DE10305427B4

DE10305427B4 - Herstellungsverfahren für eine Lochscheibe zum Ausstoßen eines Fluids

Info

Publication number: DE10305427B4
Application number: DE10305427A
Authority: DE
Inventors: Marc De Vogelaere; Christian Fricke; Ursus Dr. Krüger
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Continental Automotive GmbH
Priority date: 2003-02-03
Filing date: 2003-02-03
Publication date: 2006-05-24
Anticipated expiration: 2023-02-04
Also published as: DE10305427A1; WO2004070199A1

Abstract

Herstellungsverfahren für eine Lochscheibe zum Ausstoßen eines Fluids mit mindestens einer galvanisch erzeugten, mindestens einen Durchgang (22) aufweisenden Schicht (21a, 21b), bei dem
– eine Hilfsschicht auf eine Unterlage (11) aufgebracht wird,
– eine Negativstruktur (20a, 20b) des Durchgangs (22) in der Hilfsschicht (16a, 16b) mit einer derartigen Geometrie erzeugt wird, dass Wandbereiche des Durchgangs (22) in einem Winkel ungleich 90° zur Schichtgrenzfläche verlaufen,
– später die Schicht (21a, 21b) um die Negativstruktur (20a, 20b) herum galvanisch auf der Unterlage (11, 29) erzeugt wird und
– später die Negativstruktur (20a, 20b) beseitigt wird,
dadurch gekennzeichnet,
dass die Negativstruktur mittels eines Laserstrahls (19, 19a) erzeugt wird.

Description

Die Erfindung betrifft ein Herstellungsverfahren für eine Lochscheibe zum Ausstoßen eines Fluids mit mindestens einer galvanisch erzeugten, mindestens einen Durchgang aufweisenden Schicht, bei dem eine Hilfsschicht auf eine Unterlage aufgebracht wird, eine Negativstruktur des Durchgangs in der Hilfsschicht erzeugt wird, später die Schicht um die Negativstruktur herum galvanisch auf der Unterlage erzeugt wird und später die Negativstruktur beseitigt wird, wobei die Wandbereiche der Durchgänge in einem Winkel ungleich 90° verlaufen.

Ein solches Herstellungsverfahren ist z. B. aus der deutschen Offenlegungsschrift DE 198 15 800 A1 bekannt. Danach soll eine Lochscheibe zum Ausstoßen eines Fluides galvanisch auf einer Trägerplatte als Unterlage erzeugt und anschließend von dieser wieder gelöst werden. Zur Bildung der einzelnen galvanischen Lagen der Lochscheibe werden jeweils Schichten z. B. aus einem Fotolack aufgetragen. Dieser Fotolack dient zur Bildung einer Negativstruktur für die die Kanalstruktur bildenden Durchgänge der Lochscheibe, wobei die Negativstruktur durch Belichten des Fotolackes mit UV-Licht und anschließendes Entfernen der unbelichteten Teile des Fotolackes gebildet wird. Danach wird die jeweils zu bildende Lage der Lochscheibe galvanisch um die gebildete Negativstruktur herum erzeugt und durch Beseitigung der Negativstruktur werden nach Fertigstellung aller Lagen der Lochscheibe die Durchgänge durch die Lochscheibe gebildet.

In der DE 34 08 849 C2 , DE 34 08 848 C2 , DE 34 01 963 A1 , DE 44 04 021 A1 und DE 35 24 411 C2 sind weiter Verfahren zur galvanischen Herstellung von Schichten auf einer Unterlage offenbart, bei denen auf der Unterlage zunächst eine Negativstruktur für Aussparungen in den galvanisch zu bildenden Schichten erzeugt wird. Diese Negativstruktur wird aus einer lichtempfindlichen Schicht gebildet, wobei die Bereiche, die die Negativstrukturen bilden sollen, durch die Öffnungen einer Maske hindurch mittels einer Bestrahlung (Licht, Röntgenstrahlung) vorbehandelt werden. Die nicht bestrahlten Teile der Schicht werden anschließend von der Unterlage entfernt, so dass dort die galvanische Schicht aufwachsen kann.

Aufgabe der Erfindung ist es, ein Herstellungsverfahren für eine Lochscheibe zum Ausstoßen eines Fluides anzugeben, mit dem sich die Lochscheibe vergleichsweise einfach galvanisch erzeugen lässt.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass die Negativstruktur mittels eines Laserstrahls erzeugt wird. Hierdurch lassen sich insbesondere Durchgänge galvanisch erzeugen, deren Symmetrieachsen schräg zur Schichtgrenzfläche verlaufen, so dass dem auszustoßenden Fluid vorteilhaft ein Bewegungszustand aufgeprägt werden kann, der im Verhältnis zur Oberfläche der Lochscheibe schräg verläuft. Eine andere Möglichkeit ist die galvanische Bildung von konisch zulaufenden Düsenöffnungen, bei denen die Wandbereiche der gebildeten Durchgänge aufgrund der konischen Form zumindest teilweise schräg zur Schichtgrenzfläche ausgerichtet sind. Hierdurch kann vorteilhaft eine besonders feine Verteilung beim Ausstoßen des Fluids erreicht werden.

Eine günstige Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass zur Erzeugung der Negativstruktur eine lichtempfindliche Schicht als Hilfsschicht auf der Unterlage aufgebracht wird, die Negativstruktur durch Belichten der lichtempfindlichen Schicht mittels eines Laserstrahls gebildet wird und anschließend die unbelichteten Teile der lichtempfindlichen Schicht entfernt werden. Die Verwendung eines Laserstrahls hat den Vorteil, dass mit diesem das Licht lokal begrenzt in die lichtempfindliche Schicht eingebracht werden kann. Damit können Masken zur Abdeckung nicht zu belichtender Teile der lichtempfindlichen Schicht vorteilhaft eingespart werden, wodurch sich das Herstellungsverfahren vereinfacht. Außerdem kann der Laser mit einem Winkel ungleich 90° zur Grenzfläche der lichtempfindlichen Schicht ausgerichtet werden, so dass sich die Wandbereiche der Negativstruktur mit schräger Ausrichtung zur Schichtgrenzfläche direkt herstellen lassen.

Die Verwendung eines Laserstrahls ist besonders vorteilhaft, wenn die Negativstruktur für Durchgänge mit einem konstanten Querschnitt ausgebildet wird, indem der Laserstrahl parallel verschoben wird. Bei dieser Ausführungsform des Verfahrens muss der Laserstrahl über die gesamte zu bildende Querschnittsfläche der Negativstruktur geführt werden, so dass die lichtempfindliche Schicht in dem genannten Bereich ausgehärtet wird. Im Grenzfall kann mittels des Laserstrahls also eine Negativstruktur gebildet werden, die gerade die Abmessungen des Laserstrahls aufweist. Durch Parallelverschiebung des Laserstrahls kann vorteilhaft die Negativstruktur mit einer vergleichsweise einfachen Führungsbewegung des Laserstrahls hergestellt werden.

Eine alternative Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass zur Erzeugung der Negativstruktur auf die Unterlage eine Hilfsschicht aufgebracht wird und die Negativstruktur durch Laserablation der die Negativstruktur umgebenden Teile der Hilfsschicht erzeugt wird. Bei diesem Verfahren besteht die Hilfsschicht nicht aus einer lichtempfindlichen Schicht, sondern es werden vielmehr die Teile der festen Hilfsschicht, die zur Bildung der Negativstruktur nicht benötigt werden, mittels des Lasers entfernt. Hierdurch können die durch die Negativstruktur zu bildenden Durchgänge vorteilhaft auch mit äußerst geringen Abmessungen hergestellt werden, da wegen des Abtragens der die Negativstruktur umgebenden Teile die Negativstruktur selbst von den Abmessungen des Laserstrahls unabhängig ist.

Es ist vorteilhaft, wenn als Unterlage für die galvanische Beschichtung eine gelochte Tragscheibe verwendet wird, die selbst eine Lage der Lochscheibe bildet. Die gelochte Tragscheibe kann vorteilhaft mittels eines wirtschaftlichen Verfahrens wie z. B. Stanzen erzeugt werden, so dass der Zeitaufwand für eine galvanische Herstellung einer der gelochten Tragscheibe entsprechenden galvanischen Schicht eingespart werden kann. Hierdurch sinken die Fertigungszeiten für die Lochscheibe insgesamt, wodurch vorteilhaft eine höhere Wirtschaftlichkeit des Herstellungsverfahren erreicht wird.

Weiterhin vorteilhaft kann auf beiden Seiten der gelochten Tragscheibe eine galvanische Beschichtung erfolgen. Damit bildet die gelochte Tragscheibe sozusagen einen Grundkörper, der beidseitig mit hochpräzisen galvanischen Schichten versehen ist. Damit können die für das Zuführen und Ausstoßen des Fluides zum Einsatz kommenden Durchgänge an den jeweiligen Außenseiten der gebildeten Lochscheibe in hoher Präzision gefertigt werden, so dass auch das Ausstoßen des Fluids vorteilhaft mit hoher Präzision erfolgen kann.

Besonders vorteilhaft ist es, wenn die galvanische Beschichtung auf beiden Seiten der gelochten Tragscheibe in parallel ablaufenden Fertigungsschritten gleichzeitig erfolgt. Hierdurch kann die Fertigungszeit für die Lochscheibe vorteilhaft weiter verringert werden, indem die Lochscheibe mit einem galvanischen Bad gleichzeitig mit beiden Schichten versehen wird. Eine weitere Effizienzsteigerung lässt sich erzielen, wenn auch die Fertigungsschritte der galvanischen Beschichtung, die dem eigentlichen Metallabscheiden vorgelagert sind, also das eventuelle Aufbringen einer Galvanikstartschicht und das Aufbringen und Entwickeln von lichtempfindlichen Schichten, in parallel ablaufenden Fertigungsschritten vorgenommen werden.

Weitere Einzelheiten der Erfindung werden im Folgenden anhand der Zeichnung beschrieben. Hierbei zeigen
1a bis g schematisch die Fertigungsschritte eines Ausführungsbeispiels des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Bildung einer Lochscheibe,
2 eine alternative Ausgestaltung der Verfahrensschritte b und c gemäß 1,
3 perspektivisch die Negativstruktur zur Bildung einer galvanischen Schicht entsprechend der Gestalt der Schicht 21b gemäß 1f auf einer Unterlage, auf der mehrere Scheiben nebeneinander hergestellt werden und
4 ein Ausführungsbeispiel des Herstellungsverfahrens für die Erzeugung einer konischen Negativstruktur bei einem Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Lochscheibe, wobei der dargestellte Ausschnitt dem Ausschnitt X in 1d ähnlich ist.
In 1a ist eine gelochte Tragscheibe 11 im Schnitt dargestellt, wobei diese als Unterlage für eine galvanische Beschichtung dienende Tragscheibe und das einzige Durchgangsloch 12 beispielsweise aus einem Edelstahlband gestanzt wurden.
Das Durchgangsloch 12 gemäß 1a kann gemäß 1b mit einer Verfüllmasse 13 aus Kunststoff ausgefüllt werden, wodurch auf beiden Seiten der gelochten Tragscheibe 11 je eine geschlossene Tragfläche 14a, 14b für den Aufbau weiterer Schichten gebildet wird.
Wie 1c zu entnehmen ist, wird die gelochte Tragscheibe anschließend beidseitig zunächst mit je einer Galvanikstartschicht 15a, 15b und einer lichtempfindlichen Schicht 16a, 16b versehen.
Wie in 1d angedeutet, können die lichtempfindlichen Schichten 16a, 16b beispielsweise durch Auflegen einer Maske 17 und Belichten beispielsweise mittels Weißlicht 18 oder auch ohne Zwischenschaltung einer Maske direkt mit einem Laserstrahl 19 entwickelt werden.
Die Maske 17 wird mittels des Weißlichtes 18 schräg bestrahlt, so dass sich eine Negativstruktur mit schräg zur Oberfläche der lichtempfindlichen Schicht 16a verlaufenden Wänden bildet. Diese Wände entsprechen genau einem Lichteinfall 181 durch die Maske, welcher in 1d angedeutet ist. Ebenso ist der Laserstrahl 19 schräg zur Oberfläche der lichtempfindlichen Schicht 16b ausgerichtet, wobei die zu bildenden Negativstrukturen genau dem Querschnitt des Laserstrahls 19 entsprechen. Die Wandungen der zu bildenden Negativstruktur entspricht damit genau einem Rand 19l des Laserstrahls in der lichtempfindlichen Schicht 16b.
Wie 1e zu entnehmen ist, werden nicht belichtete Teile der lichtempfindlichen Schichen 16a, 16b entfernt, wodurch Negativstrukturen 20a, 20b aus den entwickelten Teilen der Schichten 16a, 16b gebildet werden. Diese Negativstrukturen sollen in den zu bildenden Galvanikschichten 21a, 21b (vgl. 1f) das Volumen für ein Kanalsystem einnehmen. Die zu bildenden Galvanikschichten 21a, 21b entsprechen in ihrer Dicke den jeweiligen lichtempfindlichen Schichten 16a, 16b.
Nach Beendigung der galvanischen Beschichtung werden die Negativstrukturen 20a, 20b die Verfüllmasse 13 sowie die Galvanikstartschichten 15a, 15b im Bereich der Verfüllmasse 13 bzw. der Negativstrukturen 20a, 20b beispielsweise durch eine Ätzbehandlung entfernt. Dieser Vorgang wird auch als Resist-Strip bezeichnet. Im Bereich der Verfüllmasse 13 sowie den Negativstrukturen 20a, 20b entsteht damit ein Hohlraum, der ein unter Bildung von Durchgängen bzw. Durchtrittsöffnungen 22 für ein Fluid ein die fertig gestellte Lochscheibe 23 durchsetzendes Kanalsystem 24 bildet. Ergänzend kann auf die Lochscheibe eine zusätzliche Schicht 25 mit einer Siebstruktur aufgebracht werden, die zur Filterung des durch die Lochscheibe 23 geführten Fluids dient, um ein eventuelles Verstopfen der Kanalstruktur 24 zu verhindern.
Die Tragscheibe 11 gemäß 2 ist genauso aufgebaut wie die Tragscheibe gemäß 1. Alternativ zu den Galvanikstartschichten 15a, 15b und lichtempfindlichen Schichten 16a, 16b gemäß 1 ist auf die Tragscheibe 11 gemäß 2 eine Folie 26, bestehend aus einer metallischen Lage 27 und einer lichtempfindlichen Lage 28, aufgebracht. Die metallische Lage 27 übernimmt dabei die Funktion der Galvanikstartschicht 15a und die lichtempfindliche Lage 28 die Funktion der lichtempfindlichen Schicht 16a gemäß der 1. Auf eine Verfüllmasse kann bei diesem Ausführungsbeispiel verzichtet werden, da die Folie 26 eine genügende Steifigkeit aufweist, um das Durchgangsloch 12 zu überbrücken.
Gemäß 3 werden die Negativstrukturen 20b auf einer Unterlage 29 erzeugt, auf der mehrere galvanisch erzeugt Lochscheiben nebeneinander hergestellt werden sollen. In 3 ist die Negativstruktur für eine Schicht einer Lochscheibe dargestellt. Diese Schicht ist durch eine weitere Negativ struktur 20c von benachbarten Schichten für weitere Lochscheiben getrennt, von denen jeweils Ausschnitte 30 zu erkennen sind. Bei den Negativstrukturen 20b ist zu erkennen, dass diese einen Kranz von Durchgängen bilden, die jeweils zur Schichtgrenzfläche der zu erzeugenden Schicht – definiert durch die Oberfläche der Unterlage 29 – einen Winkel ungleich 90° aufweisen.
Der 4 lässt sich entnehmen, wie mittels des Laserstrahls 19 eine konische Negativstruktur 20d, angedeutet durch den kreuzschraffierten Bereich, gebildet werden kann. Hierbei muss der Laser mit veränderlichem Winkel zur Oberfläche der lichtempfindlichen Schicht 16b geführt werden, wobei die beiden Grenzpositionen im Schnitt gemäß 4 dargestellt sind, in denen der Laser die Seitenwände der Negativstruktur bildet.
Alternativ und in 4 angedeutet könnte die Negativstruktur 20d auch mittels Laserablation erzeugt werden. Anstelle der lichtempfindlichen Schicht 16b müsste dann eine bereits ausgehärtete Hilfsschicht (nicht dargestellt) verwendet werden, wobei ein Laserstrahl 19a die nicht zur Bildung der Negativstruktur 20d benötigten Teile der Hilfsschicht entfernen würde.

Claims

Herstellungsverfahren für eine Lochscheibe zum Ausstoßen eines Fluids mit mindestens einer galvanisch erzeugten, mindestens einen Durchgang (22) aufweisenden Schicht (21a, 21b), bei dem – eine Hilfsschicht auf eine Unterlage (11) aufgebracht wird, – eine Negativstruktur (20a, 20b) des Durchgangs (22) in der Hilfsschicht (16a, 16b) mit einer derartigen Geometrie erzeugt wird, dass Wandbereiche des Durchgangs (22) in einem Winkel ungleich 90° zur Schichtgrenzfläche verlaufen, – später die Schicht (21a, 21b) um die Negativstruktur (20a, 20b) herum galvanisch auf der Unterlage (11, 29) erzeugt wird und – später die Negativstruktur (20a, 20b) beseitigt wird, dadurch gekennzeichnet, dass die Negativstruktur mittels eines Laserstrahls (19, 19a) erzeugt wird.
Herstellungsverfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass – die Hilfsschicht eine lichtempfindliche Schicht (16a, 16b) ist, – die Negativstruktur (20a, 20b) durch Belichten der lichtempfindlichen Schicht (16a, 16b) mittels des Laserstrahls (19) gebildet wird und – anschließend die unbelichteten Teile der lichtempfindlichen Schicht (16a, 16b) entfernt werden.
Herstellungsverfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Negativstruktur (20a, 20b) für Durchgänge mit einem konstanten Querschnitt ausgebildet wird, indem der Laserstrahl parallel verschoben wird.
Herstellungsverfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass – die Negativstruktur (20a, 20b) durch Laserablation der die Negativstruktur umgebenden Teile der Hilfsschicht erzeugt wird.
Herstellungsverfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass als Unterlage eine gelochte Tragscheibe (11) verwendet wird, die selbst eine Lage der Lochscheibe bildet.
Herstellungsverfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass auf beiden Seiten der gelochten Tragscheibe (11) eine galvanische Beschichtung erfolgt.
Herstellungsverfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die galvanische Beschichtung auf beiden Seiten der gelochten Tragscheibe (11) in parallel ablaufenden Fertigungsschritten gleichzeitig erfolgt.