DE1774823B2 - Verfahren zur herstellung einer stroemungsgesteuerten vorrichtung - Google Patents

Description

60

Die Erfindung betrifft die Herstellung von strömungsgesteuerten Vorrichtungen nach dem Oberbegriff des geltenden Hauptanspruchs, z. B. strömungsgesteuerten logischen Elementen und strömungsgesteuerten Verstärkern.

D<e Phänomene, auf denen die Wirkungsweise

strömungsgesteuerter Vorrichtungen beruht, erfordern Durchlässe mit ziemlich verwickelten Formen uns⁴ kleinen Abmessungen, die in vielen Fällen hohen Anforderungen an die Genauigkeit entsprechen müssen. Solche strönsungsgesteuerten Vorrichtungen können aus Kunststoffen hergestellt werden, was auch bereits geschehen ist, wobei man aus der Tatsache Nutzen zieht, daß die Methoden zur Verformung von Kunststoffen es erlauben, die Form einer Matrize verhältnismäßig billig mit großer Genauigkeit zu wiederholen. Die Verwendung von Kunststoffen beschränkt jedoch die Anwendbarkeit solcher Vorrichtungen auf Temperaturen, welche für die meisten Kunststoffe unter 100⁰C liegen müssen und in der Praxis stets unter 200⁰C liegen. Wenn die Vorrichtungen bei höherer Temperatur verwendet werden sollen, benötigt man zu ihrer Herstellung daher Materialien, die höhere Temperaturen aushalten, insbesondere Metalle. In dem Buch »Fluidics« von Humphrey, das 1965 in Boston erschienen ist, wird auf den Seiten 87 und 88 bereits eine Methode zur Herstellung der Wandungen von strömungsgesteuerten Vorrichtungen mit untereinander verbundenen Durchlässen beschrieben, bei welcher diese Durchlässe du^ch sogenannte Elektroformierung gebildet werden, d.h. durch Aufplattieren von Metall auf eine vorbereitete Oberfläche, von welcher das aufplattierte Metall dann leicht ablösbar ist, z. B. erfolgt die Aufplattierung auf vorbereitete Oberflächen aus einem wachsartigen Kern oder einem Kern aus Kunststoff.

Aufgabe der Erfindung ist die Schaffung eines verbesserten Verfahrens zur Herstellung von strömungsgesteuerten Vorrichtungen, die bei höheren Temperaturen bis zu 400⁰C betrieben werden können und deren untereinander verbundenen Durchlässe Wandungen aus Metall aufweisen, welche durch Niederschlagen von Metall auf einem Kern aus wachsartigem Material oder Kunststoff erzeugt werden. Die Erfindung kennzeichnet sich dadurch, daß man auf den Kern eine dünne glatte elektrisch leitende Schicht stromlos niederschlägt und auf diese Schicht dann Wandungsmetall nach einem anderen Verfahren auflagert.

Vorteilhafte Weiterbildungen sind in den Unteransprüchen beschrieben.

Für Vorrichtungen, die bei Temperaturen wesentlich oberhalb 200⁰C betrieben werden sollen, wird vorzugsweise Nickel für das Wandungsmetall verwendet. Wenn Kupfer als Material für die stromlose Metallisierung verwendet wurde, wird die Kupferschicht abschließend durch Lösen entfernt, während bei Verwendung von Nickel als Material für die stromlose Metallisierung der gebildete zusammengesetzte Körper zweckmäßig auf eine Temperatur von etwa 400⁰C erhitzt wird; dieser Vorgang bewirkt eine Härtung der stromlos niedergeschlagenen Nickelschicht, welche die Betriebsoberfläche der strömungsgesteuerten Vorrichtung bildet. Obwohl bevorzugt die Niederschlagung der zweiten Metallschicht durch Elektroplattierung erfolgt, können doch auch andere Niederschlagungsmethoden, einschließlich der sogenannten Metallaufsprühung, angewendet werden.

Die erfindungsgemäße Methode kann auf zweierlei Wegen zur Erzeugung einer strömungsgesteuerten Vorrichtung führen.

Bei einer Methode wird ein Körper aus Wachs oder einem anderen leicht löslichen Material mit einer dem gewünschten Durchlaßsystem und seinem Außenanschluß entsprechenden Form aufgehängt, und zwar

vorzugsweise mittels Drähten, welche mit einem Ende in xiie Enden des Außenanschlusses hineinragen und axial daraus vorstehen; dieser Körper wird nach der Metallniederschlagung dann durch HerausschmeJzen oder Lösen entfernt, wobei die Lösung eine chemische Reaktion einschließen kann.

Bei der anderen Methode wird eine das gewünschte Durchlaßsystem darstellende Kernstruktur in einem Stück mit einer Unterlagsplatte hergestellt, von welcher die das Durchlaßsystem bildenden Kerne abstehen. Obwohl auch hier das Material Wachs sein kann, verwendet man vorzugsweise doch einen Kunststoff, z.B. ein Epoxidharz oder vorzugsweise sogenannten A-BX-Kunststoff, was ein Acrylnitril-Butadien-Styrolmischpolymerisat ist, das sich als besonders vorteilhaft erwiesen hat, wenn durch die stromlose Niederschlagung eine Kupferschicht aufgebracht werden soIL

Nachstehend wird für jede Methode ein Beispiel gegeben.

Beispiel I

Zur Herstellung des Durchlaßsystems eines strömungsgesteuerten Elements wird ein dem gewünschten Durchlaßsystem und seinen Außenanschlüssen entsprechender Kern aus Wachs oder einem ähnlichen Material hergestellt, welcher leicht durch Herausschmelzen oder Lösen entfernbar ist; dieser wird mit einem stützenden Draht versehen, welcher in der Strömungsrichtung in die die Außenanschlüsse bildenden Kernteile eindringt. Diese Kernstruktur wird dann für die stromlose Nickelplattierung aufnahmefähig gemacht, indem man sie zuerst mit ein Netzmittel enthaltender Stannochloridlösung und dann nach einem Waschvorgang mit einer Palladiumchloridlösung behandelt und anschließend wieder wäscht. Dann wird der Kern nickelplattiert. indem man ihn in eine der handelsüblichen, eine stromlose Nickelplattierung ergebenden Flüssigkeiten eintaucht, z. B. die als Canning's Elektrolyte Nickel oder Alkan Elektrolyte Nickel bekannten Flüssigkeiten. Nachdem so eine dünne Nickelschicht auf dem Wachs oder dem anderen Material der Kernstruktur niedergeschlagen wurde, wird der Kern in einen Elektroplattierungsbehälter gebracht, und es erfolgt eine Elektroplattierunf; von Nickel aus einer Nickelsulfonatlösung auf der dünnen durch stromlose Nickelniederschlagung erhaltenen Nickelschicht, und zwar so lange, bis die Dicke des aufgebrachten Nickels eine ausreichende mechanische Festigkeit gewährleistet. Danach wird der Stützdraht und das Kernmaterial entfernt, im Falle von Wachs durch Herausschmelzen. Nach Entfernung des Stützdrahtes und der Kerne, in der Regel durch Schmelzen, besitzt man eine strömungsgesteuerte Vorrichtung in Form von miteinander verbundenen rohrförmigen Durchlässen. Diese Vorrichtung kann entweder als solche verwendet oder in einen geeigneten Trägerkörper eingebracht werden, welch letzterer z. B. durch Metallaufsprühung erhalten werden kann.

Beispiel U

Aus einem A.B.S.-Kunsistoff wird ein das Durchlaßsy- _b0 stern einer gewünschten strömungsgesteuerten Vorrichtung darstellender Kernkörper in einem Stück mit einer Unterlagsplatte hergestellt. Die Metallniederschlagung erfolgt dann sowohl auf der Oberfläche der ebenen Unterlagsplatte als auch auf den die Durchlässe r,₅ bildenden Kernteilen. Diese Niederschlagung erfolgt in zwei Stufen, ähnlich wie in Beispiel I, jedoch mit der Ausnahme, daß durch die stromlose Plattierung eine Kupferschicht aufgebracht wird, wofür eine Plattierungsiösung Verwendung findet, die 5 g Kupfersulfat, 5 g Ätznatron, 25 g Rochellesalz und 10 ecm 37-41% w/v Formaldehyd pro Liter Wasser enthalten kann; bei der folgenden Elektroplattiemng wird wie in Beispiel I auf der durch die stromlose Plattierung erhaltenen Schicht Nickel niedergeschlagea Das so erhaltene Produkt ist ein verhältnismäßig starrer Körper, welcher dann von der Kernstruktur abgenommen wird und bei welchem in dieser Verfahrensstufe die Durchlässe an der Oberseite noch offen sind. Dieser Körper wird dann mit verdünnter Salpetersäure zur Herausl&sung des Kupfers behandelt, und die Durchlässe werden dann mit Wachs oder einem löslichen Kunststoff bis zur Ebene der durch die Unterlage gebildeten ebenen Oberfläche gefüllt, und duich eine weitere Niederschlagung wird sowohl auf der durch die ebenen Teile des ursprünglichen Körpers gebildeten Oberfläche als auch auf der Oberfläche der Wachs- oder Kunststofffüllung eine weitere Nickelschicht gebildet, die so dick gemacht wird, daß sie die zu erwartenden Innendrücke der Verrichtung aushält. Wenn zum Füllen der Durchlässe ein nichtleitendes Material verwendet wird, erfolgt diese Niederschlagung vorzugsweise so daß man zuerst eine dünne Nickel- (oder Kuyter-)schicht stromlos niederschlägt und dann darauf eine dickere Nickeltoder Kupfer-)schicht aufbringt, wobei die dickere Schicht vorzugsweise durch Elektroplattierung aufgebrachtwird.

Die der Elektroplattierung vorausgehende stromlose Niederschlagung einer anfänglichen Metallschicht kann in diesem Stadium dann unterbleiben, wenn man zum Füllen der Durchlässe ein Material mit ausreichender elektrischer Leitfähigkeit verwendet, das trotzdem leicht entfernbar ist. Ein geeignetes leitendes Füllmaterial erhält man durch Vermischen von etwa 95 Gewichtsteilen Aluminiumstaub mit etwa 5 Teilen Wachs, wobei das optimale Mischungsverhältnis am besten experimentell festgestellt wird, da es etwas je nach der Teilchengröße und -form des Aluminiumstaubs variiert Die freiliegende Oberfläche des Füllmaterials wird zweckmäßig vor der anschließenden Elektroplattierung geläppt, und zwar mittels eines feinkörnigen Siliziumcarbidpapiers.

Nach beendeter Bildung der den Querschnitt der Durchlässe vervollständigenden Metallschicht wird das Füllmaterial herausgeschmolzen oder herausgelöst; im Falle der Aluminiummischung wird das Aluminium in einer alkalischen Flüssigkeit, z. B. einer Ätznatronlösung, gelöst. Anschlüsse nach außen, welche durch die zuletzt hergestellte flache Nickeischicht hindurchgehen, können erhalten werden, indem man sie nach Bildung der Schicht bohrt, es sei denn, sie wurden während der Bildung der Schicht durch Verwendung von aus dem Innern der Durchlässe herausstehenden Kernen gebildet

Zur Erhöhung der Steifigkeit der Vorrichtung kann die ebene Oberflächenschicht, welche die ursprünglich mit offenen Rinnen versehenen Durchlässe bedeckt, mechanisch durch eine Unterlagsplatte aus Metall verstärkt werden, die mit der äußeren ebenen Oberfläche dieser Schicht verlötet wird. Die Unterlagsplatte kann in üblicher Weise mit öffnungen versehen sein, welche mit den öffnungen der Außenanschlüsse der strömungsgesteuerten Vorrichtung in Verbindung stehen.

Die in den Beispielen beschriebenen Einzelheiten können innerhalb des Rahmens der Erfinfung abgeän-

dert werden. So kann in Beispiel I der Bildung der durch Elektroplattierung aufgebrachten Nickelschicht eine stromlose Kupferplattierung vorangehen, wobei das Kupfer vorzugsweise anschließend durch Lösen wieder entfernt wird, um so die bessere Wärmebeständigkeit des durch Elektroplattierung aufgebrachten Nickels ausnutzen zu können. Andererseits kann die stromlos niedergeschlagene Kupferschicht in Beispiel Il durch eine elektrisch aufplattierte Nickelschicht ersetzt werden, in welchem Falle der nach Aufbringung einer weiteren Nickeischicht durch Elektroplattierung erhaltene Körper vorzugsweise auf etwa 400⁰C erhitzt wird, um die durch stromlose Plattierung gebildete Nickelschicht zu härten.

Die Verwendung von Kupfer anstelle von Nickel als Metall zur Bildung einer anfänglichen Schicht durch stromlose Niederschlagung besitzt den Vorteil, daß diese Niederschlagung bei Raumtemperatur erfolgen kann, wodurch eine Wärmeverformung der Kernstruktur vermieden wird.

Obwohl bei der zweiten Methode bevorzugt A.B.S.-Kunststoff für den Kern, auf welchem die Metallschichten gebildet werden, im allgemeinen verwendet wird, hat sich doch auch Epoxidharz als geeignet erwiesen. Auch Wachs kann verwendet werden; die Verwendung von Kunststoff, vorzugsweise von Epoxidharz oder A.B.S.-Kunststoff für den Kern, auf welchem die Niederschlagung erfolgt, besitzt jedoch gegenüber der Verwendung eines Wachskernes den Vorteil, daß das Harz oder der Kunststoff aufnahmefähiger für die

stromlose Nickeiplattierung gemacht werden kann, indem man zuerst mit ein Netzmittel enthaltender Stannochloridlösung und dann nach einer Waschung mit einer Palladiumchloridlösung behandelt und anschließend wieder wäscht Der Körper kann dann in ein sogenanntes stromloses Nickelplattierungsbad, das Phosphor enthält, eingetaucht und abschließend mit Nickel, vorzugsweise aus einer Nickelsulfonatlösung, elektroplattiert werden.

Im Gegensatz dazu muß ein Wachskörper für die Plattierung durch einen Silber- oder anderen Metallanstrich vorbereitet werden, damit eine stromlose Nickelplattierung oder Elektroplattierung erfolgen kann. Dieser Metallanstrich ergibt eine Oberfläche, die etwas schlechter ist als die durch stromlose Nickelplattierung auf einer Oberfläche eines Epoxidharzkörpers oder A.B.S.-Kunststoffkörpers erhaltene, wobei letzterer lediglich chemisch auf die beschriebene Weise behandelt worden war.

Obwohl Nickel wegen seiner ausgezeichneten Wärmebeständigkeit das bevorzugte Material für die Herstellung erfindungsgemäßer strömungsgesteuerter Vorrichtungen ist, können gegebenenfalls doch auch andere Metalle verwendet werden. So kann bei mäßigen Temperaturen Kupfer Verwendung finden, wenn eine hohe Wärmeleitfähigkeit erfordert wird, während die Verwendung von Legierungen mit besonders guter Korrosionsbeständigkeit für die Verwendung bei selbst für Nickel zu hohen Temperaturen geeignet erscheint.

Claims (6)

Patentansprüche:

1. Verfahren zur Herstellung einer strömungsgesteuerten Vorrichtung mit untereinander verbündenen Durchlässen, deren Wandungen aus Metall bestehen, wobei diese Wandungen durch Niederschlagen von Metall auf einem Kern aus wachsartigem Material oder Kunststoff erzeugt werden, dadurch gekennzeichnet, daß man auf den ₍₀ Kern eine dünne glatte elektrisch leitende Schicht stromlos niederschlägt und auf diese Schicht dann Wandungsmetall nach einem anderen Verfahren auflagert

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Kern vor Aufbringung der dünnen Metallschicht zuerst mit Stannochiorid und dann mit Palladiumchlorid behandelt wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Wandungsmetall durch Elektroplattierung auf der dünnen Schicht niedergeschlagen wird.

4. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das die dünne glatte Schicht durch chemische Nickelabscheidung gebildete und dann auf dieser dünnen Schicht weiteres Nickel durch Elektroplattierung niedergeschlagen wird, und daß der aus der dünnen Schicht und dem elektrisch aufplattierten Nickel bestehende Körper nach Abtrennung von dem Kern auf eine Temperatür von etwa 400⁰C erhitzt wird.

5. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die dünne glatte Schicht durch chemische Kupferibscheidung gebildet und auf dieser dünnen Schicht dann Nickel elektrisch aufplattiert wird, und daß nach Trennung des so erhaltenen Zweimetallkörpers von dem Kern dann die dünne Kupferschicht aufgelöst wird.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß ein Kern verwendet wird, bei welchem der den Durchlässen entsprechende Körper mit einer Unterlagsplatte ein Ganzes bildet, daß die Auflagerung von Wandungsmetall auf die stromlos niedergeschlagene dünne Metallschicht bis zur Bildung eines freitragenden Metallkörpers fortgeführt wird, in welchem die untereinander verbundenen Durchlässe vorhanden, jedoch auf Höhe der Unterlagsplatte noch offen sind, daß man dann, nach Trennung dieses Metallkörpers bis zur Oberfläche des auf der Unterlagsplatte abgelagerten Metalls mit einem verflüssigbaren Material füllt und dann auf der durch diese Oberfläche und das die miteinander verbundenen Durchlässe füllende Material gebildeten Fläche eine Wandungsmetallschicht der für die obere Abschlußwandung gewünschten Dicke aufbringt, und daß man dann schließlich das die Durchlässe füllende Material durch Verflüssigung entfernt