintenant d’être capable de générer ces surfaces texturées aux échelles indiquées (100 nm- 100 µm) sur des pièces en polyoléfines dans le cadre d’une fabrication en grande série.

L’objectif du projet est donc de développer un procédé d’injection plastique permettant d’obtenir les textures visées en jouant sur les 4 ensembles de paramètres que sont :
1) la texture du moule,
2) la chimie de surface du moule
3) les propriétés physico-chimiques du polymère injectés et
4) les paramètres procédés.

Pour atteindre cet objectif, TopoInjection propose de se focaliser sur les verrous suivants :

• Le développement d’un nouveau procédé de structuration de la surface des moules d’injection plastique par faisceau laser femtoseconde.

• Le développement d’outils expérimentaux et numériques permettant la compréhension de l’écoulement d’un polymère fondu sur des microéchelles et du devenir de la surface lors des opérations de démoulage.

• La compréhension du lien entre la chimie de surface du moule modifiée par dépôt de couches dures PVD, la chimie des polymères et le comportement à l’interface.

Cette démarche déductive ne donnera sans doute pas tous les éléments de compréhension nécessaires à la résolution du problème posé. Elle sera donc complétée par une démarche plus inductive et empirique basée sur des essais sur presse à injecter instrumentée. Les résultats obtenus par la démarche déductive seront intégrés au fur et à mesure pour orienter les essais sur presse.
Ce projet ambitieux est proposé dans le cadre d’une collaboration entre trois laboratoires académiques (LTDS, LaHC, CEMEF-ARMINES) une école d’ingénieur (ITECH) et deux partenaires industriels (HEF, Becton Dickinson, HEYRMOULES) ayant pour la plupart d’entre eux à la fois une reconnaissance internationale et une excellence dans les thèmes scientifiques abordés ainsi qu’une grande expérience des projets collaboratifs mutuels.