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Stand der Technik
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Die vorliegende Anmeldung betrifft eine Vorrichtung zum Entformen eines Formteils von einem Formwerkzeug und ein Verfahren zum Entformen eines Formteils von einem Formwerkzeug unter Verwendung einer Vorrichtung zum Entfernen eines Formteils.
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Für die Volumenfertigung von Kleinbauteilen auf Polymerbasis gibt es mehrere Zugangsmöglichkeiten. Verbreitet in der Massenfertigung ist der Mikrospritzguss. Hierbei wird die Entformung des fertigen Kleinteils üblicherweise mittels mechanischer Auswerfer und dabei unterstützender Druckluftzufuhr in die Werkzeugspalte realisiert.
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Weitere Gruppen von Herstellungsverfahren sind die Mikrolithographie, das Lasersintern sowie der Mikropolymertintenstrahldruck. Diese Ansätze eignen sich insbesondere für Kleinmengen oder das schnelle Erstellen von Vorserienmustern (rapid prototyping).
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Ein zusätzliches Verfahren ist das Heißprägen. Es eignet sich insbesondere für mittlere Stückzahlen und Prototypen. Bei diesem Verfahren wird ein erhitztes Werkstück in eine Polymerscheibe oberhalb der Erweichungstemperatur, also oberhalb der Glasübergangstemperatur, des Kunststoffes gepresst und so aus dem Werkzeugnegativ ein Werkstück abgeformt. Das beidseitige Prägen mit Werkzeugen von der Ober- und der Unterseite ist ebenfalls möglich.
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Eine Herausforderung beim Heißprägen ist das Entformen des erkalteten Substrats. Vor allem feine Strukturen, wie sie in Mikrobauteilen anzutreffen sind, sind teilweise schwer vom Stempel zu trennen. Die Substrate werden üblicherweise beim Prägen mittels Klemmringen fixiert, über die auch die Fixierung bei der Entformung erfolgt. Alternativ können die Kunststoffteile auf raue Oberflächen laminiert werden, um eine Entformung aus dem Werkzeug zu gewährleisten.
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Die Entformung findet üblicherweise bei etwa 20°C unterhalb der Glasübergangstemperatur des Polymersubstrats statt, um eine Beschädigung des Substrats durch die Schrumpfung während des weiteren Abkühlungsvorgangs zu vermeiden. Nach erfolgter Abkühlung auf Zimmertemperatur ist eine Entformung viel schwieriger erfolgreich durchzuführen. Insbesondere sehr dünne oder spröde Werkzeuge, Substrate oder Strukturen könnten aufgrund der auftretenden mechanischen Spannungen zerstört werden.
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DE 195 09 452 A1 offenbart eine Vorrichtung zur Herstellung eines Formteils mittels Abformung von Mikrostrukturen mit einem die abzuformende Mikrostruktur enthaltenden Formeinsatz und einem zwischen einer Ruheposition und einer Arbeitsposition verfahrbaren Auswerfer zur Entformung des Formteils, wobei der Auswerfer den Formeinsatz randseitig umgibt. Als Folge davon, dass der Auswerfer den Formeinsatz randseitig umgibt, kann gemäß dieser Lehre der Auswerfer beim Verfahren von seiner Ruheposition in seine Arbeitsposition das Formteil randseitig ergreifen und die Ablösekraft gleichmäßiger in das Formteil einleiten.
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Nachteilig an der Lösung des randseitigen Auswerfers ist jedoch, dass bei weichen Substraten oder Stempeln die randseitig eingeleitete Ablösekraft die inneren Bereiche des abzulösenden Teils entweder gar nicht erreicht oder erst nach einen langen Ablöseweg, so dass die Mikrostrukturen auf dem Substrat oder Stempel aufgrund von Verformungen Schaden nehmen könnten.
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Offenbarung der Erfindung
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Gegenstand der Erfindung ist eine Vorrichtung zum Entformen eines Formteils, umfassend ein Formwerkzeug und einen von einer Aufnahme des Formwerkzeugs aufgenommenen Deckel, wobei das Formwerkzeug einen Arbeitsraum umfasst, in dem ein Fluid einleitbar ist, und wobei der Deckel eine formteilseitig angeordnete Vorderseite und eine dem Arbeitsraum zugewandte Rückseite aufweist, so dass durch Einleiten eines Fluids in den Arbeitsraum der Deckel durch Druck des Fluids auf die Rückseite aus einer Ruheposition in eine Arbeitsposition bringbar ist, in der zwischen dem Formwerkzeug und dem Deckel ein Spalt ausgebildet wird, durch den das Fluid aus dem Arbeitsraum formteilseitig ausströmen kann, zum Entformen des mit dem Formwerkzeug geformten Formteils durch Unterströmen des Formteils mit dem Fluid.
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Ein weiterer Gegenstand der Erfindung ist ein Verfahren zum Entformen eines Formteils unter Verwendung einer erfindungsgemäßen Vorrichtung, wobei durch Einleiten eines Fluids in den Arbeitsraum der Deckel von der Ruheposition in die Arbeitsposition bewegt wird, wobei ein Übergang von der Ruheposition in die Arbeitsposition durch die Bewegung des Deckels das Formteil zumindest teilweise von Formwerkzeug abgelöst und bei sich in der Arbeitsposition befindenden Deckel durch den zwischen Deckel und Formwerkzeug gebildeten Spalt das Formteil mit dem Fluid unterströmt wird.
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Mittels der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist ein kontrolliertes und automatisiertes Entformen eines Formteils möglich. Insbesondere kann die Temperatur bei der Entformung besser kontrolliert werden, da ein Öffnen des Werkzeugs und/oder ein manuelles Eingreifen beim Entformen vermieden werden kann. Zusätzlich zeichnet sich die erfindungsgemäße Vorrichtung durch einen einfachen Aufbau aus, der sich insbesondere auch für die Miniaturisierung eignet. Der Druck des in die Arbeitsposition sich bewegenden Deckels kann direkt in die Grenzfläche zwischen Formteil und Werkzeug eingebracht werden. Die Krafteinwirkung findet in der gewünschten Richtung statt, Scherkräfte, welche feine Strukturen des Formteils zerstören können, können reduziert oder sogar vollständig vermieden werden.
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Es werden Formwerkzeuge verwendbar, die aus fragileren Strukturen aufgebaut sind. Weiterhin können andere und möglicherweise kostengünstigere Werkzeugkonzepte eingesetzt werden.
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Es können mehrere Deckel vorgesehen sein, die jeweils von einer Aufnahme des Formwerkzeuges aufgenommen sind und wobei das Formwerkzeug mehrere Arbeitsräume oder einen gemeinsamen Arbeitsraum umfasst, um die Deckel aus einer Ruheposition in eine Arbeitsposition zu bringen. Dies ermöglicht es, an mehreren Stellen des Formteiles das Fluid formteilseitig ausströmen zu lassen, mit der Option, dass Entformen des Formteiles durch einen durch die Bewegung des Deckels auf das Formteil ausgeübten Druck zu unterstützen.
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Der Deckel kann unterschiedlich geformt sein. Beispielsweise kann der Deckel zylindrisch, linsenförmig, kugelförmig, halblinsen- oder halbkugelförmig, als Kegelstumpf, als Pyramidenstumpf, als Stufenkegel, als Stufenpyramide oder selbiger mit verrundeten Stufen ausgebildet sein. Das Material des Deckels kann beliebig gewählt werden, Voraussetzung ist, dass die Erweichungstemperaturen höher liegen als die Bearbeitungstemperaturen. Geeignete Materialien sind beispielsweise Stahl, insbesondere ferromagnetischer Stahl, Edelstahl, duktile Werkstoffe, wie Kupfer, Aluminium, Teflon oder Materialkombinationen, um verschiedene Funktionen zu gewährleisten, beispielsweise Stahl/Teflon, wobei das Teflon als formteilseitige Anti-Haft- und Dichtschicht wirkt.
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Unter einem „Deckel” soll in diesem Rahmen insbesondere ein Körper verstanden werden, der in seiner radialen Ausdehnung größer ist als in seiner axialen Ausdehnung. Alternativ kann ein Deckel auch ein Körper sein, der in seiner axialen Ausdehnung größer ist als in seiner radialen Ausdehnung.
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Die Aufnahme ist vorzugsweise als Vertiefung im Formwerkzeug ausgebildet, in die der Deckel eingesetzt ist. Alternativ könnte die Aufnahme beispielsweise auch durch eine Erhebung gebildet sein, auf die der Deckel aufgesetzt ist.
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Als Fluid eignet sich beispielsweise ein Gas, wie Druckluft, insbesondere ein Inertgas wie Stickstoff oder Argon. Eine weitere Möglichkeit ist die Verwendung einer Flüssigkeit.
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Ist zumindest in der Ruheposition des Deckels eine Fixierung des Deckels erwünscht, beispielsweise, weil das Formwerkzeug Bestandteil eines Oberwerkzeuges ist, so kann eine derartige Fixierung durch Erzeugung eines Unterdruckes im Arbeitsraum erzeugt werden. Falls der Deckel Materialien umfasst, die auf ein Magnetfeld reagieren, insbesondere ferromagnetisch sind, kann der Deckel über Anlegen eines Magnetfeldes in Position gehalten werden. Eine Vorrichtung zum Erzeugen eines Magnetfeldes kann in geeigneter Weise im Bereich des Deckels in Formwerkzeuge vorgesehen sein, beispielsweise durch den Einbau eines Permanentmagneten.
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Die erfindungsgemäße Vorrichtung ist vorzugsweise Bestandteil einer Vorrichtung zur Herstellung von mikrostrukturierten Formteilen, insbesondere zur Herstellung von mikrostrukturierten Formteilen durch Prägen. Die erfindungsgemäße Vorrichtung eignet sich grundsätzlich auch für andere Verfahren, beispielsweise für Spritzgießen oder Spritzprägen.
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Weitere vorteilhafte Ausführungsformen der Erfindung finden sich in den abhängigen Ansprüchen.
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Die Erfindung wird im Folgenden anhand von Ausführungsformen, die durch Zeichnungen dargestellt sind, näher erläutert.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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Es zeigen:
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1 einen Querschnitt durch eine erste Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zum Entformen eines Formteils,
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2 einen Querschnitt durch eine zweite Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zum Entformen eines Formteils,
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3 einen Querschnitt eines Ausschnittes einer dritten Ausführungsform einer Vorrichtung zum Entformen eines Formteils, und
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4 die in 3 gezeigte dritte Ausführungsform in einer Arbeitsposition.
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Ausführungsform(en) der Erfindung
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Gleiche oder einander entsprechende Bauteile sind in den Figuren mit den selben Bezugszeichen versehen.
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Die 1 zeigt einen Querschnitt durch eine erste Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zum Entformen eines Formteiles 4.
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Die Vorrichtung umfasst ein Formwerkzeug 1 und einen von einer Aufnahme 2 des Formwerkzeugs 1 aufgenommen Deckel 3. Das Formwerkzeug 1 umfasst einen Arbeitsraum 9, indem ein Fluid einleitbar und ausleitbar ist. Der Arbeitsraum 9 ist als Kanal ausgebildet und endet im Zentrum des Bodens 14 der Aufnahme 2, die in diesem Ausführungsbeispiel als Vertiefung beziehungsweise als Aussparung ausgebildet ist.
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Das Formwerkzeug 1 weist an einer dem Formteil 4 zugewandten Formoberfläche 7 eine Struktur 13, beispielsweise eine Mikrostruktur, auf.
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Das Formwerkzeug 1 ist auf einem Werkzeugträger 12 angeordnet. Der Werkzeugträger 12 umfasst einen Fluidkanal 15, der mit dem Arbeitsraum 9 verbunden ist. Über eine nicht näher dargestellte Vorrichtung kann über den Fluidkanal 15 ein Fluid in den Arbeitsraum 9 eingeleitet und ausgeleitet werden. Durch Entfernen des Formwerkzeuges 1 und durch Aufsetzen eines anderen Formwerkzeuges auf den Werkzeugträger 12 ist ein einfacher Austausch der Formwerkzeuge möglich, beispielsweise um unterschiedliche Formteile zu erzeugen oder um ein abgenutztes Formwerkzeug 1 zu ersetzen.
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Der Deckel 3 ist in Form eines Kegelstumpfes ausgebildet und weist eine formteilseitig angeordnete Vorderseite 10 und eine dem Arbeitsraum 9 zugewandte Rückseite 11 auf. Der Deckel 3 liegt mit seiner Rückseite 11 auf dem Boden 14 der Aufnahme 2 auf. Die Aufnahme 2 ist ebenfalls kegelstumpfförmig ausgebildet, wobei die Kegelstumpfachse senkrecht zur Formoberfläche 7 ausgerichtet ist und sich die Aufnahme 2 formteilseitig aufweitet. Der Boden 14, auf dem der Deckel 3 mit seiner gegenüber der Vorderseite 10 größeren Rückseite 11 aufliegt, entspricht in seinem Durchmesser dem Durchmesser der Rückseite 11 des Deckels 3.
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Die Vorderseite 10 des Deckels 3 ragt über die Ebene der Formoberfläche 7 hinaus. Alternativ kann die Vorderseite 10 sich auf derselben Höhe wie die Formoberfläche 7 befinden oder auch unterhalb der Ebene der Formoberfläche 7 liegen.
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Der mit seiner Rückseite 11 auf dem Boden 14 der Aufnahme 2 aufliegende Deckel 3 kennzeichnet eine Ruheposition des Deckels 3. In dieser Position verschließt der Deckel 3 den Arbeitsraum 9, so dass beim Formen des Formteils 4 mittels des Formwerkzeuges 1 kein Formmaterial in den Arbeitsraum 9 eindringen kann. Zum Formen des Formteils 4 können verschiedene Formprozesse eingesetzt werden, beispielsweise Prägen, Tiefziehen, Spritzprägen oder Spritzgießen. Als Formmaterialien können beispielsweise für die Verfahren geeignete Polymermaterialien eingesetzt werden.
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Zum Entformen des Formteiles 4 wird durch Einleiten eines Fluids in den Arbeitsraum 9 der Deckel 3 aus der Ruheposition in eine Arbeitsposition bewegt, in der zwischen dem Formwerkzeug 1 und dem Deckel 3 ein Spalt ausgebildet wird. Beim Übergang von der Ruheposition in die Arbeitsposition wird das Formteil 4 zumindest teilweise vom Formwerkzeug 1 abgelöst. Durch den in die Arbeitsposition erzeugten Spalt wird durch Einleiten des Fluids über den Fluidkanal 15 und den Arbeitsraum 9 das Formteil 4 mit dem Fluid unterströmt. Das Fluid bildet eine Entformungsfront, durch deren Fortschreiten zwischen der Grenzfläche Formteil 4 und Formoberfläche 7 das Formteil 4 vollständig von der Formoberfläche 7 entformt wird.
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Da der Deckel 3 zentral über dem Arbeitsraum 9 angeordnet ist, greift der im Arbeitsraum 9 durch Einleiten des Fluids aufgebaute Druck im Zentrum der Rückseite des Deckels 3 an. Es wird auf den Deckel 3 eine Kraft ausgeübt, die senkrecht zur Formoberfläche 7 wirkt. Beim Bewegen des Deckels 3 aus der Ruheposition in die Arbeitsposition werden aufgrund dessen höchstens geringe Scherkräfte auf das zu entformende Formteil 4 eingeleitet.
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Vorzugsweise weist das eingeleitete Fluid eine Temperatur von ≥ 20°C bis ≤ 50°C unterhalb der Glasübergangstemperatur oder der Erweichungstemperatur des Materials des Formteils 4 auf. Auf diese Weise kühlt das Formteil nicht zu stark ab und kann besonders leicht entformt werden, ohne dass eingeprägte Strukturen zerstört werden. Das Fluid kann extern beheizt werden oder über ein aufgeheiztes Werkzeug oder eine aufgeheizte Werkzeughalterung die Temperatur annehmen. Bevorzugt wird auch das Formteil 4 auf einer Temperatur in dem angegebenen Bereich während der Entformung gehalten.
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Auf diese Weise können insbesondere Formteil 4 aus Materialien wie Flüssigkristalline Polymere (LCP) oder Polyetheretherketone (PEEK) verarbeitet werden.
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Der Deckel 3 kann der Aufnahme 2 einfach entnommen werden, was ein unaufwändiges Austauschen des Deckels 3 ermöglicht, beispielsweise weil der Deckel 3 abgenutzt ist. Neben mehrfach verwendbaren Deckeln 3 können insbesondere auch Deckel 3 eingesetzt werden, die nur einmalig in einem Formvorgang eingesetzt werden.
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Durch Anlegen eines Unterdrucks über den Fluidkanal 15 im Arbeitsraum 9 lässt sich der Deckel 3 in der Aufnahme 2 festhalten. Dies ermöglicht es, das Formwerkzeug 1 auch als Oberwerkzeug einzusetzen, beispielsweise zum beidseitigen Formen des Formteils 4. Insbesondere kann nach Entformen des Formteils 4 ein Unterdruck im Arbeitsraum 9 erzeugt werden, um den Deckel 3 aus der Arbeitsposition in die Ruheposition zu bringen und ihn in dieser Position zu halten, um zu verhindern, dass bei Entnahme des Formteiles 4 der Deckel 3 unbeabsichtigt aus der Aufnahme 2 entfernt wird.
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Alternativ zur Erzeugung eines Unterdruckes im Arbeitsraum 9 kann beispielsweise auch eine Vorrichtung vorgesehen sein, die im Bereich des Deckels 3 ein Magnetfeld erzeugen kann. Der Deckel 3 weist in diesem Fall vorzugsweise ein ferromagnetisches Material auf. Durch Anlegen eines Magnetfeldes kann der Deckel 3 auf diese Weise in seiner Ruheposition gehalten werden. Die Vorrichtung zum Erzeugen des Magnetfeldes kann beispielsweise ein Dauermagnet sein, vorzugsweise jedoch ein Elektromagnet.
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Um das Trennen von Formteil 4 und Deckel 3 zu erleichtern, besteht der Deckel 3 vorzugsweise aus einem Material, das eine Antihaftwirkung hat, beispielsweise aus Teflon. Ebenfalls ist es zu diesem Zweck ausreichend, dass lediglich der Bereich, der mit dem Formteil 4 in Kontakt tritt, aus einem derartig antihaftenden Material oder einer Beschichtung besteht. Um die Wechselwirkung mit einem Magnetfeld zu ermöglichen, kann der Deckel 3 als weiteres Material ein ferromagnetisches Material, beispielsweise einen ferromagnetischen Stahl, aufweisen.
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Die 2 zeigt eine zweite Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zum Entformen eines Formteiles. Die Vorrichtung gemäß der zweiten Ausführungsform ist eine Variante der in 1 gezeigten ersten Vorrichtung, es wird deswegen im Folgenden lediglich auf Unterschiede eingegangen.
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Im Gegensatz zur ersten Ausführungsform ist der Deckel 3 kegelstumpfförmig ausgebildet, wobei die Höhe des Kegelstumpfes der kegelstumpfförmigen Aufnahme 2 des Formwerkzeuges 1 entspricht. Der Deckel 3 ist derart in die Aufnahme 2 angeordnet, dass sich der Deckel 3 formteilseitig aufweitet. Der Durchmesser des Deckels 3 an der formteilseitig liegenden Vorderseite 10 entspricht dem Durchmesser des Randes der Aufnahme 2, der Deckel 3 schließt bündig mit der Formoberfläche 7 ab. Die Rückseite des Deckels 3 verschließt den Arbeitsraum 9, ist aber in ihrem Durchmesser kleiner als der Durchmesser des Bodens 14 der Aufnahme 2, so dass zwischen Aufnahme 2 und sich in der Ruheposition befindenden Deckel 3 ein Spalt gebildet wird, der sowohl gegenüber dem Arbeitsraum 9 als auch formteilseitig abgeschlossen ist. Durch den bündigen Abschluss von Deckel 3 und Formoberfläche 7 wirkt der Deckel wie ein Abschnitt der Formoberfläche 7, die Konizität verhindert zudem ein Eindringen von Formmaterial in die Aufnahme 2. Dadurch, dass sich der Deckel 3 stärker verjüngt als die Aufnahme 2, kann schon bei geringer Bewegung des Deckels 3 aus der Ruheposition ein ausreichender Spalt zwischen Formwerkzeug 1 und Deckel 3 erzeugt werden, um das Formteil 4 zum Entformen mit dem Fluid zu unterströmen.
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Die 3 und 4 zeigen eine dritte Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Vorrichtung 3 zum Entformen eines Formteils. Die dritte Ausführungsform ist ebenfalls eine Variante der ersten Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Vorrichtung. Der gezeigte Ausschnitt der Vorrichtung 3 auf den Bereich um den Deckel 3 beschränkt ist. Die 3 zeigt den Deckel 3 in der Ruheposition, die 3 in der Arbeitsposition.
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Im Gegensatz zur ersten Ausführungsform ist die Aufnahme 2 in einen Öffnungsabschnitt 5 und einen Führungsabschnitt 8 unterteilt. Der Führungsabschnitt 5 ist formteilseitig angeordnet, anschließend folgt der Führungsabschnitt 8. Der Öffnungsabschnitt 5 ist kegelstumpfförmig ausgebildet und weitet sich formteilseitig auf. Der Führungsabschnitt 8 ist zylinderförmig ausgebildet, wobei der Durchmesser des Führungsabschnitts 8 kleiner ist als der Durchmesser des sich anschließenden Öffnungsbereiches 5, so dass zwischen Öffnungsabschnitt 5 und Führungsabschnitt 8 eine Stufe ausgebildet ist. Öffnungsabschnitt 5 und Führungsabschnitt 8 sind konzentrisch angeordnet, wobei die Symmetrieachse senkrecht zur Formoberfläche 7 ausgerichtet ist.
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Der Deckel 3 unterteilt sich in einen Dichtungsabschnitt 6 und einen Eingriffsabschnitt 16. Der Dichtungsabschnitt 6 entspricht in seiner Form dem Öffnungsabschnitt 5, der Eingriffsabschnitt 16 weist die gleiche Höhe auf, wie der Führungsabschnitt 8, besitzt aber einen geringeren Durchmesser. In der Ruheposition des Deckels 3 füllt damit der Dichtungsabschnitt 6 vollständig den Öffnungsabschnitt 5 der Aufnahme 2 aus, im Führungsabschnitt 8 verbleibt allerdings ein Spalt zwischen dem Deckel 3 und dem Formwerkzeug 1.
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Der Eingriff des Deckels 3 mit seinem Eingriffsabschnitt 16 in den Führungsabschnitt 8 bewirkt eine Führung des Deckels 3 beim Bewegen des Deckels 3 aus seiner Ruheposition in die Arbeitsposition und wieder zurück. Dadurch, dass der Dichtungsabschnitt 6 eine Mantelfläche aufweist, die korrespondierend zu der Innenfläche des sich aufhaltenden Öffnungsabschnitts 5 der Aufnahme 2 ausgebildet ist, wodurch in der Ruheposition des Deckels 3 die Mantelfläche und Dichtungsabschnitte 6 umlaufend flächig an der Innenfläche des Öffnungsabschnitts 5 anliegt, wird eine vorteilhafte Dichtung zwischen Deckel 3 und Formwerkzeug 1 erreicht.
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Der Dichtungsabschnitt 6 besteht im Wesentlichen aus einem Material, was zum einen eine Antihaftwirkung aufweist und zum anderen vorteilhaft für die Dichtfunktion ist, beispielsweise Teflon. Der Eingriffsabschnitt 8 passt vorzugsweise ein widerstandsfähiges Material, beispielsweise Stahl. Insbesondere kann für den Eingriffsabschnitt 16 ein ferromagnetisches Material verwendet werden, falls mit einem Magnetfeld auf den Deckel 3 eingewirkt werden soll, um den Deckel 3 in der Aufnahme 2 zu halten.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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