Replication of microstructures by compression, for self-cleaning surface applications

Abstract

The present dissertation consists in the development of a protective optical window (POW) with the property of self-cleaning, through the process of hot embossing, for the protection of a LiDAR sensor applied in autonomous driving. For the proper functioning of the sensor, the optical window must have an excellent optical transmission in the sensor operational wavelength. The first stage comprises the research of concepts and the state-of-the-art concerning the self-cleaning property, the influence of surface roughness on optical properties, the approaches in biomimetic these surfaces artificially with polymer materials and an overview of processes available for the replication of microstructures, with a specific focus on the hot embossing process and how its process conditions influence the part quality. The main goal of this work was to test the functionality of a structure configuration previously developed in a metallic insert on the surface of polymeric materials with good optical properties, such as PC and PMMA, through the simulation of the hot embossing process. For this reason, it was studied the effect of the processing conditions of the hot embossing process in the replication degree, and the influence of the replicated microstructured pattern on the surface properties by performing characterization tests to evaluate the hydrophobic properties and optical properties of the produced parts. Furthermore, an additional study of the effect of the application of a hydrophobic coating on microstructured samples was also conducted, followed by the determination of its influence on the surface wettability and optical transmittance. The results of the studies presented in this dissertation demonstrated that the microstructured pattern enhanced the water contact angle (WCA) of the produced samples only up to the hydrophobic regime. For the PC samples, the replication by hot embossing, resulted in the complete filling of the cavities, which resulted in an increase of the WCA by almost 50% in comparison with a non-microstructured sample. Although, for the PMMA the complete filling was not achieved, with the structures with a maximum average up to 84% of the desired height, it still resulted in an enhancement of the WCA in 30°. However, the pattern of the surface also negatively affected the optical performance of the parts, invalidating its application in a POW for a LiDAR sensor. The application of a coating on a microstructured surface, although causing water repellency of the water droplets, also showed to be an invalid approach due to its significative negative influence on the optical transmittance.

A presente dissertação consiste no desenvolvimento de uma protective optical window (POW) com a propriedade de auto-limpeza, através do processo de hot embossing, para a protecção de um sensor LiDAR aplicado à condução autónoma. Para o bom funcionamento do sensor, a protective optical window deve ter uma excelente transmissão óptica no comprimento de onda operacional do sensor. A primeira fase compreende a investigação de conceitos e o estado da arte relativo à propriedade de autolimpeza, a influência da rugosidade de uma superfície nas propriedades ópticas, as abordagens em biomimética destas superfícies artificialmente com materiais poliméricos e uma visão geral dos processos disponíveis para a replicação de microestruturas, com um enfoque específico no processo de hot embossing e na forma como as suas condições de processo influenciam a qualidade da peça. O principal objetivo deste trabalho foi testar a funcionalidade de uma configuração previamente desenvolvida num inserto metálico na superfície de materiais poliméricos com boas propriedades ópticas, como o PC e o PMMA, através da simulação do processo de hot embossing. Por esta razão, foi estudado o efeito das condições de processamento no grau de replicação, e a influência do padrão replicado nas propriedades da superfície, através de testes de caracterização para avaliar as propriedades hidrofóbicas e as propriedades ópticas das peças produzidas. Além disso, foi também realizado um estudo adicional sobre o efeito da aplicação de um revestimento hidrofóbico em amostras microestruturadas, seguido da determinação da sua influência na molhabilidade da superfície e na transmitância óptica. Os resultados dos estudos apresentados nesta dissertação demonstraram que o padrão microestruturado aumentava o ângulo de contacto com a água (WCA) das amostras produzidas apenas até ao regime hidrofóbico. Para as amostras de PC, a replicação por hot embossing, resultou no enchimento completo das cavidades, o que resultou num aumento do WCA em quase 50% em comparação com uma amostra não microestruturada. Embora, para o PMMA o enchimento completo não tenha sido alcançado, com as estruturas com uma média máxima de até 84% da altura desejada, ainda se verificou um aumento do WCA em 30°. No entanto, o padrão replicado na superfície também afetou negativamente o desempenho óptico das peças, invalidando a sua aplicação numa POW para um sensor LiDAR. A aplicação de um revestimento hidrofóbico numa superfície microestruturada, embora provocando repelência às gotas de água, também se revelou uma abordagem não válida devido à sua significativa influência negativa sobre a transmitância óptica.