DE10145070B4

DE10145070B4 - Miniatur-Ventil, insbesondere Zwei-Wege-Ventil

Info

Publication number: DE10145070B4
Application number: DE2001145070
Authority: DE
Inventors: Reiner Dipl.-Ing. Götzen
Original assignee: microTEC Gesellschaft fur Mikrotechnologie mbH
Current assignee: microTEC Gesellschaft fur Mikrotechnologie mbH
Priority date: 2001-09-13
Filing date: 2001-09-13
Publication date: 2004-10-07
Anticipated expiration: 2021-09-14
Also published as: DE10145070A1

Abstract

Miniatur-Ventil, insbesondere Zwei-Wege-Ventil mit einem Ventilgehäuse, mindestens zwei Einlaßstutzen und einem Auslaßstutzen, einem Schaltelement, das mittels Spulen elektromagnetisch betätigbar ist und durch das alternativ einer der Einlaßstutzen verschließbar ist, gekennzeichnet durch seine Herstellung, bei der zunächst mit dem schichtweisen Aufbau des Ventilgehäuses (2) begonnen wird, wobei sukzessive dünne Schichten eines lichtaushärtbaren Kunststoffs gemäß den Schichten einer 3-D-Vorlage des Ventils (1) belichtet und ausgehärtet werden, bevor die halbe Höhe des Ventilgehäuses (2) erreicht ist, das vorgefertigte Schaltelement (8) in das Ventilgehäusefragment eingelegt wird und dann mit dem schichtweisen Aufbau des Ventilgehäuses (2) fortgefahren wird bis zur Fertigstellung des mit Einlaßstutzen (3,4) und Auslaßstutzen (5) versehenen Ventilgehäuses (2), wobei während des schichtweisen Aufbaus des Ventilgehäuses (2) die Spulen (6,7) in die Einlaßstutzen (3,4) integriert werden.

Description

Die Erfindung betrifft ein Miniatur-Ventil, insbesondere Zwei-Wege-Ventil mit einem Ventilgehäuse, mindestens zwei Einlaßstutzen und einem Auslaßstutzen, einem Schaltelement, das mittels Spulen elektromagnetisch betätigbar ist und durch das alternativ einer der Einlaßstutzen dicht verschließbar ist.
In der chemischen oder auch medizinischen Analysetechnik geht – wie in anderen technischen Bereichen – die Entwicklung zu immer kleineren Analysegeräten mit entsprechend miniaturisierten Bauteilen.
Die mechanische Bearbeitung derartiger Mini-Elemente ist äußerst schwierig und führt nur in den seltesten Fällen zu zuverlässig funktionierenden Ergebnissen.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Ventil der eingangs genannten Art anzugeben, das trotz seiner geringen Baugröße (Länge etwa 1 mm) äußerst exakt gefertigt ist und ein Totvolumen von <0,05 μl garantiert.

Zur Herstellung derartiger Miniatur-Ventile schlägt die Erfindung vor, daß zunächst mit dem schichtweisen Aufbau des Ventilgehäuses begonnen wird, wobei sukzessive dünne Schichten eines lichtaushärtbaren Kunststoffs gemäß den Schichten einer 3-D-Vorlage des Ventils belichtet und ausgehärtet werden, bevor die halbe Höhe des Ventilgehäuses erreicht ist, das vorgefertigte Schaltelement in das Ventilgehäusefragment eingelegt wird und dann mit dem schichtweisen Aufbau des Ventilgehäuses fortgefahren wird bis zur Fertigstellung des mit Einlaß- und Auslaßstut zen versehenen Ventilgehäuses, wobei während des schichtweisen Aufbaus des Ventilgehäuses in den Einlaßstutzen die Spulen integriert werden.

Ein derartiges Verfahren ist als RMPD bekannt. So beschreibt die DE 44 20 996 C2 ein Verfahren, bei dem zwischen zwei einander parallelen Platten, von denen mindestens eine für elektromagnetische wellen durchlässig ist, eine geringe Menge des lichtaushärtbaren Kunststoffs aufgrund der Oberflächenspannung gehalten ist. Die Oberfläche der Kunststoffflüssigkeit unterhalb der für elektromagnetische Wellen durchlässigen Platte wird beispielsweise mittels Laserstrahl, der nach Maßgabe eines in einem angeschlossenen Rechner gespeicherten 3-D-Schichtmodells der zu generierenden Struktur über die Oberfläche geführt wird, ausgehärtet. Es können jedoch auch statt Laserlichtführung den einzelnen Schichttopographien entsprechende Negativ-Masken zur Belichtung eingesetzt werden. Schicht für Schicht härtet das Licht die Kunststoffflüssigkeit entsprechend dem 3-D-Schichtmodell, wobei der Abstand der Platten jeweils um eine Schichtdicke vergrößert wird, so daß frisches Kunststoffmaterial allein aufgrund seiner Oberflächenspannung in den entstehenden Zwischenraum zwischen den ausgehärteten Schichten und der Platte nachfließen kann. Auf diese Weise können Strukturen im Mikrometerbereich sehr exakt erzeugt werden.

Dieses Prinzip macht sich die Erfindung bei der Herstellung des erfindungsgemäßen Ventils zunutze.

In Abwandlung des eben beschriebenen Prinzips können die beiden parallelen Platten auch durch ein Walzenpaar ersetzt werden, an das sich weitere Walzenpaare anschließen, wobei im Spalt zwischen den beiden Walzen eines Walzenpaares die lichtaushärtbare Flüssigkeit angeordnet ist. Eine der beiden Walzen ist für elektromagnetische Wellen durchlässig und verfügt über eine Belichtungsquelle in ihrem Inneren. Auf der Außenseite dieser Walze ist die für die jeweilige Schicht zuständige Maske aufgetragen. Die nachfolgenden Walzenpaare sind entsprechend ausge staltet, wobei jedoch der Spalt zwischen den Walzen jeweils um die nächste Schichtdicke vergrößert ist.

Auf diese Weise lassen sich große Stückzahlen der zu fertigenden Produkte erzeugen.

In jedem Fall ergibt sich ein exakt gearbeitetes Miniatur-Ventil mit Abmessungen im mm-Bereich und darunter, bei dem das Schaltelement, welches gemäß Anspruch 2 vorzugsweise eine Stahlkugel ist, deren Durchmesser mit dem Ventilgehäusedurchmesser übereinstimmt, mittels der jeweils elektrisch aktivierten Spule in die eine oder andere Schließrichtung bewegt werden kann.

Bei einer ersten Alternative der Verfahrensführung ist gemäß Anspruch 3 vorgesehen, daß die Spulen während des schichtweisen Aufbaus des Ventilgehäuses als vorgefertigte Teile eingesetzt werden und das Gehäuse in der beschriebenen schichtweisen Verfahrensweise um diese Spulen herum generiert wird.

Die zweite Alternative der Verfahrensführung gemäß Anspruch 4 schlägt vor, daß die Spulen beim schichtweisen Aufbau des Ventilgehäuses ebenfalls schichtweise in der Wand der Einlaßstutzen generiert werden. Das kann beispielsweise dadurch geschehen, daß Kanäle für die Spulengänge freigehalten werden und in einem nächsten Schritt nach Ausspülen der nicht ausgehärteten Flüssigkeit in diesem Bereich mit einem elektrisch leitenden Material gefüllt werden.

Die Erfindung wird im folgenden anhand einer Zeichnung dargestellt.
In der einzigen Figur ist im Schnitt ein im RMPD-Verfahren schichtweise generiertes Zwei-Wege-Ventil dargestellt und mit dem Bezugszeichen 1 versehen.
Das Ventil 1 besteht aus einem Ventilgehäuse 2, welches aus einem lichtaushärtbaren Kunststoffmaterial aufgebaut ist. Das Ventilgehäuse 2 ist zylindrisch ausgestaltet und verfügt an den Zylinderstirnseiten jeweils über einen Einlaßstutzen 3 bzw. 4, deren Durchtrittsöffnungen miteinander fluchten.
Mittig zwischen den Stutzen 3 und 4 befindet sich in der Ventilgehäusewand der Auslaßstutzen 5, der senkrecht von der Mittellängsachse des Ventilgehäuses 2 abgeht.
In den Einlaßstutzen 3 und 4 sind – schematisch angedeutet – Magnetspulen 6 und 7 integriert, die bei Betätigung ein als Kugel 8 ausgestaltetes Schaltelement in eine Position bringt, in der es entweder den Einlaßstutzen 3 oder den Einlaßstutzen 4 verschließt. Zum dichten Verschluß ist der Sitz der Kugel 8 am jeweiligen Einlaßstutzen 3 oder 4 entsprechend der Kugel gestaltet, wobei der Durchmesser der Kugel mit dem Innendurchmesser des Ventilgehäuses 2 ebenfalls übereinstimmt.
Die Abmessungen des dargestellten Ventils liegen bei einer Länge von etwa 1 mm und einem Durchmesser von 0,5 mm und darunter, so daß sich ein Totvolumen von <0,05 μl ergibt.

Claims

Miniatur-Ventil, insbesondere Zwei-Wege-Ventil mit einem Ventilgehäuse, mindestens zwei Einlaßstutzen und einem Auslaßstutzen, einem Schaltelement, das mittels Spulen elektromagnetisch betätigbar ist und durch das alternativ einer der Einlaßstutzen verschließbar ist, gekennzeichnet durch seine Herstellung, bei der zunächst mit dem schichtweisen Aufbau des Ventilgehäuses (2) begonnen wird, wobei sukzessive dünne Schichten eines lichtaushärtbaren Kunststoffs gemäß den Schichten einer 3-D-Vorlage des Ventils (1) belichtet und ausgehärtet werden, bevor die halbe Höhe des Ventilgehäuses (2) erreicht ist, das vorgefertigte Schaltelement (8) in das Ventilgehäusefragment eingelegt wird und dann mit dem schichtweisen Aufbau des Ventilgehäuses (2) fortgefahren wird bis zur Fertigstellung des mit Einlaßstutzen (3,4) und Auslaßstutzen (5) versehenen Ventilgehäuses (2), wobei während des schichtweisen Aufbaus des Ventilgehäuses (2) die Spulen (6,7) in die Einlaßstutzen (3,4) integriert werden.
Miniatur-Ventil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Schaltelement (8) eine Stahlkugel ist, deren Durchmesser mit dem Ventilgehäuseinnendurchmesser übereinstimmt.
Miniatur-Ventil nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Spulen (6,7) während des schichtweisen Aufbaus des Ventilgehäuses (2) als vorgefertigte Teile eingesetzt werden.
Miniatur-Ventil nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Spulen (6,7) beim schichtweisen Aufbau des Ventilgehäuses (2) ebenfalls schichtweise in der Wand der Einlaßstutzen (3,4) generiert werden.