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Die
Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren und ein Spritzgießwerkzeug
zum Herstellen einer Pipettenspitze.
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Eine
Pipettenspitze ist ein länglicher,
rohrförmiger
Körper,
der an dem einen Ende eine Verbindungsöffnung zum Verbinden mit einer
Pipettiervorrichtung und an dem anderen Ende eine Pipettieröffnung aufweist.
Zum genauen Dosieren geringer Flüssigkeitsmengen
sind Pipettenspitzen mit einer kleinen Pipettieröffnung erforderlich. Dies gilt
insbesondere, wenn die Flüssigkeit
im Freistrahl abgegeben werden soll. Aus der
DE 100 22 398 A1 ist ein
Gaspolster-Mikrodosiersystem zum Dosieren kleinster Flüssigkeitsvolumina
im Mikroliter- und Submikroliterbereich bekannt, das mit einer Pipettenspitze
arbeitet. Die Pipettenspitze weist für die Erzeugung einer großen Geschwindigkeit
bei der Abgabe im Freistrahl eine Düse mit einer kleinen Austrittsöffnung auf.
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Die
Herstellung von Pipettenspitzen erfolgt üblicherweise im Spritzguß. Das Spritzgießwerkzeug weist
einen die Innenkontur der Pipettenspitze begrenzenden Kern und eine
die Außenkontur
der Pipettenspitze begrenzende Form auf. Im Bereich der Pipettieröffnung sitzt
der Kern abdichtend in einer Bohrung der Form. Mittels bekannter
Spritzgießwerkzeuge
werden Pipettenspitzen mit Pipettieröffnungen von minimal 350 um
Durchmesser erreicht. Pipettieröffnungen
mit geringerem Durchmesser sind werkzeugtechnisch wegen der Abnutzung
im Bereich des Paßsitzes
des Kernes in der Bohrung nicht realisierbar.
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Davon
ausgehend liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren
und ein Spritzgießwerkzeug
zur Herstellung von Pipettenspitzen zur Verfügung zu stellen, die das Herstellen
kleiner Pipettieröffnungen
begünstigen.
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Die
Aufgabe wird durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruches
1 und durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruches 2 gelöst. Ferner
wird sie durch ein Spritzgießwerkzeug
mit den Merkmalen des Anspruches 8 und durch ein Spritzgießwerkzeug
mit den Merkmalen des Anspruches 9 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen
der Erfindung sind in den Untersprüchen angegeben.
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Das
erfindungsgemäße Verfahren
zum Herstellen einer Pipettenspitze umfasst die folgenden Schritte:
- – ein
Spritzgießwerkzeug
mit einem länglichen Kern
mit einer axialen Führungsbohrung,
einer den Kern umschließenden
Form mit einer auf die Führungsbohrung
ausgerichteten Bohrung werden bereitgestellt, wobei ein separater,
fadenförmiger
Formkörper
aus der Führungsbohrung
herausgezogen, in die Bohrung eingelegt und positioniert wird,
- – in
den Formhohlraum wird ein Kunststoff gespritzt,
- – die
Form wird geöffnet
und
- – die
gespritzte Pipettenspitze wird vom Spritzgießwerkzeug getrennt.
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Das
erfindungsgemäße Spritzgießwerkzeug zum
Herstellen einer Pipettenspitze weist die folgenden Merkmale auf:
- – einen
länglichen
Kern mit einer axialen Führungsbohrung,
- – eine
den Kern umschließende
Form mit einer auf die Führungsbohrung
ausgerichteten Bohrung und mindestens einem Einspritzkanal zum Einspritzen
eines Kunststoffes und
- – einen
aus der Führungsbohrung
heraus- und in die Bohrung hineinführbaren separaten, fadenförmigen Formkörper.
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Bei
dem Verfahren bzw. mittels der Vorrichtung nach der Erfindung wird
die Innenkontur der Pipettenspitze mittels des Kernes und des Formkörpers geformt,
wobei die Pipettieröffnung
von dem Formkörper
geformt wird. Dieser Formkörper
ist im Spritzgießwerkzeug
positioniert, indem er einerseits im Kern und andererseits in der
Bohrung der Form passgenau geführt
ist. Für
das Formen der Pipettieröffnung
reicht es aus, wenn ein kurzer Abschnitt (z. B. ca. 20 bis 200 μm) des Formkörpers umspritzt
wird. Der separate fadenförmige
Formkörper
besteht aus einem Festkörper
bzw. Faden – Fadenformkörper genannt – oder aus
einem Fluidstrahl (z. B. eines Flüssigkeitsstrahls oder Gasstrahls – Strahlformkörper genannt.
Der Kern hat gemäß einer
bevorzugten Ausgestaltung einen größeren Durchmesser als der Formkörper, so
dass der Übergangsbereich
von Kern und Formkörper
eine düsenartige
Verengung der Innenkontur der Pipettenspitze und der Formkörper den
Durchmesser der Düsenöffnung formt.
Der Kern hat am Ende, aus dem der Formkörper herausgeführt ist,
keinen verschleißbehafteten
Sitz in einer Bohrung der Form. Dies begünstigt die werkzeugtechnische Realisierung
und vermeidet Abnutzung.
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Nach
dem Spritzen der Pipettenspitze wird die Form geöffnet und die Pipettenspitze
vom Kern abgezogen. Beim Entnehmen aus der Form kann der durch die
Pipettieröffnung
verlaufende Abschnitt des Fadenformkörpers abgetrennt und aus der
Pipettenspitze herausgezogen werden. Für das Spritzen der nächsten Pipettenspitze
kann der Fadenformkörper durch
den Kern nachgeführt
und in der Bohrung positioniert werden. Ein Verschleiß des Fadenformkörpers, der
insbesondere beim Positionieren in der Bohrung eintreten kann, wird
durch das Verwerfen des umspritzten Abschnittes eliminiert. Die
durch den Fadenformkörper
gebildeten Dichtflächen
des Spritzgießwerkzeuges
in der Bohrung werden vor jedem Spritzgießvorgang in einen „ursprünglichen" Zustand versetzt.
Hierdurch wird die Produktion besonders maßhaltiger Pipettenspitzen begünstigt.
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Grundsätzlich ist
es aber auch möglich,
denselben Fadenabschnitt mehrfach zu Umspritzen, insbesondere wenn
ein hinreichend geringer Verschleiß des Fadens beim Positionieren
in der Bohrung dies zuläßt. Hierfür kann der
Fadenformkörper
nach dem Spritzen gemeinsam mit der Pipettenspitze vom Kern abgezogen,
von der Pipettenspitze getrennt und in den Kern zurückgezogen
oder kann zugleich die Pipettenspitze vom Kern und vom Fadenformkörper abgezogen
werden. Grundsätzlich
muss der Fadenformkörper
erst nachgeführt
werden, wenn der Verschleiß ein
nicht mehr tolerierbares Ausmaß erreicht.
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Bei
einem Strahlformkörper
entfällt
das Trennen von der Pipettenspitze und Positionieren, da dieser
durch das strömende
Fluid gebildet wird. Der bei beiden Arten des Formkörpers – Fadenformkörper und
Strahlformkörper – vorteilhafte
Effekt ist der jeweils vor einem Spritzgießvorgang regenerierte und damit
keinem Verschleiß unterliegende
Zustand des Formkörpers.
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Gemäß einer
Ausgestaltung ist der Fadenformkörper
als elastische Kunststoffaser (z. B. aus temperaturbeständigem Silikon)
ausgeführt.
Gemäß einer
Ausgestaltung wird der Fadenformkörper mit einem geringfügig größeren Durchmesser
als die den Fadenformkörper
aufnehmenden Bohrungen beim Positionieren in dem Kern und der Form
axial gestreckt, so dass sich der Durchmesser verringert, danach
wird der Fadenformkörper
zugentlastet, um nach der Zugentlastung besonders gut abdichtende Sitze
des Fadenformkörpers
in den Bohrungen des Kerns und der Form zu gewährleisten.
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Erfindungsgemäß können grundsätzlich Pipettenspitzen
hergestellt werden, deren Pipettieröffnung einen Durchmesser von
350 μm und
darüber aufweist.
Bevorzugt werden erfindungsgemäß Pipettenspitzen
mit einer Pipettieröffnung
von weniger als 350 μm
hergestellt, unter Einsatz eines Formkörpers mit einem entsprechenden
Durchmesser. Gemäß einer
bevorzugten Ausgestaltung werden mit einem Formkörper von ca. 50 bis 200 μm Durchmesser
Pipettenspitzen mit einer entsprechenden Pipettieröffnung hergestellt.
Gemäß einer
Ausgestaltung ist der Fadenformkörper
ein Erodierdraht. Erodierdrähte werden
herkömmlicherweise
für die
Materialbearbeitung eingesetzt und sind mit geringen Durchmessertoleranzen
preiswert verfügbar.
So ist ein Erodierdraht mit einem Durchmesser von z. B. 100 μm und einer
Durchmessertoleranz von ±1 μm preisgünstig erhältlich.
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Gemäß einer
weiteren Ausgestaltung ist der Fadenformkörper eine Silikonfaser mit
einem Durchmesser von z. B. 100 μmm,
die ebenfalls preiswert verfügbar
und temperaturbeständig
bis über
250°C ist.
Silikonfasern sind bis ca. der dreifachen Länge elastisch streckbar und
können
somit auf ca. 60% des Durchmessers verringert werden.
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Bei
dem Verfahren mit dem zu umspritzenden Strahlformkörper wird
durch die Führungsbohrung
ein gasförmiger
oder flüssiger
Strahl unter hohem Druck durch den Formhohlraum in die in Strahlrichtung
positionierte Bohrung der Form geleitet. Die sich verfestigende
Spritzgußmasse
wird durch das durchströmende
Medium spontan abgekühlt
und umschließt
erstarrt bei richtiger Wahl des Druckes des Fluids den Querschnitt
des Strahls ohne in die den Strahl aufnehmende Bohrung zu gelangen.
Der Druck ist dabei in der gleichen Höhe wie der Einspritzdruck der
den Formhohlraum ausfüllenden Spritzgießmasse an
der Düsenkontur
zu wählen.
Lagetoleranzen und in die Bohrung eindringende Spritzgießmasse werden
dabei durch den entstehenden dynamischen Staudruck selbstjustierend
auf den minimalen Strömungswiderstand
korrigiert.
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Der
Kern und die Form unterliegen durch das berührungslose Verfahren keinerlei
Verschleiß.
Der Formhohlraum wird bevorzugt vor dem Spritzgießvorgang
mit dem durchströmenden
Strahl beaufschlagt. Nach erfolgtem Spritzgießvorgang wird bevorzugt das
durchströmende
Fluid abgeschaltet, die Form geöffnet
und die Pipettenspitze entnommen.
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Gemäß einer
Ausgestaltung kann der Strahlformkörper von einem strömenden Gas
(z. B. Luft) oder einem Inertgas (z. B. N2 oder
Ag) oder einer Flüssigkeit
(z. B. ein korrosionsschützendes
Wasser/Glycerin-Gemisch) gebildet werden.
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Gemäß einer
Ausgestaltung, insbesondere zur Aufnahme des Fadenformkörpers, ist
die Bohrung der Form geteilt, wobei jede Teilbohrung einem Formteil
zugeordnet ist. Der Fadenformkörper
wird mittig in der Trennebene zwischen den Formteilen vorpositioniert
und beim Zusammenfahren der Formteile durch die zum Fadenformkörper hin
geöffneten Teilbohrungen
feinpositioniert. Durch Schließen
der Formteile senkrecht zur Achse des Kerns bzw. Fadenformkörpers werden
die Teilbohrungen besonders schonend belastet. Für das Vorpositionieren des Fadenformkörpers können außerhalb
der Form Führungen
oder Anschläge
vorhanden sein. Für
das Feinpositionieren können
die Teilbohrungen einen sich nach außen erweiternden Querschnitt
aufweisen. Entsprechend ist vorzugsweise die Aufnahme geteilt und
der Kern außerhalb
der Formteile in Querrichtung und gegebenenfalls in Längsrichtung
zum Fadenformkörper
ortsfest gehalten.
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Bevorzugt
ist der Kern auf der Seite gegenüber
der Bohrung in einer Aufnahme der Form gehalten. Gemäß einer
Ausgestaltung ist der Kern beim Zusammenfahren der Formteile flexibel
in der Ebene lotrecht zur Kernachse gehalten, um die Feinpositionierung
des Fadenformkörpers
zu unterstützen.
Hierfür
kann der Kern flexibel ausgebildet und/oder flexibel in der Aufnahme
und/oder außerhalb
der Form gehalten sein.
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Gemäß einer
Ausgestaltung ist der Fadenformkörper
entlang mindestens einer verschleißmindernden Beschichtung und/oder
mindestens eines Einsatzes des Kerns und/oder der Form geführt. Der Einsatz
kann insbesondere aus abriebarmer Keramik z. B. Aluminiumnitrit
ausgeführt
sein. Hierdurch wird der Verschleiß beim Nachführen des
Fadenformkörpers
bzw. Schließen
der Form auf den Fadenformkörper
konzentriert. Ein weiterer Vorteil ist die gegenüber Edelstahl wesentlich höhere Wärmeleitung.
Gemäß einer
Ausgestaltung ist die Bohrung in mindestens einem Einsatz ausgebildet.
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Gemäß einer
Ausgestaltung des Spritzgießwerkzeuges
mit Strahlformkörper
ist die Bohrung ungeteilt bzw. die Form in der Achse des Kerns ungeteilt und
mit näherungsweise
dem gleichem Durchmesser wie die Führungsbohrung ausgeführt. Der
Kern ist bevorzugt in einem Abstand von ca. 50 bis 200 μm von der
Bohrung der Form positioniert. In dem Spritzgießwerkzeug ist die exakte Positionierung
von beaufschlagtem Strahlformkörper
und Bohrung in der Form besonders toleranzarm und starr ausgeführt, um
den Strahl im Formhohlraum nicht abzulenken. Die Bohrungen sind
sowohl durch mechanische Bohrverfahren als auch z. B. Laserbohrverfahren
mit einer Genauigkeit besser 5 μm
im Durchmesserbereich 50 bis 200 μm
herstellbar. Vorteilhaft erweitern sich die Bohrungen in Kern bzw.
Form entgegen der bzw. in Strömungsrichtung
des Stahlformkörpers
aus Gründen
eines möglichst
geringen Druckabfalls in den Bohrungen.
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Gemäß einer
Ausgestaltung weist der Kern einen Konus auf, der sich zum Austrittsende
des Formkörpers
hin verjüngt.
Der Konus formt die Innenkontur einer Düse zur Beschleunigung der Flüssigkeit
beim Austritt aus der Pipettieröffnung.
Gemäß einer
Ausgestaltung hat der Konus einen Konusvollwinkel von 20 bis 140°.
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Gemäß einer
weiteren Ausgestaltung grenzt an den Konus ein Hauptabschnitt des
Kerns mit einem geringeren oder keinem Konuswinkel an. Dieser Abschnitt
dient der Formung eines Volumens der Pipettenspitze, in dem größere Flüssigkeitsmengen
gespeichert werden können
bzw. der Formung einer Aufstecköffnung
zum Aufstecken der Pipettenspitze auf die Aufnahme einer Pipettiervorrichtung.
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Erfindungsgemäß sind insbesondere
vorteilhaft Pipettenspitzen zum Dosieren von Flüssigkeitsmengen im Bereich
von wenigen Nanolitern gemäß
DE 100 22 398 A1 und/oder
DE 102 02 966 erstellbar,
deren Offenbarung durch Bezugnahme einbezogen wird. Diese weisen
neben einem geringen Totvolumen (z. B. etwa 10 μl) und einer anwendungstechnisch
vorgegebenen Länge
(z. B. etwa 20 mm) und Innendurchmesser (z. B. 0,8 mm) eine besonders klein
ausgeführte
Düse mit
relativ großer
Konizität
(z. B. 20 bis 140° Konusvollwinkel)
und eine kleine Düsenöffnung (z.
B. etwa 50 bis 200 μm)
auf.
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Die
Erfindung wird nachfolgend anhand der anliegenden Zeichnung eines
Ausführungsbeispieles erläutert, die
ein Spritzgießwerkzeug
in einem teilweisen Längsschnitt
zeigt:
Das Spritzgießwerkzeug 1 zur
Aufnahme des Fadenformkörpers
weist einen länglichen
Kern 2 und eine Form 3 auf.
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Der
Kern 2 hat an einem Ende einen kurzen Konus 4 mit
einem Konuswinkel von etwa 70° und daran
angrenzend einen Hauptabschnitt 5 mit einem geringen Konuswinkel
von etwa 5°.
Ferner erstreckt sich axial durch den Kern 2 eine Führungsbohrung 6.
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An
dem nicht gezeigten Ende des Hauptabschnittes 5 ist der
Kern in einer nicht gezeigten Aufnahme der Form 3 gehalten.
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Durch
die Führungsbohrung 6 verläuft ein Fadenformkörper 7,
der von einem nicht gezeigten Vorrat auf der Seite der Aufnahme
in das Spritzgießwerkzeug 3 hineingeführt ist.
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Die
Form 3 ist in der Mittelebene des Kerns 2 in zwei
Formteile 8, 9 geteilt, die wiederum aus Mittelteilen 8', 9' und Seitenteilen 8'', 9'' zusammengesetzt
sind. Fluchtend mit der Führungsbohrung 6 hat die
Form 3 eine Bohrung 10, die der Aufnahme des Fadenformkörpers 7 dient.
Die Bohrung 10 ist aus zwei Teilbohrungen 11, 12 der
Seitenteilen 8'', 9'' gebildet.
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Bei
geschlossener Form begrenzt der Kern 2 zusammen mit dem
Abschnitt des Fadenformkörper und
des Konus 4 die Innenkontur und begrenzt die Form 3 die
Außenkontur
eines Formhohlraums 13 in Form einer Pipettenspitze.
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Das
Spritzgießwerkzeug
zur Aufnahme des Strahlformkörpers
hat eine aus einem Teil bestehende Form 3. Der Kern wird
axial in den Formhohlraum ein- und ausgefahren. Die Führungsbohrung
für den Austritt
des den Strahlformkörper
bildenden Fluids ist fluchtend mit der Bohrung 10 für den Eintritt
des Fluids ausgeführt.
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Die
Spritzgießform
wird in bekannter Weise mit einer Spritzeinheit zum Dosieren, Plastifizieren und
Einspritzen der Kunststoffmasse und einer Schließeinheit zum Schließen und Öffnen des
Spritzgießwerkzeuges
zu einer Spritzgießmaschine
kombiniert.