DE10233462A1

DE10233462A1 - Vorrichtung zum Prägen und zur Entformung von Strukturkörpern

Info

Publication number: DE10233462A1
Application number: DE2002133462
Authority: DE
Inventors: Heinz Dinglreiter; Johann Schuardt
Original assignee: Forschungszentrum Karlsruhe GmbH
Current assignee: Karlsruher Institut fuer Technologie KIT
Priority date: 2002-07-24
Filing date: 2002-07-24
Publication date: 2004-02-12
Anticipated expiration: 2022-07-25
Also published as: DE10233462B4

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Prägen und zur Entformung von ebene Strukturkörpern, die eine Formteilgrundplatte und eine Formteildeckplatte aufweist, die zwischen sich eine Kavität ausbilden und in der Weise relativ zueinander bewegbar sind, das sich in der Kavität ein Strukturkörper prägen lässt, bei der die Formteilgrundplatte mit Mitteln versehen ist, durch die sich der Strukturkörper von der Formteilgrundplatte lösen lässt. Aufgabe der Erfindung ist, bei einer derartigen Vorrichtung einen Auswertermechanismus vorzuschlagen. Die Aufgabe wird dadurch gelöst, dass diejenigen Stellen der Formteilgrundplatte, die mit dem Strukturkörper in Kontakt kommen, aufgeraut sind und in der Formteilgrundplatte ein Auswerferrahmen vorgesehen ist, auf dem der ebene Strukturkörper aufliegt und der sich gegenüber der Formteilgrundplatte anheben und mitsamt dem Strukturkörper von der Formteilgrundplatte entfernen lässt.

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Prägen und zur Entformung von Strukturkörpern gemäß dem Oberbegriff von Anspruch 1.

Für die Herstellung von Kunststoffstrukturkörper werden im allgemeinen Prägevorrichtungen eingesetzt, die für die Verarbeitung von thermoplastischen Kunststoffen bestimmt sind. Dies gilt insbesondere, wenn die Strukturdetails der Strukturkörper kleiner als 1 mm sind, somit bei sogenannten Mikrostrukturkörpern.

Die Prägevorrichtungen sind so aufgebaut, dass ein Kunststoff-Halbzeugplättchen in eine Prägekammer, die auch als Kavität bezeichnet wird, eingelegt werden kann. Danach wird die Kavität auf eine gewünschte Druckeinheit evakuiert und auf eine vorgegebene, von der Art des Kunststoffs abhängige Solltemperatur aufgeheizt. Nach dem Prägevorgang wird die Vorrichtung abgekühlt und die beiden Werkzeughälften fahren auseinander. Der geprägte Kunststoff-Strukturkörper haftet auf der unteren Formteilplatte, der Formteilgrundplatte, des Werkzeugs. Die Entformung kann an sich mit einem spitzen Gegenstand (Messer, Schaber) durchgeführt werden. Dadurch werden allerdings sowohl der geprägte Strukturkörper als auch die Prägevorrichtung beschädigt.

Bei automatisierten Prozessen werden häufig Prägevorrichtungen eingesetzt, bei denen der geprägte Strukturkörper mit Hilfe von Auswerferstiften, die unmittelbar auf den Strukturkörper einwirken, aus der Vorrichtung entfernt wird.

In der Mikrosystemtechnik werden Strukturkörper erzeugt, die im Gegensatz zu vielen anderen geprägten Strukturkörpern eben sind und auf einer Seite Mikrostrukturen tragen. Diese Mikro strukturen können z. B. säulenartige Erhebungen oder auch komplexe Linienstrukturen sein. Häufig werden solche Mikrostrukturkörper mit elektronischen Bauteilen kombiniert, so dass mit den Mikrostrukturen mechanische Kräfte, beispielsweise Beschleunigungskräfte, detektiert werden und die elektronischen Bauteile die Größe und Richtung der mechanischen Kräfte bestimmen.

Für ebene Strukturkörper werden in der Literatur Auswerferstifte zum Entformen der geprägten Strukturkörper vorgeschlagen. Solche Auswerferstifte sind beispielsweise in G. Mennig, Werkzeuge für die Kunststoffverarbeitung; Bauarten, Herstellung, Betrieb; Carl Hanser Verlag München Wien; ISBN 3-446-17294-7, 1995, S. 33 beschrieben. Zwar ist das hier gezeigte Teil nicht vollständig eben, sondern weist Verstärkungsrippen auf; dennoch greifen hier für die Entformung mehrere Auswerferstifte am ebenen Teil des Strukturkörpers an.

Ringauswerfer sind aus G. Menges und P. Mohren: Spritzgießwerkzeuge; Anleitung zum Bau von Spritzgieß-Werkzeugen, Carl Hanser Verlag München Wien, ISBN 3-446-15756-5, 1991, S. 420 ff. bekannt. Diese Ringauswerfer werden jedoch bei Herstellungsverfahren für becherförmige Gegenstände beschrieben, bei denen der becherförmige Gegenstand auf einem Kern aufgeprägt wird und der Ringauswerfer am Rand des Kerns angreift. Auf diese Weise wird die Kraft, die zum Abstreifen des becherförmigen Gegenstandes von dem Kern benötigt wird, zum einen auf den gesamten Rand verteilt und zum andern in die Wand des becherförmigen Gegenstandes eingeleitet. Deshalb gelingt es, mit dem Ringauswerfer den becherförmigen Gegenstand vom Kern zu trennen, ohne ihn zu beschädigen. Aus der Literaturstelle geht weiterhin hervor, dass die Wirkung des Ringauswerfers durch das Einströmen von Pressluft an der endständigen Seite des Kerns und damit am Boden des becherförmigen Gegenstandes unterstützt werden kann.

Eine Übertragung der aus G. Menges und P. Mohren bekannten Ringauswerfer und dem unterstützenden Einströmen von Pressluft ist nicht ohne weiteres möglich, wenn die oben beschriebenen ebenen Strukturkörper, insbesondere Mikrostrukturkörper, geprägt und entformt werden sollen.

Unter den Strukturkörpern, insbesondere den Mikrostrukturkörpern, die mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung erzeugt werden sollen, werden plattenförmige Körper verstanden, die auf einer Seite die oben erwähnten Strukturelemente wie z. B. Säulen, lochartige Vertiefungen, nutenähnliche Gräben, erhabene mauerartige Elemente etc. tragen. Liegen die Dimensionen wie z. B. Dicke oder Durchmesser dieser Strukturelemente deutlich unterhalb von 1 Millimeter, etwa im Bereich zwischen 500 μm und 10 μm, so werden die Strukturkörper als Mikrostrukturkörper bezeichnet.

Bei diesen Strukturkörpern, insbesondere bei Mikrostrukturkörpern, ergibt sich folgendes Problem: Da eine der beiden Seiten des plattenförmigen Strukturkörpers unstrukturiert und damit glatt, die andere jedoch strukturiert ist, hat die strukturierte Seite eine erheblich größere Oberfläche. Dies bedeutet, dass sie im allgemeinen nach dem Prägen und dem Öffnen der Prägevorrichtung, nämlich nach dem Trennen der Formteilgrundplatte von der Formteildeckplatte, an der Formteildeckplatte haftet, weil sie wegen der größeren Oberfläche und damit des größeren Kraftschlusses erheblich fester mit der Formteildeckplatte verbunden ist. Würden die bekannten Auswerfereinrichtungen wie Auswerferstifte oder Ringauswerfer an der strukturierten oder mikrostrukturierten Seite ansetzen, würden sie Kräfte auf die Strukturen übertragen und damit möglicherweise diese Strukturen zerstören. Ein ähnlicher Fall wäre gegeben, wenn der bei G. Menges und P. Mohren gezeigte becherförmige Gegenstand etwa wegen einer Strukturierung auf der Außenseite nicht auf dem Kern haften bliebe, sondern beim Öffnen zusammen mit dem rechts dargestellten Teil der Vorrichtung vom Kern abgezogen würde.

Erfindungsgemäß werden daher diejenigen Stellen der Formteilgrundplatte, die mit der glatten Seite des Strukturkörpers in Kontakt kommen, vorzugsweise durch Sandstrahlen aufgeraut. Durch die Oberflächenrauheit wird eine wesentlich verbesserte Haftung des Strukturkörpers erzielt. Damit kann erreicht werden, dass beim Öffnen der Prägevorrichtung der Strukturkörper nicht mit seiner strukturierten Seite an der Formteildeckplatte, sondern mit seiner unstrukturierten Seite an der Formteilgrundplatte haften bleibt.

Plattenartige, flächige Körper lassen sich nicht leicht von einer Oberfläche, an der sie haften, abheben, ohne sie zu zerstören. Ruswerferstifte, die in unmittelbaren Kontakt mit solchen Körpern kommen, sind hierfür völlig ungeeignet, da sie flächige Körper leicht durchstoßen und damit unbrauchbar machen. Aber auch eine Vergrößerung der angreifenden Auswerfeinrichtung führt nicht zwingend zum Ziel, da flächige Körper, insbesondere wenn ihre Dicke gering ist, sehr labil sind und daher auch dann leicht zerstört werden, wenn sie an größeren Oberflächenbereichen unterstützt werden.

Erfindungsgemäß wird vorgeschlagen, dass die Formteilgrundplatte mit einem Auswerferrahmen versehen ist, durch den sich der Strukturkörper von der Formteilgrundplatte abheben lässt. Im Gegensatz zu der Prägevorrichtung mit dem Ringauswerfer, die in der oben zitierten Literaturstelle G. Menges und P. Mohren beschrieben ist, ist die erfindungsgemäße Vorrichtung in der Weise gestaltet, dass sich der Auswerferrahmen zusammen mit dem Strukturkörper aus der Prägevorrichtung entfernen lässt. Somit wird für jeden Prägevorgang ein eigener Auswerferrahmen eingesetzt.

Der Auswerferrahmen verleiht dem flächigen Strukturkörper die notwendige Stabilität für die weiteren Handhabungsschritte. Durch diesen verstärkenden Rahmen werden weitere Behandlungsschritte des Strukturkörpers, etwa das Aufsetzen von elektronischen Komponenten, erheblich einfacher.

Der Auswerferrahmen kann praktisch beliebig geformt sein. Er soll lediglich eine Rahmenstruktur aufweisen. In gewisser Weise hängt die Rahmengestalt von der Art des geprägten Strukturkörpers ab. Am besten geeignet erscheinen derzeit ringförmige Auswerferrahmen. In ähnlicher Weise lässt sich die Prägevorrichtung auch für quadratische, rechteckige, trapez- oder parallelogrammförmige Auswerferrahmen bauen. Vorzugsweise wird der Auswerferrahmen durch an sich bekannte Auswerferstifte, die in Führungsbohrungen gleiten, angehoben. Die Auswerferstifte kommen dabei nur mit dem Auswerferrahmen, nicht dagegen mit dem Strukturkörper in Kontakt.

Der Auswerferrahmen hat in bevorzugten Ausführungsformen der Erfindung weitere Funktionen. Zum einen dient er als Begrenzung für den Kunststoffschmelzefluss und zum anderen dient er zur exakt reproduzierbaren Einstellung der Dicke des Strukturkörpers, da die Dicke des Strukturkörpers von der variablen Dicke des Auswerferrahmens abhängt.

Die Entformung wird wirksam unterstützt, wenn in der Mitte der Formteilgrundplatte eine Luftdüse angebracht ist. Mit Hilfe eingeblasener Luft oder eines anderen Gases kann die Mitte des Strukturkörpers schonend von der sandgestrahlten Oberfläche der Formteilgrundplatte abgehoben werden. Die Luftdüse lässt sich beispielsweise mit Druckluft und einer Zugfeder steuern.

Die Erfindung wird anhand von 7 Figuren näher erläutert. Die Figuren zeigen eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung in verschiedenen Prägestadien. Im folgenden wird der technische Ablauf eines Heißprägeverfahrens und eines Spritzgießverfahrens anhand dieser Figuren beschrieben.
1. Heißprägeverfahren:
1: Prägewerkzeug im geschlossenem Zustand
Beim Heißprägen wird das Halbzeug 1 als Folien- oder Plattenmaterial zwischen die Formteilgrundplatte 2 und die Formteildeckplatte 3 gelegt, die zwischen sich einen Hohlraum, die Kavität, bilden. In die Formteildeckplatte 3 ist der mikrostrukturierte Formeinsatz 4 eingelassen, der die Negativstruktur trägt, die auf eine Seite des Strukturkörpers übertragen werden soll. Dann wird die Vorrichtung geschlossen, mittels mit Heizpatronen und Ölheizung hochgeheizt und die Prägekraft aufgebracht. Das flüssige Material füllt die Kavitäten vollständig aus. Überschüssiges Material wird lateral verdrängt. Auf diese Weise bildet es eine Dichtung, die den Innendruck aufrecht erhält. Allerdings bleibt auch eine Restschicht zurück. Um restschichtfrei zu prägen, muss dafür gesorgt werden, dass das überschüssige Material abfließen kann. Das Abflusssystem kann analog zu einem Anguss-Verteilersystem gestaltet werden, wobei die Dichtungsfunktion erhalten bleibt. Die erforderliche Materialmenge ist relativ gering.
Weitere technische Konstruktionsmerkmale der gezeigten Vorrichtung sind die Isolierplatten 5a und 5b sowie die Aufspannplatten 6a und 6b, zwischen denen die Vorrichtung aufgebaut ist, der Luftanschluß 7 für den Gasausströmkegel unterhalb des Formeinsatzes 4, der Vakuumanschluss 8 und die Innendruckmessung 9 sowie die Zwischenplatte 10.
Der Auswerferrahmen 11 ist in der dargestellten Vorrichtung ringförmig und wird über Auswerferstifte 12 angehoben, die sich ihrerseits auf einem Auswerferpaket 13 abstützen. Der An trieb der Auswerferstifte 12 erfolgt über Kurzhubzylinder 14. Weiterhin sind Distanzringe 15 zur Änderung der Abstände vorgesehen.
Nachfolgend werden beispielhaft Zahlen und Daten für den Ablauf eines Prägeprozesses angegeben.
Grundlage : Kunststoff Polymethylmethacrylat (PMMA G77 Q11)
Prägefläche 120 mm auf 80 mm,
Prägekraft je nach Anzahl Mikrostrukturen und Strukturhöhe 18 –22 Mp,
Prägedauer 20–25 min.
Der Prägevorgang besteht bei der in den Figuren gezeigten Prägevorrichtung aus den folgenden Schritten:

– Initialisierung der Prägevorrichtung,
– Einlegen des Kunststoff-Halbzeuges,
– Schließen der Formteilgrund- und Formteildeckplatte,
– Evakuieren der Vorrichtung bis 4 mbar, Formteilplatten sind auf Vordruck,
– Aufheizen bis 200 °C,
– Einregeln der Temperatur zum Prägen bis 145 °C,
– Bei 140 °C Formteilgrund- und Formteildeckplatte mit 4000 N und mit 1,5 mm/min zusammenfahren,
– 100 sec warten (Beginn des Prägevorgangs),
– Prägen mit ca. 18 Mp Prägekraft, Dauer 600 sec, Geschwindigkeit 1,5 mm/min,
– Abkühlen unter 80 °C,
– Entformen bei 90 °C mit einer Geschwindigkeit von 0,5–1 mm/min,
– Entnahme des geprägten Strukturkörpers mitsamt dem Auswerferrahmen.

2: Draufsicht der Formteilgrundplatte Außerhalb des sandgestrahlten Bereiches 17 ist der ringförmige Auswerferrahmen 11, welcher lose in die Formteilgrundplatte 2 eingelassen ist. Dieser Auswerferrahmen dient als Begrenzung des Kunststoffschmelzeflusses und als Distanzring zur Einstellung der Dicke des Strukturkörpers (nicht dargestellt). Unterstützt durch Kurzhubzylinder, die eine sehr genaue Dosierbarkeit gewährleisten, und dem Auswerferpaket drücken die Auswerferstifte 12 den Auswerferring 11 mitsamt dem geprägten Strukturkörper nach oben. Der Strukturkörper haftet sehr stark im Randbereich des erodierten Auswerferrahmens, insbesondere dem Innenbereich des Auswerferrahmens 11). Zur gleichen Zeit wird Luft durch den Gasausströmkegel 16 geblasen. Durch den Luftdruck und durch die Luftkühlung hebt und löst sich der geprägte Strukturkörper von innen ab. In einem bestimmten Lösebereich zwischen Auswerferrahmen 11 und Gasausströmkegel 16 erfolgt die vollständige Ablösung von der sandgestrahlten Formteilgrundplatte 2. Der geprägte Strukturkörper ist frei und wird mitsamt dem Auswerferrahmen 11 aus der Vorrichtung entnommen. Dies kann unter anderem mit einer Greifvorrichtung geschehen. Der geprägte Strukturkörper kann jederzeit mit einer Stanzvorrichtung oder manuell vom Auswerferrahmen 11 getrennt werden, wonach der Auswerferrahmen erneut in die Vorrichtung eingebaut werden kann. Sollten sich Kunststoffreste noch am Auswerferrahmen befinden, so ist dies nicht produktionsstörend, da bei der Erwärmung des Halbzeugmaterials während des nächsten Prägezyklus die Kunststoffreste am Auswerferrahmen mit neuem Kunststoffmaterial eine erneute Verbindung eingehen. Die übrigen Bezugszeichen entsprechen denen der 1.
3, 4: Prägewerkzeug im geöffnetem Zustand Der geprägte Strukturkörper 20 wird nach dem Ende des Prägezyklus mitsamt dem Auswerferrahmen 11 aus der Vorrichtung herausgenommen. Unterhalb des Auswerferrahmens sind ringsum die Auswerferstifte 12 angeordnet. Diese werden ebenfalls mit Luft gesteuert. Zwischen der Unterseite des Auswerferrahmens 11 und der Oberfläche der Auswerferstifte 12 ist ein Spalt von ca. 2/100 mm einzuplanen. Um ein Verkanten des Strukturkörpers zu vermeiden, werden Gasausströmkegel 16 und Auswerferstifte 12 so geführt, dass beide Systeme während des Entformens des Prägeteiles zugleich hochfahren. Die Führungsbohrungen für die Auswerferstifte sind mit einer vom Hersteller vorgegebenen Toleranz bearbeitet, sodass keine Kunststoffschmelze in den Ringspalt um die Auswerferstifte 12 eindringen kann. Der mit dem Bezugszeichen 19 versehene Teil der Oberfläche ist sandgestrahlt, um die Haftung des Strukturkörpers zu gewährleisten. Die übrigen Bezugszeichen entsprechen denen der vorangehenden Figuren.
2. Spritzgießverfahren:
5: Spritzgießwerkzeug im geschlossenen Zustand In den folgenden Figuren ist eine Prägevorrichtung dargestellt, die für ein Spritzgießverfahren geeignet ist.
Beim Spritzgießverfahren wird ein flüssiger Kunststoff unter hohem Druck in eine Form (Kavität 25) gespritzt. Die Form besteht wiederum aus einer Formteilgrundplatte 2 und einer Formteildeckplatte 3, die einen Formeinsatz 4 trägt. Der Formeinsatz 4 enthält das Negativabbild derjenigen Struktur, mit der der geprägte Strukturkörper versehen ist. Der Kunststoff wird über eine Angießbuchse 26 eingefüllt und in der Vorrichtung unter seinen Erweichungspunkt abgekühlt. Anschließend wird der Strukturkörper, der sich in der Kavität 25 gebildet hat, entformt.
6, 7: Spritzgießwerkzeug im geöffneten Zustand Analog wie beim Heißprägeverfahren werden zur Entformung des Strukturkörpers Auswerferstifte 12 und ein Auswerferrahmen 11 eingesetzt. Mit dem Bezugszeichen 19 ist wiederum der sandgestrahlte Bereich der Oberfläche dargestellt.

1: Halbzeug
2: Formteilgrundplatte
3: Formteildeckplatte
4: Formeinsatz
5a,b: Isolierplatten
6a,b: Aufspannplatten
7: Luftanschluss
8: Vakuumanschluss
9: Innendruckmessung
10: Zwischenplatte
11: Auswerferrahmen
12: Auswerferstift
13: Auswerferpaket
14: Kurzschubzylinder
15: Distanzring
16: Gasausströmkegel
17: sandgestrahlter Bereich
19: sandgestrahlte Fläche
20: Strukturkörper
25: Kavität
26: Angießbuchse

Claims

Vorrichtung zum Prägen und zur Entformung von ebenen Strukturkörpern – die eine Formteilgrundplatte und eine Formteildeckplatte aufweist, die zwischen sich eine Kavität ausbilden und in der Weise relativ zueinander bewegbar sind, dass sich in der Kavität ein Strukturkörper prägen lässt, – bei der die Formteilgrundplatte mit Mitteln versehen ist, durch die sich der Strukturkörper von der Formteilgrundplatte lösen lässt, dadurch gekennzeichnet, dass – diejenigen Stellen der Formteilgrundplatte, die mit dem Strukturkörper in Kontakt kommen, aufgeraut sind und – in der Formteilgrundplatte ein Auswerferrahmen vorgesehen ist, auf dem der ebene Strukturkörper aufliegt und der sich gegenüber der Formteilgrundplatte anheben und mitsamt dem Strukturkörper von der Formteilgrundplatte entfernen lässt.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Formteilgrundplatte im Bereich innerhalb des Auswerferrahmens einen Gasausströmkegel aufweist, der mit einer Gasfördereinheit in Verbindung steht.
Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Stellen der Formteilgrundplatte, die mit dem Strukturkörper in Kontakt kommen, durch Sandstrahlen aufgeraut sind.
Vorrichtung nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass sich der Auswerferrahmen mittels mindestens eines Ruswerferstiftes gegenüber der Formteilgrundplatte anheben lässt.