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Technisches
Gebiet
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Die
vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum strukturierten
Verkleben flächiger Bauteile.
Es soll insbesondere ein Verfahren angegeben werden, das es erlaubt,
strukturierte Bauteile schnell, kostengünstig und mit definierter Klebefuge zu
verkleben.
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Hintergrund
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Es
gibt unterschiedliche Verfahren zum Verkleben zweier oder mehrerer
Körper
zu einem Bauteil. Wesentliche Schritte hierbei sind das Aufbringen des
Klebers auf zumindest einen der zu verklebenden Bereiche, die definierte
Annäherung
der Körper sowie
Fixierung der Körper
zum Aushärten
des Klebers in der angenäherten
Position.
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a) Aufbringen des Klebstoffs
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Zum
Aufbringen des Klebers gibt es verschiedene Methoden. Die bekanntesten
darunter sind das Nadeldispensierverfahren, das sogenannte Ink Jet
drucken und das sogenannte Siebdruckverfahren.
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Bei
der Nadeldispensierung wird eine Kanüle mit geringem Abstand (ca
100μm) über die
zu verklebende Oberfläche
gefahren und der Kleber durch die Kanüle auf die Oberfläche gepresst.
Dies hat den grossen Nachteil, dass es sich hierbei um ein serielles
Verfahren handelt, d.h. das Aufbringen des Klebstoffs ist mitunter
sehr langwierig. Bei einer Klebelänge von einigen Metern dauert
dies sehr lange. Bei einer Klebelänge von ca 3 Metern können dies
beispielsweise durchaus zwischen 10 und 20 Minuten sein. Es wäre denkbar,
dieses Verfahren mit mehreren Nadeln zu parallelisieren. Allerdings
ist diese Art der Dispensierung schon mit einer Nadel relativ wartungsintensiv
und bei mehreren Nadeln einfach nicht mehr wirtschaftlich.
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Eine
etwas schnellere Lösung,
wenn auch nicht genügend
schnell, ist das Aufbringen des Klebers mittels Ink Jet Verfahren.
3 Meter Klebelänge können hier
innerhalb von 5–10
Minuten aufgebracht werden. Dabei erfolgt das Aufbringen durch tröpfchenweise
Applikation.
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Dies
führt zu
zwei wesentlichen Schwierigkeiten. Einerseits ist es technisch schwierig
und aufwendig, Tröpfchenvolumen
kleiner als 10nl zu realisieren. Die Feinheit der Klebespuren ist
damit limitiert, soll nicht ein erhöhter technischer Aufwand betrieben
werden. Andererseits resultiert aufgrund des portionierten Aufbringens
beim Zusammenfließen der
Tröpfchen
häufig
keine glatte Linie, was dieses Verfahren für einige Anwendungen ungeeignet macht.
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Das
Siebdruckverfahren ist ein bekanntes Verfahren zum Aufbringen von
Klebstoff auf zu verklebende Oberflächen. Hierbei wird ein Sieb,
beispielsweise ein Textilgewebe, maskiert und Klebstoff durch das
Gewebe hindurch auf die Oberfläche
des zu verklebenden Körpers
aufgetragen. Problematisch hierbei ist, dass die Verwendung einer
Klebstoffzusammensetzung mit Polymeren in der Praxis häufig zum
Verkleben und damit Verstopfen des beim Siebdruck verwendeten Gewebes
führt.
Aufgrund der Tatsache, daß eine
teilweise Aushärtung
d.h. Polymerisation des Klebstoffs oder das Verdunsten von Lösungsmittel
bereits am Sieb stattfindet, bilden sich Ablagerungen am Netz, weshalb
das Netz des Gewebes verstopft wird. Dies führt wiederum zum unvollständigen Auftrag
des Klebstoffes. Es gibt zwar Versuche, dieses Problem mit wässrigem
Klebstoff entgegenzutreten, wie beispielsweise in
EP 0 866 840 beschrieben. Allerdings
legen häufig
bereits die Anwendungen den zu verwendenden Klebstoff fest, so dass
ein Übergang
zu einer anderen Klebstoffart nicht ohne weiteres möglich ist.
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b) Definierte Annäherung der
Körper
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Ein
weiterer Schritt des definierten Verklebens besteht darin, die zu
verklebenden Körper
in definierter Art und Weise einander anzunähern. Geht es in manchen Anwendungen
lediglich darum, den einen Körper
an dem anderen festzumachen, so ist in anderen Anwendungen und insbesondere
wenn es um optische Bauteile geht, eine genau definierte Positionierung
des einen Körpers
zum anderen verlangt. Positionierung kann hierbei die relative Orientierung,
Ausrichtung, sowie der definierte Abstand der beiden Körper zueinander
nach Beendigung des Klebeprozesses bezeichnen. Es ist klar, dass
in dem meisten Fällen,
damit der Kleber seine verbindende Wirkung entfalten kann, dieser
zumindest in einem Bereich zwischen den zu verklebenden Flächen eine, wenn
auch möglicherweise
minimale, Dicke einnimmt. Diese Dicke wird jedoch häufig durch
die Anwendung spezifiziert. D.h. dass man beispielsweise mit einer
Klebefuge von konstant 2μm,
5μm oder 10μm verkleben
will.
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Um
diese definierte Klebefuge zu erreichen, müssen die Körper zunächst definiert einander angenähert werden.
Meistens, und insbesondere bei großen Flächen ist jedoch die Ausübung von
Druck notwendig, insbesondere auch dann, wenn der Annäherungsvorgang
relativ schnell gehen soll. Allerdings sind oftmals bei optischen
Komponenten bereits das Greifen der Komponenten und deren translatorische Manipulation
problematisch. Die Anwendung von mechanischem Druck mittels Werkzeugen
würde dann
zur unmittelbaren Schädigung
der optischen Oberflächen
führen.
In einigen Fällen
werden daher zur Annäherung
die Kapillarkräfte
und/oder der Schwerkraft ausgenutzt. Allerdings ist dieser Annäherungsprozess
langwierig und somit auch teuer.
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Es
wäre daher
wünschenswert
ein Verfahren zu finden, welches es erlaubt Körper in schonender Weise, jedoch
schneller als durch Kapillarkräfte
oder Schwerkraft erfolgend aneinander annähern zu können.
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c) Aushärteprozess
mit fixiertem Abstand
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Um
diese definierte Klebefuge zu verwirklichen, sollte der Annäherungsprozess
auf definierte Art und Weise gestoppt werden können. Außerdem ist es meistens notwendig,
während
des Aushärtens die
Körper
auf definiertem Abstand zu halten, denn einerseits dauert der Aushärteprozess
an und andererseits zeigen viele Klebstoffe die Eigenschaft ihr
Eigenvolumen während
des Aushärtens
zu verändern. Um
einen definierten Abstand während
des Aushärtens
zu erreichen, gibt es unterschiedliche Methoden. Einerseits können bereits
an einem oder mehreren der zu verklebenden Körper so genannte Abstandshalter
(fixe Spacer) vorgesehen sein. Kleber wird dann nicht auf die Abstandshalter
aufgebracht, aber beim Zusammenbringen der Körper kommen diese über die
Abstandshalter in Kontakt und definieren die Dicke der Klebefuge.
Allerdings bedeutet die Anbringung solche definierter Abstandshalter
an einem Körper
in der Herstellung einen Mehraufwand, was diesen Prozess teuer macht.
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Eine
andere Möglichkeit
ist es, sogenannte Abstandshalter-Kügelchen (Spacer balls) bereits
im Kleber vorzusehen. Diese Spacerballs mit einer im Wesentlichen
definierten Dicke werden direkt in den Kleber vermengt und mit diesem
auf die zu verklebende Fläche
aufgebracht.
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Wenn
die beiden Körper
dann aneinandergepresst werden nähern
sich diese bis zu einem Abstand, der dem Durchmesser der Spacerballs
entspricht. Anstelle von kugelförmigen
Abstandshaltern wie Spacerballs sind natürlich auch andere geometrische
Formen denkbar. Aus diesem Grund werden sie im Folgenden neutral
Spacerelemente genannt. Sowohl im Falle der Nadeldispension als
auch im Falle des Verklebens mittels Ink Jet Verfahren stellen solche
in den Klebstoff vermengte Spacer ein erhebliches Problem das, da
die Kanülen
oder die Kanäle
zu verstopfen drohen.
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Es
wäre daher
wünschenswert,
ein Verfahren zur Verfügung
zu haben, welches erlaubt solche Spacerelemente einzusetzen ohne
dass es zu den genannten Verstopfungsproblemen kommt.
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Aufgabe der
vorliegenden Erfindung
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Der
Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde ein Klebeverfahren anzugeben
das die oben genannten Probleme des Standes der Technik zumindest überwindet.
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Erfindungsgemäße Lösung
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Erfindungsgemäß besteht
die Lösung
darin, auf ein Verfahren überzugehen
welches auf dem der Fachwelt als Siebdruckverfahren bekannten Verfahren
aufbaut. Eine der Modifikationen des Verfahrens besteht darin, der
Klebesubstanz Partikel von einigen Mikrometern beizumengen. Versuche
haben ergeben, dass erstaunlicherweise hierbei das Gewebe nicht
vollständig
verstopft wird, sondern im Gegenteil der Siebdruck-Prozess erheblich
verbessert wird. Erstmals wird also hierbei problemlos, d.h. ohne
Verstopfungsprobleme das Siebdruckverfahren mit Klebstoffanwendung
realisiert.
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Ein
weiterer Aspekt liegt darin begründet, dass
die Dimensionen der eingemengten Partikel derart gewählt werden
können,
dass sie in der Klebstoffschicht als Spacerelemente wirken. Damit
wäre nicht
nur ein verbessertes Siebdruck-Verfahren angegeben, sondern gleichzeitig
dem Kleber ein für
die Einhaltung der Dicke der Klebefuge wichtiges Merkmal beigemengt
worden. In der folgenden Beschreibung werden die eingemengten Partikel
als "Spacerelemente" auch in den Fällen bezeichnet,
in denen sie nicht zur expliziten Einhaltung der Dicke der Klebefuge
führen
sollen.
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Ein
weiterer Aspekt der vorliegenden Erfindung liegt darin, dass ein
Verfahren zur beschleunigten Annäherung
der beiden zu verklebenden Körper angegeben
wird. Umfasst einer der Körper
nämlich bis
zum daran anzuklebenden anderen Körper durchgehende Löcher oder
gar Höhlen,
so kann der äussere
Bereich, an dem der eine Körper
an den anderen anliegen sollte, aussen abgedichtet werden und die
Löcher
und/oder Höhlen
einem Vakuum unterworfen werden. Durch den umgebenden atmosphärischen
Druck wird der eine Körper
dann gegen den anderen gepresst. Dies gleichmäßig und ohne dass weiter mechanisches
Werkzeug an die zu verklebenden Körper angelegt werden müsste.
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Beschreibung
der Erfindung
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Die
Erfindung wird nun beispielhaft mittels verschiedener Ausführungsformen
und anhand von Figuren detailliert beschrieben.
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Kurze Beschreibung
der Zeichnungen
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1 Siebdruck-Apparatur
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2 Siebdruck-Apparatur
mit Rakel auf halbem Weg
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3 Apparatur
zum Annähern
und fixieren zu verklebender Körper
in Explosionsansicht
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Detaillierte Beschreibung
der Erfindung
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Vier
Bestandteile sind für
das Siebdruckverfahren maßgeblich:
Das Printmedium, das Sieb mit Emulsionsbereichen (um die zu druckende
Struktur zu definieren), die Oberfläche eines Substrates auf die
gedruckt werden soll und ein Rakel, welches das Printmedium durch
das Sieb presst.
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Die 1 zeigt
eine schematische Ansicht der Bestandteile einer Siebdruckvorrichtung 1.
Das Sieb 3 umfasst Emulsionsbereiche 5, die am
Gewebe Bereiche festlegen, die für
das Printmedium nicht durchlässig
sind. Hierdurch wird letztlich die auf die Oberfläche des
Substrates zu druckende Struktur definiert. Im Beispiel wird ein
quadratischer Rahmen von 60 × 60cm
verwendet. Es können
aber durchaus auch größere oder
kleinere Rahmen verwendet werden. Die störungsfrei bedruckbaren Flächen werden dann
letztlich ca. zwei Drittel der Rahmengröße betragen. Das Sieb ist mittels
eines Rahmens, beispielsweise aus Aluminium, aufgespannt. Als Siebmaterialien
geeignet sind Polyestergewebe oder andere Textilfasergewebe oder
Stahlnetze, vorzugsweise aus Edelstahl. In dieser Beschreibung sollen
mit dem Begriff Gewebe sämtliche
Ausführungsformen des
Siebes umschreiben sein, also auch Stahlnetze und andere Gitter.
Mit "Faden" werden ganz allgemein
die das Gewebe aufbauenden Elemente bezeichnet. Das Sieb hat eine
für den
Prozess festgelegte Maschengröße. Es sind
Perioden von 60μm
bis 300μm
je nach Anwendung typisch. Im Beispiel wird ein Polyestergewebe
mit einer Fadenperiode von 100 × 100 μm2 gewählt,
mit einem Fadendurchmesser von ca 40μm. Allerdings können auch
andere Fadenstärken
zwischen 30μm
und 200μm
vorteilhaft eingesetzt werden, wobei die Fadenstärke natürlich wesentlich kleiner als
die Fadenperiode des Gewebes sein sollte. Die Dicke der Fäden bestimmt
in etwa die Dicke des auf die Oberfläche übertragenen Materials des Printmediums.
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Um
das Sieb 3 zu maskieren, wird eine photoempfindliche Emulsion
großflächig auf
das Sieb aufgetragen und durch eine Photomaske hindurch belichtet.
Bei der Emulsion kann es sich beispielsweise um positiven oder auch
negativen Photolack handeln. Beim positiven Photolack bleiben nach
Entwicklung diejenigen Bereiche stehen, die nicht belichtet wurden
während
diejenigen Bereiche abgetragen werden, die durch die Photomaske
hindurch belichtet wurden. Beim negativen Photolack ist dies genau umgekehrt.
Als Ergebnis bleibt in beiden Fällen
ein Gewebe zurück,
das mit der Emulsion versiegelte Bereiche enthält, durch die kein Printmedium
hindurchgepresst werden kann, wohingegen das Printmedium durch die
Bereiche hindurch dringen kann, die frei von Emulsion sind. Auch
die Emulsion hat einen Einfluss auf die Dicke des auf die Oberfläche des zu
bedruckenden Substrates aufgebrachten Mediums. Durch diese Emulsion
nimmt die Dicke um bis zu 50% zu. Mit einem solchen Verfahren sind
Strukturen zu realisieren deren kleinste Bestandteile ca 3 mal der
Maschengröße des verwendeten
Siebes entsprechen können.
Bei kleineren Strukturen werden die Maschen zumindest für manche
Anwendungen das Druckbild stören.
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Als
Printmedium 9 eignet sich erfindungsgemäß ein mit Spacerelementen vermengter
Epoxyharz Klebstoff. Der Klebstoffanteil kann aber auch ein UV-
härtender,
thermisch härtender
oder aus mehreren Komponenten chemisch aushärtender, oder durch Verdunstung
von Lö sungsmitteln
aushärtender Klebstoff
sein. Im Beispiel werden Glaskugeln mit einem Durchmesser von 5μm verwendet.
Andere Größen, die
bis ca 80% der Maschenöffnung
betragen, sind vernünftig
einsetzbar. Vorzugsweise übersteigt die
maximale Dimension der Spacerelemente jedoch nicht 30% der minimalen
Dimension der durch die Maschen definierten Lücken. Bei der Frage, in welcher
Konzentration die Spacerelemente vermengt werden sollten muss beachtet
werden, dass eine zu hohe Spacerelement-Konzentration zu einem Verklumpen
der Spacerelemente und damit zum Verstopfen des Gewebes führen kann.
Vorteilhafte Konzentrationen liegen zwischen 0.5% und 80%. Bei Spacerkugeln
liegt der bevorzugte Wert bei 5%.
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Zur
Durchführung
des Siebdruckverfahrens wird das im Rahmen 7 aufgespannte
Sieb 3 ca 5–10cm über der
zu bedruckenden Oberfläche
des Substrates 13 angeordnet. Zur Ausrichtung des Siebes 3 gegenüber dem
Substrat 13 wird eine Kamera zwischen Substrat 13 und
Sieb 3 eingefahren (hier nicht dargestellt) und beispielsweise
mittels einer Teilerprismenanordnung die relative Lage des Siebes 3 zum
Substrat 13 kontrolliert und gegebenenfalls korrigiert.
Nach erfolgter Ausrichtung wird die Kamera entfernt und das Sieb
bis auf einen Abstand zwischen 0.5mm–5mm, vorzugsweise bis auf
2 mm herangefahren.
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Anschliessend
wird als Printmedium 9 der mit Spacerelementen vermengte
Klebstoff, vorzugsweise Epoxy, auf das Sieb 3 aufgebracht.
Mittels einer Rakel 11 wird dann mit Druck über das
Gewebe hinweggestrichen und dadurch der Klebstoff zusammen mit den
in ihm vermengten Spacerelementen durch das Gewebe gepresst. Der
Druck wird ausreichend hoch gewählt,
so dass das Gewebe an der Stelle, an der das Rakel das Gewebe berührt, wie
in 2 gezeigt, auf die darunter liegende, zu bedruckende
Oberfläche
gedrückt
wird. Typische Druckstärken
bewegen sich im Bereich von 0.2N/cm. Es wird hier eine Angabe Kraft
pro Zentimeter verwendet, da die Rakel in der Regel ein spachtelartiges
Gebilde ist. In der 2 sind die Bereiche des Substrates 13 strukturiert
mit Klebstofffilm 15 bedruckt dargestellt, über die
bereits die Rakel hinweg gefahren ist.
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Für die Art
und Weise, wie die Rakel über das
Gewebe gefahren wird, gibt es unterschiedliche Ansätze. Typischerweise
reicht es aus, einmal die Rakel über
das Gewebe zu führen.
Es sind aber durchaus Doppelrakel-Techniken im Einsatz, bei der die
Rakel eine Hin- und Zurückbewegung
ausführt.
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Nach
Aufbringen eines strukturierten Klebefilmes auf die Oberfläche eines
Körpers
müssen
die beiden zu verklebenden Oberflächen einander angenähert werden.
Soll eine Oberfläche
strukturiert verklebt werden, so steht der Fachmann in der Regel
vor der Aufgabe, genau definierte Klebefugen zu realisieren. Dies
bedeutet, es muss die Breite und auch die Dicke der Klebschicht
definiert sein. Außerdem
sind, insbesondere bei optischen Anwendungen, Blaseneinschlüsse zu vermeiden.
Blaseneinschlüsse
entstehen in der Regel durch das Siebdruck Verfahren selbst, sowie
durch die Annäherungsbedingungen der
beiden Körper.
Wie die Erfinder festgestellt haben, lassen sich Blaseneinschlüsse nicht
lediglich dadurch vermeiden, dass der aufgebrachte Klebstofffilm
auf 30°C
bis 80°C,
vorzugsweise 60°C
erhitzt wird. Es ist nämlich
die weitere Bedingung zu erfüllen,
dass das Verhältnis
von aufgebrachter Filmbreite zu aufgebrachter Filmdicke das Verhältnis von
20:1, zumindest in einer Dimension nicht übersteigt. D.h. es können sehr
lange Streifen aufgetragen werden, solange die Breite des Steffens
nicht mehr als das 20fache der Dicke des Streifens beträgt. Ein
Aufheizen des Klebstoffs führt
dann aufgrund der Oberflächenspannung
zu einem einem Ausgasen der Blasen. Ausserdem führt die oben beschriebene geometrische
Wahl in einer Dimension zu einem konvexen Gebilde, bei dem bei Aufbringen
des zu verklebenden zweiten Körpers
im Wesentlichen keine Blaseneinschlüsse auftreten. Werden nun die
beiden Körper in
genau definierter Art und Weise aneinander angenähert und schliesslich aneinandergepresst,
so nähern
sich diese bis zu dem Abstand, bei dem die Spacerelemente eine weitere
Annäherung
verhindern. Im Beispiel sind dies wie oben erwähnt 5μm.
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Allerdings
muss bei der Annäherung
darauf geachtet werden, dass, falls Druck ausgeübt wird, dieser möglichst
gleichmäßig ausgeübt wird.
Sollen optisch präzise
Körper
mit optischer Oberfläche
miteinander verklebt werden, so kann in vielen Fällen nicht einfach mittels
eines Werkzeuges Druck auf die zu verklebenden Körper ausgeübt werden. Aus diesem Grund
ist ein weiterer Aspekt der vorliegenden Erfindung einem Verfahren
gewidmet, das die vorteilhafte Annäherung der beiden Körper ermöglicht.
Ein solches Verfahren ist dann möglich,
wenn lediglich einer der beiden Körper derart strukturiert ist,
dass relativ homogen verteilte Kanäle den Zugang zur Oberfläche des
anderen Körpers
erlauben. 3 zeigt schematisch den Aufbau.
Erfindungsgemäß wird der mit
einem Klebstofffilm 103 versehene strukturierte Körper 105 auf
einem Klebehalter 107 formschlüssig abgelegt. Im Klebehalter
sind Kanäle
vorgesehen, die über
ein Ventil wahlweise an eine Druckpumpe oder an eine Vakuumpumpe angeschlossen
sind. Zunächst
wird mittels der Druckpumpe ein Gasstrom erzeugt. Anschließend wird
der zu verklebende zweite Körper 110 an
den Klebstofffilm angenähert.
Durch den Gasstrom entsteht ein Gaspolster auf dem der zweite Körper berührungsfrei
ruhen kann. In der Regel wird hierbei der so genannte Bernoulli-Effekt
wirksam. Wird nun der Gasstrom langsam bis auf null verringert,
so wird der zweite Körper
auf den ersten definiert abgesenkt. Die Kanäle sind nun durch den Klebstofffilm
und den zweiten Körper 110 gegenüber der
Umgebung abgedichtet. Im Folgenden werden die Kanäle an die
Vakuumpumpe angeschlossen. Öffnet
man nun das Ventil der Vakuumpumpe, so wird Luft aus den Kanälen gepumpt
und es entsteht ein Unterdruck. Da die Kanäle alle miteinander verbunden
sind, entsteht ein überall
gut ausgeglichener Unterdruck. Durch den äußeren Luftdruck wird auf diese
Weise der zweite Körper 110 sehr
gleichmäßig gegen
den strukturierten Körper 105 gepresst,
ohne dass auf den zweiten Körper über ein
weiteres Werkzeug Druck ausgeübt
werden müsste.
In einer bevorzugten Ausführungsform
ist am äußeren Rand
zwischen dem strukturierten Körper 105 und
dem zweiten Körper 110 ein
Dichtungsring 113 vorgesehen, der verhindert, dass der
Umgebungsluftdruck direkt auf die Klebstofffilme an den äußeren Bereiche
Substrates wirkt und diesen womöglich
nach innen drückt.
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Dieses
Drucksystem lässt
sich natürlich
abwandeln. Beispielsweise kann der Basiskörper 107 Bodenteil
einer Druckkammer in der der strukturierte Körper 103, der zweite
Körper 110 und
gegebenenfalls der Dichtungsring 113 unter Druck gesetzt
werden und der Kanal 115 am Basisköper zu umgebenden Atmosphäre führt und
damit für
Luftdruck in den Kanälen
sorgt.