de nouveaux developpements experimentaux ont ete realises afin de mettre au point le procede de roll embossing pour la realisation de microstructure en continu pour des polymeres et des polymeres charges. des caracterisations rheologiques ont ete realisees pour optimiser les parametres procedes. les resultats obtenus par MMB conduisent a l'obtention de composants sans defauts. des comparaisons geometriques et topographiques entre les repliques et les empreintes du moule montrent un bon remplissage des composants au dela de 200°

BARRIERE, Thierry

GELIN, Jean-Claude

MILLOT, C.

SAHLI, Mohamed

I-Revues

20ème Congrès Français de Mécanique                                                                  Besançon, 29 août au 2 septembre 2011 
  
1 
Analyse expérimentale de la réalisation de microcavités sur 
substrats polymères thermoplastiques par le procède de roll 
embossing 
M.SAHLIa, J-C. GELINa, C. MILLOT a, T. BARRIÈREa,  
a
. FEMTO-ST Institute, Applied Mechanics Dept., CNRS UMR 6174, ENSMM, 25030 Besançon cedex, France 
Résumé :  
Cette étude présente une démarche expérimentale dédiée à la mise en forme des polymères par le procédé de 
roll embossing (R2R), et à une analyse des conditions appropriées nécessaires au procédé, pour la 
réplication de composants micro-structurés, avec des géométries et de tailles variées. Un équipement 
d’extrusion de polymère a été adapté spécialement pour cette étude expérimentale. Les propriétés 
rhéologiques de matériaux thermoplastiques ont été étudiées pour la plage de mise en forme du procédé R2R. 
Une analyse comparative de l’influence de la température de mise en forme sur le taux de remplissage des 
répliques par rapport aux données rhéologiques et aux caractéristiques des cavités a été réalisée et discutée. 
Les résultats obtenus montrent que le remplissage des cavités du rouleau est très lié à aux  comportements 
rhéologiques des polymères sélectionnés 
Abstract: 
This paper presents an experimental procedure for the polymers forming by the roll embossing process 
(R2R). The objective is determine the appropriate processing conditions for the cavities replication. An 
extrusion press has been specially adapted for this experimental study. The rheological properties of 
thermoplastic materials have been investigated in the polymer processing range. A comparative analysis of 
the influence temperature on the filling rate of cavities compared from the geometry mould has been 
completed and analysed. The results indicate that the filing of roller cavities is largely depending on the 
rheological behaviour of polymers selected. 
Mots clefs: roll embossing, polymère thermoplastique polymère, microcomposant, rhéologie 
1 Introduction 
Ces dernières années, les développements et les adaptations des procédés de mise en forme à faible coût pour 
la miniaturisation et/ou la fabrication des microcomposants sont en plein croissance. Parmi les technologies 
de fabrication les plus utilisées, on peut notamment citer, le moulage par injection et la compression à chaud 
[1-3]. A l'échelle industrielle, la fabrication en masse des microcomposants de formes complexes est de fait 
réalisée par moulage par injection. Le procédé de compression à chaud est généralement utilisé comme une 
alternative au moulage par injection, pour un prototypage rapide à faible coût. Dans ces dernières années, les  
besoins de réalisation de composants de très petites tailles sont apparus avec le développement des micro-
technologies et des microsystèmes. Ceci a donc conduit au développement de nouvelles techniques de micro-
fabrication. A ce titre, on peut citer le procédé Roll to Roll (R2R) comme une technique de réplication pour 
le transfert en continu des micro-motifs sur des substrats thermoplastiques ou d'autres supports [4]. Le Roll 
to Roll peut être une alternative pour la production de masse à haute résolution et à faible coût de 
composants micro-structurés. Dans ce procédé, le préchauffage du substrat est effectué avant le passage entre 
les rouleaux contenant des microstructures. La figure 1 montre les différentes étapes de mise en forme par le 
procédé R2R.  
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FIG. 1 – Schéma de principe du procédé roll embossing 
Dans cet article, on présente une caractérisation rhéologique des polymères qui a été réalisée à des 
températures proches des conditions de mise en forme. L'influence de la température de formage sur la 
qualité des microstructures a été étudiée. Puis, une étude comparative des taux de remplissage ainsi qu’une 
analyse dimensionnelle et topographique des empreintes de moule et des répliques polymères produites est 
présentée puis discutée. 
2 Matériaux et méthode expérimentale 
2.1 Matériaux 
Les expérimentations ont été réalisés avec les polymères de type polypropylène (PP : EP548N) et 
polyméthacrylate de méthyle (POM), fournis par les sociétés Bâle Ltd® et Chimidis®. Ces matériaux se 
présentent sous forme de granulés, de densité égale à 0.9 et 1.4 et d’indice de fluidité égal à 3.5g/10min et 
10g/10min respectivement. Les principales propriétés physiques, thermiques, mécaniques et de ces 
polymères sont regroupées dans le tableau 1. 
Tableau 1. Propriétés thermo-physiques et thermomécaniques des polymères sélectionnés. 
Matériau Polypropylène (PP, EP548N) Poly méthacrylate de méthyle (POM)  
Densité 0.9 1.4 
Température de transition vitreuse [°C] -20 -85 
Température de fusion [°C] 160 195 
Température d’extrusion [°C] 220-280 205-215 
Indice de fluidité [g/10min] [230°C/2kg]: 3.5 [190°C/2.16kg]: 10 
 
Pour la caractérisation rhéologique, les polymères thermoplastiques ont été extrudés à travers une filière 
axisymétrique en carbure de tungstène à l'aide d'un rhéomètre capillaire bi canal (Bohlin Instruments® 
RH2000) fonctionnant à vitesse de descente du piston contrôlée. Ces expériences ont été réalisées à l’aide 
d’une filière à fond plat de 1mm de diamètre, de rapport longueur/diamètre égal à respectivement 16 et 1 
avec un angle d'entrée de 180°. Toutes les expériences ont été réalisées dans une plage de température 
comprise entre 200 et 220°C et avec un taux de cisaillement variant entre 102 à 104s-1. La figure 2 représente 
les évolutions de la viscosité de cisaillement des deux polymères (PP et POM) mesurée à 210°C. Ces 
résultats permettent d’observer le caractère rhéofluidifiant des deux matières testées. Les comportements 
pseudo plastiques du PP et du POM sont presque similaires. La viscosité au plateau notée η0 à 210°C est 
estimée à 316Pa.s pour le PP et à 190Pa.s pour le POM. Cet écart significatif entre les viscosités est 
théoriquement quantifiable en considérant les indices de fluidité de chaque polymère. 
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FIG. 2 – Evolution de la viscosité de cisaillement pour deux polymères thermoplastiques à 220 °C. 
2.2 Méthode expérimentale 
L’extrudeuse Mixer Rheoscam® a été adaptée pour réaliser les essais de roll embossing. Grace à ce 
équipement, l’extrusion peut être réalisée à une température contrôlée, comprise entre 25°C, jusqu’à 250°C, 
avec une vitesse maxi de rotation de la vis égale à 160mm/s. Le préchauffage du substrat thermoplastique est 
effectué avant qu’il ne soit introduit entre rouleaux. La photographie de la machine est relatée en figure 3. La 
matière plastique est ramollie puis contrainte de traverser une filière ayant une section rectangulaire de 
10x1mm2. Grâce à un convoyeur, la matière thermoplastique chauffée et fondue, passe entre deux rouleaux 
structurés en position horizontale, pour transférer des motifs en continue sur substrat thermoplastique.  
  
FIG. 3 – Dispositif expérimental instrumenté, utilise pour le Roll to Roll en continu. 
 
Tableau 2. Paramètres de procédé utilisés en roll embossing. 
Vitesse du convoyeur            [m/min] 6 
Température de chauffage          [°C] 180-220 
Diamètre de la vis                    [mm] 22 
Vitesse de rotation de la vis  [tr/min] 50-100 
Couple maxi à la vis                [daN] 12 
 
Deux rouleaux rigides indéformables ont été spécialement conçus et réalisés, permettant d’effectuer des 
essais de roll embossing en continu (cf. Fig. 4). A titre d’exemple, la géométrie du rouleau avec cinq rainures 
de différentes profondeurs, variant de 75 à 100µm, obtenues par usinage par enlèvement de copeaux est 
présentée sur la figure 4b. La figure 5 illustre d’une part une cartographie 3D des cinq rainures après 
inversion informatique des données et d’autre part le profil 2D associé à cette cartographie tridimensionnelle.  
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FIG. 4 – (a) rouleau en acier avec motif croisé obtenu par matage, (b) CAO du rouleau à cinq rainures et (c) 
rouleau en acier obtenu par usinage par enlèvement de copeaux. 
  
FIG. 5 – (a) Cartographe 3D d’une partie de l’empreinte du rouleau (donnée inversées),  (b) profil 2D des 
rainures du rouleau dédiées au roll embossing. 
3 Résultats et discussions  
3.1 Motif avec stries croisées 
La qualité des empreintes obtenue par réplication est déterminée grâce à des observations comparatives 
illustrées en figure 6. Ces observations représentent les motifs de réplication des empreintes du rouleau 
croisé pour deux polymères et sont obtenues à 180°C. On peut noter que le remplissage à l’aide du POM 
conduit à une réplique quasi équivalente à celui du moule. Cette analyse comparative permet de plus, 
d’expliquer les difficultés à remplir des cavités pout certains polymères. 
  
FIG. 6 –Cartographies 3D des répliques obtenues à 180°C avec différents polymères : (a) PP et (b) POM.  
La figure 7 illustre le résultat de la réplication d’un réseau de stries croisées, obtenu sur un substrat en 
polypropylène à différents températures. Il apparaît donc que la valeur de température de mise en forme 
influence sensiblement le taux de remplissage des cavités du. Cette observation est corrélée à la viscosité du 
polymère, qui varie fortement avec la température. Un bon choix de la température de mise en forme du 
polymère, s’avère être d’une importance cruciale pour l’obtention de motifs de qualité et précises. 
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FIG. 7 – Profiles 2D des répliques en polypropylène obtenues à différentes températures 
Les cartographies de la figure 8 illustrent l’influence de la température de mise en forme sur le remplissage 
des cavités du rouleau obtenues à deux températures différentes : (a) 180°C et (b) 210°C. On remarque que 
le remplissage est fortement sensible à la valeur de la température de mise en forme et que le fait 
d’augmenter la température aboutit à  des taux de remplissage très élevés. On a également bien constaté que 
les micro-détails présents sur les parois du rouleau sont bien reproduits sur les faciès des répliques réalisées 
par R2R. 
  
FIG. 8 –Cartographie 3D des répliques obtenues sur un substrat en polypropylène à différentes températures. 
3.2 Motif avec cinq rainures 
La même démarche expérimentale comparative a été conduite sur la réplication de rainures dont la forme est 
précisée en figure 5b. Les cartographies 3D de la figure 9 représentent les données comparatives descriptives 
des mesures enregistrées sur des répliques obtenues avec deux polymères différents à 220°C. Après plusieurs 
essais de réplication, on a constaté que le remplissage des cavités est très sensible à la taille des empreintes et 
à la viscosité du polymère. 
        
FIG. 9 – Cartographie 3D des répliques obtenues à 220°C sur différents substrats thermoplastiques.  
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A titre de comparaison, il est possible d'analyser les formes de profil 2D extraits de l'empreinte des répliques 
comme illustré sur la Fig. 10. Les observations montrent que l'amélioration de la qualité de la réplication est 
liée à l'augmentation de la température pendant le processus de réplication. Les résultats indiquent que plus 
la température de mise en forme augmente, plus le taux de remplissage augmente dans les cavités du rouleau, 
permettant ainsi d’obtenir des répliques de forme géométriques conformes à l’original. Cette constatation est 
liée à la variation de la fluidité du polymère dont la viscosité varie en fonction de la température. 
  
FIG. 10 – Profile 2D des répliques en POM obtenues à différentes températures. 
4 Conclusions  
L’objectif principal des développements expérimentaux réalisés était de montrer la possibilité de réaliser en 
continue des empreintes micro-structurées avec une précision quantifiée et une bonne répétabilité. Cet 
objectif a été atteint grâce à une caractérisation des propriétés rhéologiques et thermo-physiques des 
polymères employés. Les résultats obtenus montrent les possibilités de réaliser en continue, par le procédé de 
roll embossing des répliques qui reproduisent bien la forme des empreintes imprimées par le rouleau, dans le 
cadre d’un processus de formage suivant un protocole bien établi et validé. Cette étude conduit aux 
conclusions suivantes : 
• Les expériences et caractérisations rhéologiques réalisée dans la plage de mise en forme du procédé sur 
deux grades distincts de polymères thermoplastiques ont révélé le rôle primordial de la fluidité des 
polymères sur la qualité de réplication. Le choix d’un matériau et des conditions de transformation 
conditionne largement la possibilité et la cinétique de remplissage des empreintes de moule. 
• Les évolutions du taux de remplissage des microcavités par rapport aux données quantifiant le moule 
sont très dépendantes des caractéristiques rhéologiques des polymères employées, ainsi que les conditions de 
mise en forme imposées, ainsi qu’aux géométries et volumes des cavités du moule. 
Cette étude a permis de montrer que le procédé R2R correspond à une technologie performante et bien 
adaptée pour réaliser les motifs de taille micrométrique voir  nanométrique. 
  References  
[1] Li Y., Li L., Khalil K.A., Effect of powder loading on metal injection molding stainless steels , Journal of 
Materials Processing Technology, 183, 432-439, 2007. 
[2] Sahli M., Millot C., Roques-Carmes C., Khan Malek C., Barriere T. and Gelin J.C., Quality assessment 
of polymer replication by hot embossing and micro-injection moulding processes using scanning mechanical 
microscopy, Journal of Materials Processing Technology, 209, 5851-5861, 2009. 
[3] Kalima V., Pietarinen J., Siitonen S., Immonen J., Suvanto M., Kuittinen M., Mönkkönen K. and 
Pakkanen T.T., Transparent thermoplastics: Replication of diffractive optical elements using micro-injection 
molding, Optical Materials, 30, 285-291, 2007.  
[4] M. Sahli, J-C Gelin, T. Barrière, “Numerical modelling of the polymers replication in micro-cavities by 
the roll embossing process”, International Journal of Material forming, 2, 607-610, 2010. 
 [ 


analyse expérimentale de la réalisation de microcavités sur substrats polymères thermoplastiques par le procédé de roll embossing

http://documents.irevues.inist.fr/bitstream/2042/46691/1/cfm2011_989.pdf

analyse expérimentale de la réalisation de microcavités sur substrats polymères thermoplastiques par le procédé de roll embossing

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