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Die vorliegende Erfindung betrifft einen teilweise perforierten mikrostrukturierten Formkörper, wie er beispielsweise zur Kultivierung von biologischen Zellen oder als Siebstruktur verwendet werden kann. Im Weiteren betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Herstellung eines solchen Formkörpers.
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Die
DE 102 03 250 C1 zeigt ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Mikrostrukturierung von Polymerfolien. Die zu strukturierende Folie wird auf eine Temperatur unterhalb des Glaspunktes des Folienmaterials vorgeheizt und zusammen mit zumindest einer eine Prägestruktur aufweisenden Werkzeugplatte zwischen zwei auf eine Temperatur oberhalb des Glaspunktes aufgeheizten Walzen hindurchgeführt. Die Walzen werden gleichzeitig gegeneinander gedrückt, um die Prägestruktur in die Folie einzuprägen. Die Werkzeugplatte wird nach einer Abkühlung wieder von der Folie getrennt.
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Aus der
DE 10 2007 050 976 A1 ist ein Verfahren zur Umformung einer Folie bekannt, bei welchem die umzuformende Folie fest mit einer Formkulisse, die mindestens einen Durchbruch aufweist, verbunden wird. Anschließend werden Bereiche der umzuformenden Folie einer physikalischen oder chemischen Modifikation unterworfen. Die mit der Formkulisse verbundene Folie wird in ein Formwerkzeug eingelegt und mit einem Druckmedium beaufschlagt, welches die Folie in den Durchbruch der Formkulisse einformt.
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Die
DE 10 2004 035 267 B3 zeigt einen mikrostrukturierten Formkörper und ein Verfahren zu dessen Herstellung. Der Formkörper besteht aus einer Folie, in die mindestens eine Hohlstruktur eingebracht ist. Die Hohlstruktur weist bevorzugt eine Omega-Struktur auf. Der gesamte Formkörper, d. h. sowohl die Folie als auch die Hohlstrukturen weisen eine Vielzahl von Poren auf, deren Durchmesser bevorzugt einen Wert zwischen 10 nm und 10 μm annimmt. Die Poren sind statistisch über den gesamten Formkörper, d. h. über die Folie und die Hohlstrukturen verteilt, wobei es vorkommen kann, dass sich einzelne Poren überlappen. Die
7 der
DE 10 2004 035 267 B3 lässt deutlich erkennen, dass die Poren sowohl in der Hohlstruktur als auch in unverformten Bereichen der Folie ausgebildet sind. Zur Einbringung der Poren wird die Folie mit einer ionisierenden Strahlung beaufschlagt. Die Ionen hinterlassen latent vorhandene Spuren, welche durch einen Ätzvorgang zu Poren führen. Ein Nachteil dieser Lösung besteht zunächst darin, dass die Poren im gesamten Formkörper ausgebildet sind. Um zu verhindern, dass die Poren im gesamten Formkörper gebildet werden, wird ferner vorgeschlagen, eine Maske zu verwenden, um die Bestrahlung mit Ionen auf bestimmte Bereiche der Folie zu begrenzen. Die Maske muss die mit Poren zu versehenden Bereiche exakt abbilden, wodurch ein erhöhter Aufwand erforderlich ist.
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Die Aufgabe der Erfindung besteht ausgehend vom Stand der Technik darin, einen mikrostrukturierten Formkörper sowie ein Verfahren zu dessen Herstellung bereitzustellen, welcher nur teilweise perforiert ist und aufwandsarm herstellbar ist.
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Die genannte Aufgabe wird durch ein Verfahren zur Herstellung eines teilweise perforierten mikrostrukturierten Formkörpers gemäß dem beigefügten Anspruch 1 gelöst. Die Aufgabe wird weiterhin durch einen mikrostrukturierten Formkörper gemäß dem beigefügten nebengeordneten Anspruch 6 gelöst.
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Das erfindungsgemäße Verfahren dient der Herstellung eines mikrostrukturierten Formkörpers, welcher beispielsweise zur Kultivierung von biologischen Zellen oder als Siebstruktur verwendet werden kann. Der herzustellende Formkörper ist teilweise perforiert, d. h. dass nur einige Bereiche des Formkörpers Poren aufweisen. Das erfindungsgemäße Verfahren umfasst zunächst einen Schritt, bei welchem eine verformbare Folie bereitgestellt wird. Die Dicke der Folie kann weitgehend beliebig gewählt werden, beispielsweise im Bereich zwischen 1 μm und 1 mm. In einem weiteren Schritt des erfindungsgemäßen Verfahrens wird die Folie partiell verstreckt, beispielsweise dadurch, dass einige Bereiche der Folie ausgedehnt werden, indem diese Bereiche in eine auszufüllende Hohlform gepresst werden. Es entstehen Verstreckungsbereiche, in denen die Folie eine verringerte Dicke aufweist. Die verringerte Dicke wird in vielen Fällen innerhalb des Verstreckungsbereiches nicht konstant sein, sondern sich hin zu einem Bereich der maximalen Verstreckung verringern. Das Beschränken des Verstreckens auf einige Bereiche der Folie führt dazu, dass unverformte Bereiche der Folie erhalten bleiben. In diesen unverformten Bereichen hat sich die Dicke der Folie nicht oder nur unwesentlich verändert. Das erfindungsgemäße Verfahren umfasst weiterhin einen Schritt, bei welchem Mikrostrukturen in zumindest einigen der verdünnten Verstreckungsbereiche der Folie ausgeformt werden. Bei den Mikrostrukturen kann es sich beispielsweise um Omega-Strukturen oder um Kanäle handeln. Das partielle Verstrecken der Folie und das Ausformen von Mikrostrukturen können gemeinsam erfolgen, beispielsweise indem die Folie in eine auszufüllende Hohlform gepresst wird. Erfindungsgemäß werden Poren in zumindest einem der verdünnten Verstreckungsbereiche der Folie erzeugt, während zumindest einige der unverformten Bereiche undurchlässig bleiben. Die unverformten Bereiche der Folie bleiben undurchlässig, da in diesen Bereichen keine durchgehenden Poren erzeugt werden. Bevorzugt bleiben alle unverformten Bereiche der Folie undurchlässig. Auch werden die Poren bevorzugt in allen der verdünnten Verstreckungsbereiche der Folie erzeugt, insofern diese Bereiche eine Dicke aufweisen, die kleiner als eine Grenzdicke ist, und insofern diese Bereiche nicht verdeckt oder in anderer Weise unzugänglich sind.
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Ein besonderer Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens besteht darin, dass ein partielles Perforieren, d. h. ein beschränktes Erzeugen von Poren, allein dadurch ermöglicht ist, dass die Folie partiell verstreckt wird, wodurch die Folie Bereiche mit unterschiedlichen Dicken aufweist. Die Unterschiedlichkeit der Dicke der Folie wird ausgenutzt, um die Perforation der Folie auf einige Bereiche der Folie zu beschränken. Hingegen bleiben die unverformten Bereiche der Folie nahezu oder vollständig undurchlässig.
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Das Erzeugen der Poren in dem zumindest einen der verdünnten Vollstreckungsbereiche erfolgt bevorzugt dadurch, dass ein Perforationsverfahren zur Erzeugung von Poren auf zumindest einige der unverformten Bereiche und auf zumindest einige der verdünnten Verstreckungsbereiche der Folie angewendet wird, wobei Parameter des Perforationsverfahrens so gemessen werden, dass Poren in den unverformten Bereichen nicht entstehen. Das Perforationsverfahren wird bevorzugt auf die gesamte Folie angewendet. Ein oder mehrere Parameter des Perforationsverfahrens, wie beispielsweise eine Intensität oder eine Kraft werden so bemessen, dass vollständige Poren nur in Bereichen der Folie entstehen, deren Dicke kleiner als die Grenzdicke ist. Bereiche der Folie, die eine Dicke aufweisen, die mindestens so groß wie die Grenzdicke ist, können durch das Perforationsverfahren mit den gewählten Parametern nicht oder zumindest nicht vollständig durchstoßen werden, sodass keine durchgehenden Poren entstehen. Bei dem Perforationsverfahren kann es sich um ein beliebiges mechanisches oder chemisches Verfahren handeln, welches zur Erzeugung von Poren einer Folie geeignet ist und derart eingestellt werden kann, dass die Porenentstehung von der Dicke der Folie abhängig ist.
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Das Perforationsverfahren umfasst bevorzugt einen Teilschritt, bei welchem die einigen der unverformten Bereiche und der zumindest eine der verdünnten Verstreckungsbereiche der Folie mit einer ionisierenden Strahlung bestrahlt werden, wodurch Ionendurchschüsse in der Folie erzeugt werden. Die Intensität der ionisierenden Strahlung wird so bemessen, dass nur in den der Bestrahlung ausgesetzten verdünnten Verstreckungsbereichen vollständige Ionendurchschüsse entstehen. In den unverformten Bereichen der Folie, deren Dicke größer als die Grenzdicke ist, gelangen die Ionen nicht vollständig durch die Folie, sodass keine durchgängigen Ionendurchschüssen entstehen. Die Ionen werden bereits in der Oberfläche der Folie oder in einem mittleren Bereich der Folie aufgehalten, sodass allenfalls Ioneneinschüsse entstehen. Die Ionendurchschüsse führen dazu, dass eine Struktur des Werkstoffs der Folie im Bereich des jeweiligen Ionendurchschusses über die gesamte Dicke der Folie zerstört wird. In einem weiteren Schritt des Perforationsverfahrens wird die Folie geätzt, beispielsweise dadurch, dass die Folie in ein Ätzbad gelegt wird. Das Ätzen der Folie führt dazu, dass der Werkstoff der Folie im Bereich der Ionendurchschüsse entfernt wird, sodass durchgängige Poren mit einem Durchmesser von beispielsweise 2 μm entstehen.
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Bei einer besonderen Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens wird beim Bestrahlen der Folie die Folie mit einer Maske bedeckt, um die mit Poren zu versehenden Bereiche zusätzlich zu beschränken. Mit der Maske kann beispielsweise verhindert werden, dass Poren in ausgewählten der verdünnten Verstreckungsbereiche, die eine Dicke aufweisen, die kleiner als die Grenzdicke ist, entstehen. Die Maske ist erfindungsgemäß jedoch nicht notwendig, um zu gewährleisten, dass Poren in den unverformten Bereichen der Folie nicht entstehen.
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Das partielle Verstrecken und das Ausformen der Mikrostrukturen in der Folie erfolgt bevorzugt durch einen thermoplastischen Verformungsvorgang. Der thermoplastische Verformungsvorgang erfordert, dass ein Thermoplast als Material für die Folie verwendet wird. Die Folie ist zwischen eine erste Formhälfte und eine zweite Formhälfte zu legen. Die zweite Formhälfte weist eine makrostrukturierte Hohlform auf, in welcher mikrostrukturierte Hohlforen ausgebildet sind. Die erste Formhälfte ist gegenüber der Folie abzudichten, wodurch ein abgetrennter Hohlraum zwischen der ersten Formhälfte und der Folie entsteht. Die erste Formhälfte und die zweite Formhälfte sind mit der dazwischen befindlichen Folie zusammenzupressen. Das Abdichten der ersten Formhälfte gegenüber der Folie und das Zusammenpressen der ersten Formhälfte und der zweiten Formhälfte können gemeinsam erfolgen, beispielsweise dadurch, dass die Folie gegen eine Dichtung auf der ersten Formhälfte gepresst wird. In einem weiteren Teilschritt wird die Folie bis mindestens zu einer Glasübergangstemperatur des Thermoplasts erwärmt, sodass die Folie thermoplastisch verformbar wird. Es wird ein Überdruck zwischen der ersten Formhälfte und der Folie erzeugt, wodurch die Folie in die makrostrukturierte Hohlform und in die mikrostrukturierten Hohlformen gepresst wird. Dies führt gleichzeitig dazu, dass die Folie verstreckt wird. Die Verstreckung ergibt sich insbesondere durch die Makrostruktur, die zu einer deutlichen Dehnung der Folie führt. Die makrostrukturierte Hohlform kann im einfachsten Fall quaderförmig ausgebildet sein, wobei das Ausformen der Quaderform insbesondere dazu dient, die zu verformenden Bereiche der Folie aus der ursprünglichen Position herauszuziehen, wodurch die zu verformenden Bereiche gedehnt und verstreckt werden, sodass es zu einer Ausdünnung kommt. Bereiche der Folie, die außerhalb der makrostrukturierten Hohlform angeordnet sind, werden nicht verformt. Dabei kann es sich beispielsweise um einen rechteckartigen Begrenzungsrahmen handeln, welcher die quaderförmige Hohlform begrenzt. In einem weiteren Teilschritt ist die Folie abzukühlen, sodass die Temperatur der Folie unter die Glasübergangstemperatur des Thermoplasts sinkt und die Folie ihre erhaltene Form beibehält.
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Der erfindungsgemäße mikrostrukturierte Formkörper umfasst zunächst eine Folie, aus welcher er im einfachsten Fall vollständig gebildet ist. Die Folie ist in unverformte Bereiche und in verdünnte Verstreckungsbereiche geteilt. Die Folie kann beispielsweise eine rechteckige Grundform aufweisen, deren Rahmen unverformt ist, während ein rechteckförmiger Innenbereich verstreckt ist und eine geringere Dicke aufweist. Zumindest in einigen der verdünnten Verstreckungsbereiche sind Mikrostrukturen ausgebildet. Beispielsweise können die Mikrostrukturen matrixartig im rechteckförmigen Innenbereich der Folie angeordnet sein. Zumindest in einem der verdünnten Verstreckungsbereiche sind Poren ausgebildet. Bei den Poren handelt es sich um Löcher, welche beispielsweise einen Durchlass von Gasen oder Flüssigkeiten ermöglichen. Zumindest einige der unverformten Bereiche weisen keine Poren auf und sind dadurch undurchlässig. Bevorzugt weist keiner der unverformten Bereiche Poren auf, wodurch die unverformten Bereiche sämtlich undurchlässig sind.
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Ein besonderer Vorteil des erfindungsgemäßen mikrostrukturierten Formkörpers besteht darin, dass er in einem hohen Maße an die vorgesehene Anwendung angepasst sein kann, insbesondere dadurch, dass er nur dort Poren aufweist, wo diese erforderlich sind, und folglich keine Poren dort aufweist, wo sie ggf. die vorgesehene Anwendung beeinträchtigen.
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Bei einer bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen mikrostrukturierten Formkörpers ist die Verdünnung in den Verstreckungsbereichen der Folie beginnend an den Rändern der unverformten Bereiche bis in die Mikrostrukturen zunehmend ausgebildet. Die Poren sind nur in denjenigen Regionen der verdünnten Verstreckungsbereiche vorhanden, die eine Dicke aufweisen, die kleiner als die Grenzdicke ist. Folglich kann es auch Regionen der verdünnten Verstreckungsbereiche geben, die keine Poren aufweisen, da die Dicke der Folie in diesen Regionen mindestens so groß wie die Grenzdicke ist. Es kann weiterhin Regionen der verdünnten Verstreckungsbereiche geben, die eine Dicke aufweisen, die kleiner als die Grenzdicke ist, jedoch keine Poren aufweisen, da diese Regionen beispielsweise verdeckt angeordnet sind. Je nach gewähltem Herstellungsverfahren können die unverformten Bereiche und diejenigen Regionen der verdünnten Verstreckungsbereiche, die keine Poren aufweisen, Ansätze von Poren, beispielsweise in Form von winzigen Kratern aufweisen. Die Ansätze der Poren bilden jedenfalls keine durchgängigen Poren aus.
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Bei einer bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen mikrostrukturierten Formkörpers weisen nur einige Teilbereiche der Mikrostrukturen Poren auf. Dies ist dadurch bedingt, dass diese Teilbereiche der Mikrostrukturen eine Dicke aufweisen, die kleiner als die Grenzdicke ist, während andere Teilbereiche der Mikrostrukturen eine Dicke aufweisen, die mindestens so groß wie die Grenzdicke ist. Bei dieser Ausführungsform des erfindungsgemäßen mikrostrukturierten Formkörpers sind die Poren nur in denjenigen Teilbereichen der Mikrostrukturen vorhanden, in denen sie für die beabsichtigte Anwendung benötigt werden.
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Der erfindungsgemäße mikrostrukturierte Formkörper ist bevorzugt derart ausgeführt, dass Teilbereiche der Mikrostrukturen, die durch andere Teilbereiche der Mikrostrukturen verdeckt sind, undurchlässig sind, da sie keine Poren aufweisen. Die Ausbildung der Mikrostrukturen führt dazu, dass die verschiedenen Teilbereiche der Mikrostrukturen unterschiedliche Orientierungen aufweisen. Einige der Teilbereiche weisen eine Orientierung senkrecht zur Orientierung der gesamten Folie auf. Aus einem Blickwinkel senkrecht zur Haupterstreckungsfläche der Folie sind daher nicht alle Teilbereiche der Mikrostrukturen erkennbar, da sie beispielsweise wegen der senkrecht ausgerichteten Orientierung oder auch durch andere Teilbereiche der Mikrostrukturen verdeckt sind. Die verdeckten Teilbereiche der Mikrostrukturen weisen keine Poren auf, was einerseits durch die Herstellung bedingt sein kann und andererseits einer individuell an die vorgesehene Anwendung angepassten Ausführung dienen kann.
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Bei einer bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen mikrostrukturierten Formkörpers sind die verdünnten Verstreckungsbereiche innerhalb einer Makrostruktur der Folie ausgebildet. Die Makrostruktur kann beispielsweise die Form eines Quaders oder eines Zylinders aufweisen, wobei die verdünnten Verstreckungsbereiche insbesondere im Bereich der Grundfläche des Quaders bzw. des Zylinders ausgebildet sind. Die Makrostruktur kann insbesondere dazu dienen, den mikrostrukturierten Formkörper in einen unverformten Bereich außerhalb der Makrostruktur und in einen verdünnten Verstreckungsbereich innerhalb der Makrostruktur zu teilen.
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Weitere Vorteile, Einzelheiten und Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung mehrerer Ausführungsformen der Erfindung, unter Bezugnahme auf die Zeichnung. Es zeigen:
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1: eine bevorzugte Ausführungsform eines erfindungsgemäßen mikrostrukturierten Formkörpers in einer Schnittansicht;
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2: ein Detail des in 1 gezeigten mikrostrukturierten Formkörpers;
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3: eine Mikrostruktur des in 1 gezeigten Formkörpers;
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4: ein Detail der in 3 gezeigten Mikrostruktur mit Poren;
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5: ein Detail der in 3 gezeigten Mikrostruktur mit Kratern;
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6: ein erster Schritt einer bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Herstellung eines teilweise perforierten mikrostrukturierten Formkörpers;
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7: ein zweiter Schritt der bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens;
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8: ein dritter Schritt der bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens;
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9: ein vierter Schritt der bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens;
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10: ein fünfter Schritt der bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens;
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11: ein sechster Schritt der bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens;
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12: ein siebter Schritt der bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens; und
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13: ein achter Schritt der bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens.
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1 zeigt eine bevorzugte Ausführungsform eines erfindungsgemäßen mikrostrukturierten Formkörpers 01 in einer Schnittansicht. Der erfindungsgemäße mikrostrukturierte Formkörper 01 ist durch eine Folie aus Polycarbonat gebildet. Der mikrostrukturierte Formkörper 01 weist eine Makrostruktur 02 und Mikrostrukturen 03 auf. Die einzelnen Mikrostrukturen 03 bilden Kavitäten aus, die matrixförmig angeordnet sind. Die durch die Mikrostrukturen 03 gebildeten Kavitäten dienen der Kultivierung von biologischen Zellen. Die Makrostruktur 02 führt dazu, dass der Bereich der Mikrostrukturen 03 versetzt angeordnet ist. Ein durch einen Kreis gekennzeichnetes Detail 06 des erfindungsgemäßen mikrostrukturierten Formkörpers 01 ist in 2 gezeigt. Der mikrostrukturierte Formkörper 01 weist außerhalb der Makrostruktur 02 und außerhalb der Mikrostrukturen 03 einen unverformten Bereich 07 auf.
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2 zeigt das Detail 06 des in 1 gezeigten mikrostrukturierten Formkörpers 01. Im unverformten Bereich 07 weist die den mikrostrukturierten Formkörper 01 bildende Folie eine Dicke von etwa 100 μm auf. Die Folie 01 ist durch die Makrostruktur 02 und durch die die Mikrostrukturen 03 bildenden Kavitäten verstreckt, wodurch die Dicke der Folie 01 beginnend von dem unverformten Bereich 07 über die Makrostruktur 02 bis in die Kavitäten 03 hinein kontinuierlich abnimmt. In einem unteren Bereich 08 der gezeigten Kavität 03, welcher zur Veranschaulichung durch eine schraffierte Fläche markiert ist, beträgt die Dicke der Folie 01 nur einen Bruchteil der Dicke der Folie 01 im unverformten Bereich 07.
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3 zeigt die in 2 gezeigte Mikrostruktur 03 in einer weiteren Detailansicht. Die Dicke der Folie 01 nimmt auch noch innerhalb der Kavität 03 deutlich ab. Ein durch einen Kreis markierter Bereich 09 der Kavität 03 ist im Detail in 4 gezeigt. Ein durch einen Kreis markierter Bereich 11 der Kavität 03 ist im Detail in 5 gezeigt.
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4 zeigt den Bereich 09 der in 3 gezeigten Kavität 03 im Detail. Die Folie 01 ist in einem Bereich der Kavität 03 im Schnitt gezeigt, in welchem die Dicke der Folie 01 minimal ist. In diesem Bereich weist die Folie 01 eine Vielzahl an Poren 12 auf. Die Poren 12 können beispielsweise dem Durchlass von Gasen oder Flüssigkeiten dienen. Die Poren 12 weisen einen Durchmesser von etwa 2 μm auf.
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5 zeigt den Bereich 11 der in 3 gezeigten Kavität 03 im Detail. In dem Bereich 11 besitzt die Folie 01 eine in der Kavität 03 maximal auftretende Dicke. In dem Bereich 11 sind Krater 13 ausgebildet, welche durch Ansätze von Poren gebildet sind. Jedenfalls sind die Krater 13 nicht durchgängig, sodass Flüssigkeiten oder Gase, welche in die Krater 13 eintreten, nicht durch die Folie 01 gelangen können.
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6 zeigt einen ersten Schritt einer bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Herstellung eines teilweise perforierten mikrostrukturierten Formkörpers. Im ersten Schritt der bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens werden eine erste Formhälfte 21 und eine zweite Formhälfte 22 sowie eine verformbare Folie 23 bereitgestellt. Die ersten Formhälfte 21 und die zweite Formhälfte 22 bestehen aus einem festen temperaturbeständigen Material, wie beispielsweise Glas oder Metall. Die erste Formhälfte 21 weist gegenüber der Folie 23 eine Ausnehmung 24 auf, um einen Hohlraum zwischen der Folie 23 und der ersten Formhälfte 21 schaffen zu können. Dieser durch die Ausnehmung 24 gebildete Hohlraum kann mithilfe von Dichtelementen 26 gegenüber der Folie 23 abgedichtet werden. In der ersten Formhälfte 21 ist ein erster Kanal 27 ausgebildet, welcher vom äußeren der ersten Formhälfte 21 zur Ausnehmung 24 führt. Die zweite Formhälfte 22 weist eine durch eine Ausnehmung gebildete makrostrukturierte Hohlform 28 auf. Die makrostrukturierte Hohlform 28 weist im Wesentlichen die Form eines flachen Quaders auf. Innerhalb der makrostrukturierte Hohlform 28, nämlich in einer Grundfläche der Quaderform der makrostrukturierte Hohlform 28 sind mikrostrukturierte Hohlformen 29 ausgebildet. Die makrostrukturierte Hohlform 28 und die mikrostrukturierten Hohlformen 29 bilden eine Negativform des herzustellenden mikrostrukturierten Formkörpers. Bei den mikrostrukturierten Hohlformen 29 handelt es sich um Vertiefungen mit einem Durchmesser von etwa 300 µm. Übliche Mikrostrukturen weisen Abmessungen im Bereich von einigen µm bis einigen mm auf. In der zweiten Formhälfte 22 ist ein zweiter Kanal 31 ausgebildet, welcher vom äußeren der zweiten Formhälfte 22 zu einem mit der Folie 23 in Kontakt tretenden Bereich der zweiten Formhälfte 22 führt.
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Die Folie 23 besteht aus Polycarbonat. Als Material für die Folie 23 eignen sich auch andere thermoplastische Polymere.
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7 zeigt einen zweiten Schritt der bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens. Die erste Formhälfte 21 und die zweite Formhälfte 22 werden mit der dazwischen angeordneten Folie 23 aufeinander zu gepresst. Hierdurch wird die Folie 23 gegen die Abdichtung 26 gepresst, wodurch in der Ausnehmung 24 ein abgedichteter Hohlraum entstanden ist. Über den Kanal 27 wird ein großer Unterdruck in dem in der Ausnehmung 24 gebildeten Hohlraum erzeugt, sodass dort ein technisches Vakuum vorhanden ist. In gleicher Weise wird über den zweiten Kanal 31 ein großer Unterdruck zwischen der zweiten Formhälfte 22 und der Folie 23 geschaffen, wodurch in der durch eine Ausnehmung gebildeten Makrostruktur 28 ebenfalls ein technisches Vakuum vorhanden ist.
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Die erste Formhälfte 21 und die zweite Formhälfte 22 werden erwärmt, wodurch auch die Folie 23 erwärmt wird.
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8 zeigt einen dritten Schritt der bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens. Durch das Erwärmen der ersten Formhälfte 21 und der zweiten Formhälfte 22 hat die Folie 23 eine Temperatur erreicht, welche über der Glasübergangstemperatur des Polycarbonats von etwa 160°C liegt. Die Folie 23 ist damit in einen fließfähigen Zustand überführt. Das zuvor in dem durch die Ausnehmung 24 gebildeten Hohlraum vorhandene technische Vakuum ist nunmehr abgebaut und stattdessen wird durch den ersten Kanal 27 ein Gasstrom in den durch die Ausnehmung 24 gebildeten Hohlraum geleitet, welcher einen hohen dynamischen Druck aufweist. Hierdurch wirkt auf die Folie 23 ein Druckimpuls, welcher über eine Zeitdauer von einigen Sekunden aufrechterhalten wird. Der Druckimpuls führt dazu, dass die Folie 23 in Richtung der makrostrukturierten Hohlform 28 und in Richtung der mikrostrukturierte Hohlformen 29 gepresst wird.
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9 zeigt einen vierten Schritt der bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens. Nachdem der über den ersten Kanal 27 eingeleitete Gasstrom dazu geführt hat, dass ein Druckimpuls über mehrere Sekunden auf die Folie 23 wirkte, wurde die Folie 23 vollständig durch die makrostrukturierte Hohlform 28 und durch die mikrostrukturierten Hohlformen 29 ausgeformt. Die Folie 23 hat nunmehr vollständig die Form der zweiten Formhälfte 22 angenommen.
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Nachdem die Folie 23 vollständig ausgeformt wurde, werden die erste Formhälfte 21 und die zweite Formhälfte 22 abgekühlt, beispielsweise dadurch, dass keine weitere Wärme zugeführt wird. Die erste Formhälfte 21 und die zweite Formhälfte 22 können zum Zwecke des Abkühlens der Umgebungstemperatur oder auch einem Kühlmittel ausgesetzt werden.
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10 zeigt einen fünften Schritt der bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens. Der über den ersten Kanal 27 eingeleitete Gasstrom wurde eingestellt. Über den ersten Kanal 27 und über den zweiten Kanal 31 erfolgt nunmehr eine Belüftung, wodurch das Abkühlen der ersten Formhälfte 21, der zweiten Formhälfte 22 und der Folie 23 beschleunigt wird.
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11 zeigt einen sechsten Schritt der bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens. Die erste Formhälfte 21 und die zweite Formhälfte 22 werden voneinander getrennt, sodass die ausgeformte Folie 23 entnommen werden kann. Die ausgeformte Folie 23 hat nunmehr eine Temperatur erreicht, die unter der Glasübergangstemperatur liegt, sodass eine plastische Verformung der Folie 23 vorliegt. Die Folie 23 weist nunmehr eine Makrostruktur 32 und Mikrostrukturen 33 auf.
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Um das Herausnehmen der ausgeformten Folie 23 zu erleichtern, kann, nachdem die erste Formhälfte 21 von der zweiten Formhälfte 22 entfernt wurde, ein leichter Gasdruck über den zweiten Kanal 31 geleitet werden, sodass die ausgeformte Folie 23 von der zweiten Formhälfte 22 weggepresst wird. Auch kann die Folie 23 in einen Spannrahmen (nicht gezeigt) eingespannt sein, wodurch die Entnahme aus der ersten Formhälfte 21 und aus der zweiten Formhälfte 22 vereinfacht ist.
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Die in den 6 bis 11 gezeigten Schritte des erfindungsgemäßen Verfahrens können alternativ auch in einem so genannten Roll-to-Roll-Betrieb organisiert werden. Eine die Folie 23 aufnehmende Rolle (nicht gezeigt) weist hierfür bevorzugt Abstandshalter auf, um eine Zerstörung der Mikrostrukturen 33 zu verhindern, wenn die Folie 23 aufgerollt wird.
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12 zeigt einen siebten Schritt der bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens. Bei diesem Schritt werden die Mikrostrukturen 33 der Folie 23 einer Schwerionenstrahlung 34 ausgesetzt. Hierfür eignet sich beispielsweise ein Synchrotron (nicht gezeigt), aus welchem Schwerionen, insbesondere Goldionen in einem definierten Winkel auf die Mikrostrukturen 33 geschossen werden können. Die Schwerionen der Schwerionenstrahlung 34 verfügen über eine diskrete Energie, die es ihnen erlaubt, ein Hindernis mit einer diskreten Dicke zu durchdringen. Ist die Dicke des Hindernisses zu groß, treten die Schwerionen nicht durch das Material hindurch. Die durch die Mikrostrukturen 33 der Folie 23 hindurch tretenden Schwerionen zerstören die Kristallstruktur des Polycarbonats auf den Bahnen der Schwerionen. Teilbereiche der Mikrostrukturen 33, die eine größere Dicke aufweisen, werden von den Schwerionen nicht durchdrungen.
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Die Mikrostrukturen 33 der Folie 23 sind mit einer Maske 36 bedeckt, sodass die Schwerionen der Schwerionenstrahlung 34 nur ausgewählte Teilbereiche der Mikrostrukturen 33 erreichen. Die Maske 36 ist für das erfindungsgemäße Verfahren nicht unbedingt erforderlich. Mithilfe der Maske 36 können die Krater 13 (gezeigt in 5) in den Teilbereichen der Folie 23, welche eine größere Dicke aufweisen, vermieden werden.
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13 zeigt einen achten Schritt der bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens. Die ausgeformte und mit Schwerionen bestrahlte Folie 23 wird in ein Ätzbad 37 gelegt. Als Flüssigkeit für das Ätzbad 37 eignet sich beispielsweise eine 5-molare Natriumlauge mit 10% Methanol, welche auf eine Temperatur von 45°C erhitzt wurde. An denjenigen Stellen der Folie 23, die von den Schwerionen der Schwerionenstrahlung 34 (gezeigt in 12) durchschossen wurden, entstehen durchgängige Poren 12 (gezeigt in 4). Die Größe der Poren 12 kann über die Ätzzeit eingestellt werden. Beispielsweise beträgt der Durchmesser der Poren 12 ca. 2 µm nach einer Ätzzeit von 30 Minuten.
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Abschließend ist die ausgeformte und geätzte Folie 23 aus dem Ätzbad 37 herauszunehmen und zu spülen. Es liegt nunmehr ein teilweise perforierter mikrostrukturierter Formkörper vor, welcher durch die Folie 23 gebildet wird.
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Bezugszeichenliste
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- 01
- mikrostrukturierter Formkörper (Folie)
- 02
- Makrostruktur
- 03
- Mikrostruktur (Kavitäten)
- 04
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- 05
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- 06
- Detail
- 07
- unverformter Bereich
- 08
- unterer Bereich der Kavität
- 09
- Bereich mit minimaler Dicke
- 10
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- 11
- Bereich mit maximaler Dicke
- 12
- Poren
- 13
- Krater
- 21
- erste Formhälfte
- 22
- zweite Formhälfte
- 23
- Folie (mikrostrukturierter Formkörper)
- 24
- Ausnehmung
- 25
-
- 26
- Dichtelemente
- 27
- erster Kanal
- 28
- makrostrukturierte Hohlform
- 29
- mikrostrukturierte Hohlformen
- 30
-
- 31
- zweiter Kanal
- 32
- Makrostruktur
- 33
- Mikrostrukturen
- 34
- Schwerionenstrahlung
- 35
-
- 36
- Maske
- 37
- Ätzbad
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 10203250 C1 [0002]
- DE 102007050976 A1 [0003]
- DE 102004035267 B3 [0004, 0004]
