CN103702833A - 微结构化的热冲压模具 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及热冲压材料的冲压模具，其包括成型的冲压表面，其中该冲压模具包括至少一个绝热基板，该绝热基板上布置包括加热电阻器的导电结构，并且其中导电结构被电绝缘膜覆盖，其中电绝缘膜的表面包括该成型的冲压表面，并且该电绝缘膜至少覆盖该加热电阻器，从而具有该冲压表面的电绝缘膜可被加热电阻器电加热。本发明也涉及使用这种冲压模具热冲压材料的方法，其中加热该加热电阻器至在100℃和800℃之间，优选地在200℃和600℃之间，尤其优选地在300℃和400℃之间的温度。最后，本发明也涉及生产这种冲压模具的方法，其中A）提供绝热基板，B）施加包括加热电阻器的导电结构至绝热基板，尤其是使用厚膜方法，尤其优选地印制在上面，以及C）使导电结构至少局部地被电绝缘膜覆盖，优选地使用丝网印刷方法或厚膜技术。

Description

微结构化的热冲压模具
技术领域
本发明涉及用于热冲压材料的冲压模具，其包括成型的冲压表面。
本发明也涉及用这种冲压模具热冲压材料的方法以及生产这种冲压模具的方法。
背景技术
热冲压方法用于成型、刻印和标记不同的材料，尤其是塑料。在这样做的过程中，材料被氧化、成型或热解。
从DE 10 2004 025 568 A1中已知一种在热成型工艺中冲压膜的设备并且其包括阳冲压模具。该冲压模具是可加热的，以便实现完美的冲压而不变形或损坏该膜。
DE 38 29 297 A1公开了一种冲压模具——其中在印制电路板上的金属电阻器轨迹作为加热设备，其上布置由橡胶混合物形成的成型的模具主体。该布置在下面衬有压力垫。该设计体积大，其中总体积最终必需被加热，并且另外由于柔软的设计其仅用于特定应用。
WO 03/049 915 A1公开了一种可加热的热冲压工具，用于在连续的方法中微构造化热塑性材料。该热冲压工具由多段焊接在一起，其中焊剂具有与多段不同的材料特性。冲压发生在高于待冲压的塑料的玻璃化转变温度的温度下。同时，施加压力，其中在压力下冷却待冲压的膜。
这种可加热的冲压模具通常由金属制造并且通过热筒或气体燃烧器外部加热。
该公开的一个缺点是必须加热至少整个冲压模具，由此必须施加大量的能量。另外，尤其是在刻印的情况下，冲压的形状的界限清楚是期望的。当组装这种可加热的冲压模具时，必须另外考虑其高温和组装位置的热负载。与冲压模具的部件或邻近的区域接触的皮肤可导致烧伤。加热的冲压模具的热容越大，将该冲压模具冷却至其可被安全拆卸或更换的程度所需的时间越多。为了在冲压时实现冷却，该冲压模具必须被有效冷却或者必须在冲压过程完成之前经过足够的时间。
发明内容
因此，本发明的目的是克服现有技术的缺点。具体地，使节能的热冲压得以实现。同时，可产生冲压形状的清晰轮廓。也确保使用后冲压模具的安全操作。在冲压模具温度变化的过程中快速的反应时间也是有优势的。
本发明的目的得以实现，在于冲压模具包括至少一个绝热基板，在该绝热基板上布置了包括加热电阻器的导电结构，并且其中该导电结构被电绝缘膜覆盖，其中该电绝缘膜的表面包括成型的冲压表面，并且电绝缘膜至少覆盖加热电阻器，从而具有冲压表面的电绝缘膜可通过加热电阻器电加热，并且其中该绝热基板是氧化陶瓷和/或金属氧化物且绝热基板的热传导率小于5W/(m K)。在本案中加热电阻器被理解为导电结构的区域，在该区域，当在横跨该导电结构或其连接件施加电压时，大部分的电压下降。同时，因此接着在该区域产生大部分的热。
这里，冲压模具可设计为夹层结构，其中导电结构布置在绝热基板和电绝缘膜之间。
这种夹层结构具有导电结构被完好地保护在中间的优点。
根据本发明，导电结构也可包括两条线，通过这两条线加热电阻器可电接触。
由于加热电阻器和馈电线之间分离，能确保加热区域被电绝缘膜完全覆盖，而线的部分可暴露。另外，对于线，选择较成本有效的材料。
在此，该线又可具有大于加热电阻器的线横截面，尤其优选地至少两倍大的线横截面。
因此，确保加热电阻器的电压下降并且馈电线不加热或仅加热非常小的程度。
此外，该线可至少局部地或大体上被电绝缘膜覆盖并且/或该线由铜和/或银组成。
除了用于冲压模具的连接的部件，比如连接接触区或插头，这些线可被电绝缘膜覆盖。根据本发明，这也保护这些线远离有害的机械影响，并且因此是优选的。
根据本发明的改进，加热电阻器可以弯弯曲曲的方式形成。
在此，当加热冲压模具时，温度梯度的大部分，具体地至少70%，优选地至少90%，可在线的区域降低。
使用根据本发明的冲压模具，导电结构可尤其优选地也为金属结构，尤其是厚金属膜，其中加热电阻器优选由铂或铱组成。
由铂或铱制造的厚膜可变得非常热，然而，就许多陶瓷或其他绝缘体中包括的氧而言即使在高温下也是化学上稳定的。
根据本发明，导电结构也可为5μm至50μm厚，优选地10μm至20μm厚。
在这些范围内的厚度可有效用于加热电阻器。
根据本发明的其中绝热基板的热传导率小于2W/(m K)，尤其优选地热传导率小于1W/(m K)的冲压模具是尤其优选的。
如果热传导率降至低于该水平，这导致用于冲压的冲压模具的前区域的热为可用的并且也防止冲压模具的其余区域变得太热，因此，促使组装和连接并且降低损伤的风险。
根据本发明的进一步实施方式，绝热基板可为三价至五价的过渡金属的金属氧化物，尤其优选地为钛酸盐、氧化钇稳定的氧化锆陶瓷（YSZ）或MgTiO3陶瓷。
根据本发明，这些材料尤其非常适合于生产冲压模具，因为它们具有高的机械稳定性和同时低的热传导率。
根据本发明尤其适合的实施方式，可在绝热基板、尤其是YSZ基板和导电结构之间布置薄的陶瓷膜，并且其使导电结构与绝热基板电绝缘，其中该薄的陶瓷膜优选地由金属氧化物组成，尤其优选地氧化陶瓷或二价的或三价的主族金属，最优选地氧化铝。
从约300℃的温度，以导电结构和YSZ基板之间的电绝缘是有利的方式，YSZ开始为可导电的。特别当基板在冲压模具内可达到的和/或冲压模具在高温下操作的温度下产生更高的导电率时，这种电绝缘的薄膜因此是尤其有优势的。然而，可选地或另外地，该中间膜也可用于导电结构至基板的更强机械连接。
根据本发明，对于具有中间膜的冲压模具，中间膜可具有至少106Ωm的电阻率，优选地至少108Ωm的电阻率，尤其优选地至少1010Ωm的电阻率。
根据本发明，基板可涂覆电绝缘的薄陶瓷膜，该陶瓷膜基于二价的或三价的主族金属的氧化陶瓷，尤其为MeO、Me3O或Me2O3例如Al2O3。
此外，电绝缘膜可由玻璃或玻璃陶瓷组成。
玻璃或玻璃陶瓷可为尤其完好结构化的并且是良好的电绝缘体。使用玻璃或玻璃陶瓷进行表面的成型可特别完好地实施。
此外，电绝缘膜可在1μm和500μm厚之间，优选地在10μm和100μm厚之间，尤其优选地30μm厚。
根据本发明进一步的实施方式，加热电阻器可电连接至两个连接接触区或两个连接插头，一个连接接触区或一个连接插头优选地布置在每条线上、在与加热电阻器相对的线的末端。
此外，加热电阻器可构成导电结构宽度的一半至三分之一和/或加热电阻器以尖端的方式形成。
利用这些几何形状，可尤其好的将热集中至冲压的结构表面上。然后连接件的区域仍然是特别冷却的。
根据本发明，基板也可具有从5至50mm，特别是从10至40mm，特别优选地从20至30mm的基板长度，从0.5至20mm，特别是从2至10mm，特别优选地从3至5mm的基板宽度，和/或从0.1至2mm，特别是0.3至1mm，特别优选地从0.4至0.6mm的基板厚度。
此处，应当注意，太短和太厚的基板不提供足够的温差或温度梯度。加热电阻器施加至太窄的基板是困难的。太薄的基板是机械不稳定的。
导电结构的宽度沿着基板长度延伸，而不覆盖基板整个长度。
根据本发明的冲压模具可优选地为长度是宽度的至少两倍（基于基板），优选地长度为宽度的3至5倍。此外，根据本发明的冲压模具可优选地长度是厚度的至少10倍，优选地长度是厚度的30至50倍。
可以提供，在连接区域中——其中导电结构从外部接触电线，电线至导电结构的连接也可释放应变，优选地通过玻璃珠释放应变。
通过使用这种冲压模具热冲压材料的方法也实现本发明的目的，其中加热加热电阻器至100℃和800℃之间的温度，优选地200℃和600℃之间，尤其优选地300℃和400℃之间。
在这些温度下，对许多材料，尤其是有机材料，提供充分的热冲压。
在此，有机材料在100℃和600℃之间的温度下在冲压模具的成型的表面区域，至少局部地被腐蚀，尤其被热解和/或氧化。
也可提供，随着冲压模具被加热，可设定温度梯度，使得加热电阻器的区域中的温度和环境温度——优选地室温——之间大于一半、优选地大于90%的温差，在加热电阻器的区域下降，从而与加热电阻器相对的冲压模具的末端具有小于50℃的温度，优选地小于40℃的温度。
在冲压模具中设定温度梯度是必要的，从而冲压模具在所有的表面上都不热。由于这样，操作员才被可靠保护并且容易实现便利安装。
最后，通过生产冲压模具的方法也实现本发明的目的，其中
A）提供绝热基板，
B）将包括加热电阻器的导电结构施加至绝热基板，尤其使用厚膜方法，尤其优选地打印在上面，以及
C）使用丝网印刷方法或厚膜技术使导电结构至少局部地被电绝缘膜覆盖。
在此，可以提供，在步骤B）之前，将电绝缘的中间膜施加至绝热基板，从而，在步骤B）中，导电结构施加至绝热基板上的绝缘中间膜，其中中间膜优选地通过薄膜方法，尤其优选地通过PVD施加。
此外，使用厚膜技术施加的线也可在使用厚膜技术施加的加热电阻器的中间三分之一中连接在基板上。
为此，可施加这些线并且在加热电阻器的两个末端将其燃烧为黏膏。加热电阻器的末端优选地形成为接触区。
本发明基于出人意料地发现：能够使用冲压模具的膜设计，选择性地传递热，该热是在包括成型表面的冲压模具的区域中热冲压所需的，用于冲压材料。至该末端的电功率可在加热元件区域被精确消耗。该加热元件，尤其对于使用馈电线，可布置在冲压模具的任何位置。由于基板的热绝缘性，因此冲压模具的远离加热元件的区域仍是较冷却的，至多为接近环境温度的温度。
主要引入电功率是为了使其被待冲压的材料所接收。因此，通过冲压模具的电能的消耗显著降低。同时，根据本发明的冲压模具迅速冷却，并且因此其可在相对短的时间后再次安全更换。
本发明的必要的方面是温度梯度首先降至接近加热电阻器。这也得以实现，主要因为至加热电阻器的线（在本案中也称为馈电线）具有大于加热电阻器的电线的横截面。因此，加热电阻器的电阻率显著高于馈电线。因此，横跨加热电阻器的大多数电压下降，由此加热电阻器的温度比馈电线的温度要高得多。可选地或另外地，加热电阻器的电线的长度可选择以通过弯弯曲曲布设加热电阻器而相对于馈电线大。因此，鉴于上面讨论的结果，横跨加热电阻器的大部分的电压也下降。
通过根据本发明的措施以精确的方式限定的加热区域与外部热源相比能够实现具有高分解并且具有尤其低的热损失的传热。陶瓷基板的高硬度和其抗氧化性确保其相比于金属热冲压模具更长的使用寿命。因此，甚至可节省复杂的凹版步骤。
附图说明
将基于两个示意性地图解的图解释本发明的示例性实施方式，并不因此限制本发明。在图中：
图1：根据本发明的冲压模具的示意性透视分解图；和
图2：根据本发明的可选冲压模具的示意性横截面图。
附图标记说明
Figure BDA0000458346480000071
具体实施方式
图1显示根据本发明的冲压模具1的示意性透视分解图。该冲压模具1包括由钇-稳定的氧化锆（YSZ）制成的基板2。基板2具有25x2x0.4mm3的尺寸。YSZ基板2涂覆了Al2O3制成的薄膜3。借助于PVD方法（物理气相沉积）实现该涂覆。原则上，另一种薄膜方法也是可能的，以生产薄膜3，比如化学气相沉积（CVD）、喷射等等。
将Ir糊剂或Pt糊剂印制在陶瓷薄膜3上并且燃烧为15μm厚的弯弯曲曲电阻器结构，其形成加热电阻器4。在每种情形下，该加热电阻器4在接触区结束于从银糊剂燃烧并且12mm长的线5所连接的每个末端。线5在基板末端至连接接触区6被加宽，目的是电连接冲压模具1至由塑料（未显示）制成的印刷电路板，并且机械地固定该冲压模具。通过焊接、熔接、或连接至电线（未显示）——其又通过熔接或焊接至印刷电路板以及连接接触区6，实现电接触。由于机械保护和应变释放，该接触可使用玻璃珠或合成树脂珠释放应变。
具有如图案8或刻印8的凸出形式的造型8的厚膜7可使用玻璃糊剂燃烧到加热电阻器4和线5上。该玻璃膜7保护加热电阻器4和其线5，尤其在热冲压过程期间。
为了熔融或腐蚀有机材料，加热该加热电阻器4至300℃至500℃，从而在造型8的区域冲压模具1的外部温度高于200℃，尤其是300℃至400℃。在冲压模具1的另一端的连接接触区6的区域，该温度小于40℃，从而就耐温性而言，对印制电路板的塑料没有特定要求是必须的。根据本发明的使用芯片的热冲压模具（冲压模具1）不需要外部热源并且可冲压非常精密的、极其精细的结构。
图2显示根据本发明的冲压模具11可选实施方式的示意性横截面图。施加Ir或Pt糊剂至热绝缘的15x4x0.5mm3MgTiO3基板12的二分之一并且燃烧为20μm的厚弯弯曲曲加热电阻器14。燃烧自银糊剂或铜糊剂的线15被连接到加热电阻器14的两个电末端的每个上。在基板12的另一半上，加宽基板末端处的线15至接触区，以便在其布置冲压模具11的电连接件，例如以连接电线的形式（未显示）。
该线15，如图2中所显示的，可比加热电阻器14更厚以便增加加热电阻器14相对于线15的电阻。然而这不是必需的情况。如果由于足够数量的弯弯曲曲，加热电阻器14具有比馈电线长得多的电力线，也产生相同的效果。
连接电线至接触区的连接区域通过在玻璃糊剂中燃烧释放应变。图案17或刻印17形式的不同的玻璃糊剂在彼此之上燃烧，成为在加热电阻器14和线15之上的厚膜。图案17在加热元件14的区域中具有造型18的表面。该玻璃膜保护加热电阻器14和其馈电线15，尤其在热冲压过程期间。用这种方式连接的组件部分也称为膜电阻器。
因此根据本发明的冲压模具1、11通过膜电阻器产生。本发明的一个特别的方面在本文也被精确地考虑，也就是膜电阻器用于形成冲压模具1、11的事实。
上述说明中公开的以及在权利要求、附图和示例性的实施方式中的特征可为单独地必要的并且在其各个实施方式中可以为任意结合以实施本发明。

Claims (15)

1.用于热冲压材料的冲压模具，其包括成型的冲压表面（8、18），其特征在于
所述冲压模具（1、11）包括至少一个绝热基板（2、12），在其上布置包括加热电阻器（4、14）的导电结构（4、5、6、14、15），并且所述导电结构（4、5、6、14、15）被电绝缘膜（7、17）覆盖，其中所述电绝缘膜（7、17）的表面包括所述成型的冲压表面（8、18）并且所述电绝缘膜（7、17）至少覆盖所述加热电阻器（4、14），使得具有所述冲压表面（8、18）的所述电绝缘膜（7、17）可被所述加热电阻器（4、14）电加热，并且其中所述绝热基板（2、12）是氧化陶瓷和/或金属氧化物并且所述绝热基板（2、12）具有小于5W/(m K)的热传导率。
2.根据权利要求1所述的冲压模具，其特征在于
所述导电结构（4、5、6、14、15）包括两条线（5、15），通过这两条线所述加热电阻器（4、14）是可电接触的，其中所述线（5、15）优选地具有大于所述加热电阻器（4、14）的线横截面，尤其优选地至少两倍大的线横截面。
3.根据权利要求2所述的冲压模具，其特征在于
所述线（5、15）至少局部地或基本上被所述电绝缘膜（7、17）覆盖和/或所述线（5、15）由铜和/或银组成。
4.根据前述权利要求之一所述的冲压模具，其特征在于
所述导电结构（4、5、6、14、15）是金属结构（4、5、6、14、15），尤其是厚金属膜，其中所述加热电阻器（4、14）优选地由铂或铱组成。
5.根据前述权利要求之一所述的冲压模具，其特征在于
所述绝热基板（2、12）具有小于2W/(m K)的热传导率，尤其优选地小于1W/(m K)的热传导率。
6.根据前述权利要求之一所述的冲压模具，其特征在于
所述绝热基板（2、12）是三价至五价的过渡金属的金属氧化物，尤其优选钛酸盐、氧化钇稳定的氧化锆陶瓷（YSZ）（2）或MgTiO3陶瓷（12）。
7.根据前述权利要求之一所述的冲压模具，其特征在于
薄陶瓷膜（3）被布置在所述绝热基板（2、12）尤其是YSZ基板（2）与所述导电结构（4、5、6、14、15）之间，并且该薄陶瓷膜使所述导电结构（4、5、6、14、15）与所述绝热基板（2、12）电绝缘，其中所述薄陶瓷膜（3）优选地由金属氧化物组成，尤其优选地由二价或三价的主族金属的氧化陶瓷组成，最优选地由氧化铝组成。
8.根据前述权利要求之一所述的冲压模具，其特征在于
所述电绝缘膜（7、17）由玻璃或玻璃陶瓷组成，其优选地在1μm和500μm之间厚，尤其优选地在10μm和100μm之间厚，最优选地30μm厚。
9.根据前述权利要求之一所述的冲压模具，其特征在于
所述加热电阻器（4、14）电连接至两个连接接触区（6）或两个连接插头，一个连接接触区（6）或一个连接插头优选地布置在每条线（5、15）上、在与所述加热电阻器（4、14）相对的线（5、15）的末端处。
10.根据前述权利要求之一所述的冲压模具，其特征在于
所述加热电阻器（4、14）构成所述导电结构（4、5、6、14、15）宽度的一半至三分之一和/或所述加热电阻器（4、14）以尖端的方式形成。
11.使用根据前述权利要求之一所述的冲压模具（1、11）热冲压材料的方法，其特征在于
将所述加热电阻器（4、14）加热至100℃和800℃之间，优选地在200℃和600℃之间，尤其优选地在300℃和400℃之间的温度。
12.根据权利要求11所述的方法，其特征在于
使有机材料在100℃和600℃之间的温度下在所述冲压模具（1、11）的所述成型表面（8、18）的区域中至少局部地被腐蚀，尤其被热解和/或氧化。
13.根据权利要求11或12所述的方法，其特征在于
随着所述冲压模具（1、11）被加热，设定温度梯度，使得所述加热电阻器（4、14）的区域中的温度和环境温度——优选地室温——之间大于一半、优选地大于90%的温差，在所述加热电阻器（4、14）的区域中降低，从而与所述加热电阻器（4、14）相对的所述冲压模具（1、11）的末端具有小于50℃的温度，优选地小于40℃的温度。
14.生产冲压模具、尤其是根据权利要求1至10所述的冲压模具的方法，其中
A）提供绝热基板（2、12），
B）将包括加热电阻器（4、14）的导电结构（4、5、6、14、15）施加至所述绝热基板（2、12），尤其使用厚膜方法，尤其优选地印制在上面，以及
C）使用丝网印刷方法或厚膜技术使所述导电结构（4、5、6、14、15）至少局部地被电绝缘膜（7、17）覆盖。
15.根据权利要求14所述的方法，其特征在于
在步骤B）之前，将电绝缘的中间膜（3）施加至所述绝热基板（2、12），从而在步骤B）中，将所述导电结构（4、5、6、14、15）施加至所述绝热基板（2、12）上的所述绝缘的中间膜（3），其中所述中间膜（3）优选地通过薄膜方法，尤其优选地通过PVD施加。
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