DE19731780A1

DE19731780A1 - Verfahren zur Herstellung empfindlicher Formteile unter Einsatz einer Folie

Info

Publication number: DE19731780A1
Application number: DE1997131780
Authority: DE
Inventors: Wolfgang Prof Dr Ehrfeld; Lutz Dr Weber
Original assignee: Institut fuer Mikrotechnik Mainz GmbH
Current assignee: Institut fuer Mikrotechnik Mainz GmbH
Priority date: 1997-07-24
Filing date: 1997-07-24
Publication date: 1999-01-28

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von Formteilen mittels eines Abformverfahrens.

Bei der Herstellung von empfindlichen Mikroformteilen, wie beispielsweise Linsen oder Mikrobauteilen, ergibt sich die Anforderung, daß die Formteile keine Oberflächenmängel oder -defekte aufweisen dürfen. Solche Mängel werden jedoch in der Regel durch die Entformung, d. h. die Entnahme der Formteile aus dem Formwerkzeug, hervorgerufen.

Zur Enformung von insbesondere spritzgegossenen Formteilen sind unterschiedliche Werkzeuge und Verfahren bekannt [H. Gastrow: Der Spritzgieß-Werkzeugbau in 100 Beispielen, Carl Hanser Verlag, München, Wien, (1990)]. So werden zur Enformung eingesetzt:

- Auswerferstifte,
- Auswerfhülsen,
- Abstreifplatten, Abstreifleisten, Abstreifringe,
- Schieber-Backen,
- Luftauswerfer sowie
- Teller- oder Pilzauswerfer.

Die Art der Auswerfer ist im wesentlichen von der Gestalt des Formteils abhängig, wobei die beim Entformen auf das Formteil ausgeübte Flächenpressung so klein wie möglich sein sollte, um Abdrücke und Deformationen an der Formteiloberfläche so klein wie möglich zu halten.

Die beim konventionellen Spritzgießen verwendeten Auswerfmechanismen können für die Entformung hochempfindlicher Formteile aus folgenden Gründen nicht verwendet werden:

- Die durch die Auswerfer ausgeübte Flächenpressung am Formteil führt zu unzulässigen Deformationen oder Oberflächendefekten; dies gilt insbesondere für Linsen mit optischen Oberflächen.
- Die geringen, in der Regel im Submillimeterbereich liegenden Abmessungen der Formteile, wie beispielsweise bei Mikrozahnrädern oder Mikrofedern, lassen keine Verwendung von Auswerfern zu.
- Die Realisierung von Auswerfern insbesondere für Mikrobauteile wäre mit erheblichen technischen Aufwendungen verbunden, da notwendige Passungstoleranzen für die Auswerfer deutlich kleiner als die zu füllenden Mikrostrukturen, deren Dimensionen im Bereich einiger Mikrometer liegen können, sein müssen.

Aufgabe der Erfindung ist es deshalb, ein Abformverfahren bereitzustellen, das die Herstellung empfindlicher Formteile ohne Oberflächenmängel oder -defekte in einfacher Weise ermöglicht.

Die Aufgabe wird durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1 sowie des Anspruchs 8 gelöst. Die abhängigen Ansprüche betreffen vorteilhafte Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Verfahrens.

Der Grundgedanke der Erfindung besteht darin, daß vor dem eigentlichen Abformen des empfindlichen Formteils eine Folie lösbar auf mindestens einen Teilbereich des Formeinsatzes aufgebracht wird. Das auf die Folie beim Abformungsprozeß aufgebrachte und ausgehärtete Formteil kann gemeinsam mit der Folie entformt werden. Hierdurch können insbesondere empfindliche Formteile unter Erhalt ihrer Oberflächengüte einfach dem Formeinsatz entnommen werden. Entformwerkzeuge, die an den Formteilen angreifen und zu Defekten an den Formteilen führen können, werden nicht benötigt.

Gemäß der ersten Ausführungsform der Erfindung wird eine Folie in mindestens einen Teilbereich des Formeinsatzes eingebracht. Das Einlegen kann vorteilhaft mit einer Positioniereinrichtung erfolgen, die vorzugsweise gleichzeitig als Vorratsbehälter für die Folie dient. Vorzugsweise wird die Folie beim Schließen der Formwerkzeughälften geklemmt und so in ihrer Lage fixiert. Zur Erhöhung der Haftung zwischen der Folie und dem auf ihr abgeformten Formteil kann die dem Formteil zugewandte Oberfläche der Folie zumindest in einem Teilbereich chemisch und/ oder physikalisch behandelt sein. Dies kann beispielsweise durch Anätzen, Anlösen oder Aufrauhen erfolgen. Es ist aber auch möglich, der Oberfläche der Folie hierzu beispielsweise durch Prägen eine regelmäßige Oberflächenstruktur zu verleihen. Vorteilhaft werden Folien mit einer Dicke im Mikrometerbereich verwendet. Als Materialien eignen sich Metalle, Legierungen oder Polymere, wie Polyimid. Es kann von Vorteil sein, eine Folie zu verwenden, in deren Oberfläche beispielsweise keramische Partikel eingebettet sind. Auch hiermit kann durch die erhöhte Oberflächenrauhigkeit eine verbesserte Haftung des Formteils an der Folie erzielt werden.

Gemäß der zweiten Ausführungsform wird eine Folie mindestens auf einem Teilbereich der Oberfläche des Formeinsatzes hergestellt. Gemäß einer Ausführungsvariante wird die Folie durch Aufsprühen einer Kunststofflösung hergestellt. Die aufgesprühte Kunststoffschicht härtet auf der Oberfläche des Formeinsatzes aus und bildet so die der Erfindung zugrundeliegende Folie. Nach einer anderen Ausführungsvariante wird die Folie durch einen Gießpozeß hergestellt. Hierzu wird eine Werkzeughälfte, die nicht mit einer Folie versehen werden soll, gegen eine andere Werkzeughälfte ausgetauscht, deren Kontur so gestaltet ist, daß nach Schließen des Abformwerkzeuges ein beim Gießprozeß auszufüllender Formenhohlraum entsteht, der der Form einer Folie, die man über die Kontur der ersten Werkzeughälfte legen würde, entspricht. Nach dem Ausgießen des Formenhohlraumes härtet die Gießmasse aus. Dies geschieht vorteilhafterweise durch Abkühlung, wenn die Gießmasse ein Thermoplast ist, oder durch chemische Reaktion, wenn die Gießmasse beispielsweise ein Reaktionsharz ist, oder durch Einwirkung von Strahlung, wenn die Gießmasse ein strahlungsempfindlicher Resist ist. Ist der Abformprozeß zur Herstellung des Mikrobauteils ein Spritzgießprozeß, wird als Herstellungsprozeß für die Folie vorteilhafterweise ebenfalls ein Spritzgießprozeß verwendet. Insgesamt verläuft der Herstellungsprozeß dann ähnlich dem Zweikomponenten- Spritzgießen.

Der zweite Schritt des erfindungsgemäßen Verfahrens umfaßt die Abformung des Formteils unter Verwendung des Formeinsatzes, auf dem sich zumindest in einem Teilbereich die Folie befindet. Als Abformverfahren können bekannte Verfahren wie Spritzgießen, Reaktionsgießen, Heißprägen oder Spritzprägen verwendet werden.

Beim Spritzprägen wird üblicherweise ein Formstoff in eine nicht ganz geschlossene Hohlform eingespritzt. Die eigentliche Formgebung des Bauteils erfolgt anschließend durch das endgültige Schließen der beiden Werkzeughälften des Abformwerkzeuges. In diesem Fall hat die Verwendung einer Folie auf der Oberfläche einer Werkzeughälfte den zusätzlichen Vorteil, daß ein sich im Randbereich der Hohlform in der Trennebene des Werkzeuges befindender Anguß beim Zusammendrücken beider Werkzeughälften sauber abgeschert wird.

Im dritten Schritt des Verfahrens erfolgt die Entnahme der Folie gemeinsam mit dem an ihr haftenden Formteil aus dem Formwerkzeug. Werden hierfür Entformvorrichtungen, wie beispielsweise Auswerferstifte, eingesetzt, so greifen diese vorzugsweise nicht direkt am Formteil sondern lediglich an der Folie an. Die Gefahr von Entformungsdefekten an den empfindlichen Mikrobauteilen wird dadurch vermieden.

Es kann vorteilhaft sein, zumindest die Oberfläche der Werkzeughälfte, die mit der Folie in Kontakt ist, dauerhaft vorzubehandeln, um ein leichteres Entfernen der Folie zu ermöglichen. Dies kann beispielsweise durch eine Antihaftbeschichtung mittels fluorhaltiger Kunststoffe, wie Polytetrafluorethylen, erfolgen.

Zur Trennung des Formteils von der Folie können verschiedene Verfahren eingesetzt werden. So können Formteil und Folie aufgrund unterschiedlicher thermischer Ausdehnungskoeffizienten durch sprunghafte Temperaturänderung, etwa von mehr als 100 K, getrennt werden. Weist die der Oberfläche des Formteils angepaßte Oberfläche der Folie eine gekrümmte Struktur auf, wie es beispielsweise bei Linsen der Fall ist, kann die Trennung von Formteil und Folie durch Spannen der Folie, beispielsweise zwischen Spannbacken, erfolgen. Sind die Haftkräfte zwischen Formteil und Folie klein, was zum Beispiel der Fall ist, wenn die Fläche auf der sich Formteil und Folie berühren klein ist, kann die Trennung auch durch mechanisches Abscheren erfolgen. In diesem Fall wird dazu ein entsprechend an die Außenkontur des Formteils angepaßter Greifer verwendet und die Folie fest eingespannt oder mittels einer Vakuumvorrichtung gehalten.

Es kann jedoch von Vorteil sein, das Formteil auf der Folie zu belassen. So kann die Folie als Magazin insbesondere für empfindliche Mikrobauteile dienen. Bevorzugt werden hierzu Folien ausreichender mechanischer Stabilität eingesetzt. Vorteilhaft eignen sich hierzu Folien mit einer Dicke von mindestens 100 µm. Mikrobauteile lassen sich so schonend handhaben und transportieren. Die Trennung des Formteils von der Folie braucht erst vor der eigentlichen Montage oder Weiterverarbeitung des Formteils zu erfolgen.

Verfahrensschritte der ersten Ausführungsform, bei der eine Folie in mindestens einen Teilbereich des Formeinsatzes eingebracht wird, werden anhand der nachfolgenden Zeichnungen näher erläutert.

Es zeigen:

Fig. 1a ein offenes Abformwerkzeug mit Folie im Querschnitt von der Seite,

Fig. 1b das Abformwerkzeug nach Fig. 1a im geschlossenen Zustand,

Fig. 2a das Abformwerkzeug nach Fig. 1b beim ersten Schritt des Spritzprägens,

Fig. 2b das Abformwerkzeug nach Fig. 2a beim zweiten Schritt des Spritzprägens,

Fig. 3 Entformen des Formteils mit der Folie.

Fig. 4 Trennen Formteil und Folie.

Fig. 1a zeigt den prinzipiellen Aufbau eines Abformwerkzeuges 1 im geöffneten Zustand bestehend aus beweglicher Werkzeughälfte 2a mit den beiden Formeinsätzen 3a und fester Werkzeughälfte 2b mit den beiden Formeinsätzen 3b sowie dem Angußkanal 4 und der Trennebene 9. Zwischen den beiden Werkzeughälften 2a, 2b befindet sich eine Folie 10. Die Formeinsätze 3a, 3b bestimmen die Kontur der Formteile, hier Linsen, beim Abformprozess.

Fig. 1b zeigt das Abformwerkzeug nach Fig. 1a im geschlossenen Zustand. Zu erkennen sind neben den in Fig. 1a dargestellten Elementen der Angußkanal 4, der Verteilerkanal 5, der Anschnitt 6, die Trennebene 9, an der sich die beiden Werkzeughälften 2a, 2b berühren, und die Kavität 8, die durch die Formeinsätze 3a, 3b begrenzt wird. Die Folie 10 ist zwischen den beiden Werkzeughälften 2a, 2b geklemmt und liegt an den beiden, der den Angußkanal 4 aufweisenden Werkzeughälfte 2b gegenüberliegenden Formeinsätzen 3a an.

Zum Klemmen der Folie wird die bewegliche Werkzeughälfte 2a auf die feste Werkzeughälfte 2b solange zubewegt, bis die Folie 10 in der Trennebene 9 fest eingespannt ist. Vorteilhafterweise sind die Werkzeughälften 2a und 2b so gestaltet, daß die Folie 10 formschlüssig auf der Kontur wenigstens eines Formeinsatzes 3a an liegt. Die beim Gießen zu füllende Kavität 8 wird nun durch den Formeinsatz 3b und der auf den Formeinsätzen 3a liegenden Folie 10 begrenzt.

In den Fig. 2a und 2b ist der Schritt des Abformens von Formteilen, hier Linsen, am Beispiel des Spritzprägens dargestellt.

Fig. 2a zeigt den ersten Schritt des Spritzprägeprozesses, bei dem das Abformwerkzeug 1 gefüllt wird. Dabei wird bei geschlossenen Werkzeughälften 2a, 2b die Schmelze 7 durch den Angußkanal 4 zunächst in eine nicht vollständig geschlossene Kavität 8 eingespritzt. Dies wird dadurch erreicht, daß beispielsweise die Formeinsätze 3b beweglich ausgelegt sind.

Fig. 2b zeigt den zweiten Schritt eines Spritzprägeprozesses - das Prägen. Durch die Bewegung des beweglichen Formeinsatzes 3b in Richtung des stationären Formeinsatzes 3a wird die endgültige Kavität 8 der Linse realisiert. Bei dieser Bewegung wird gleichzeitig der Anschnitt 6 vollständig vom Formteil abgeschert, indem der Rand des Formeinsatzteils 3b die Folie 10 zusammendrückt. Im Ergebnis kann das Formteil 11 ohne Anguß gemeinsam mit der Folie 10 dem Abformwerkzeug entnommen werden.

Fig. 3 zeigt die Entformung des Formteils 11 durch Abziehen der Werkzeughälfte 2a. Dabei verbleibt das Formteil 11 auf der Folie 10 Fig. 4 zeigt eine Ausführungsform zur Trennung von Formteil 11 und Folie 10. Dazu wird die Folie 10 in eine Spannvorrichtung 12 eingeklemmt und unter Zugbeanspruchung gesetzt. Da die Steifigkeit der Formteile 11 viel größer als die der Folie 10 ist, behält das Formteil 11 seine äußere Kontur in wesentlichen bei und löst sich von der Folie.

Bezugszeichenliste

1

Abformwerkzeug

2

a bewegliche Werkzeughälfte

2

b feste Werkzeughälfte

3

a Formeinsatz in der beweglichen Werkzeughälfte

3

b Formeinsatz in der festen Werkzeughälfte

4

Angußkanal

5

Verteilerkanal

6

Anschnitt

7

Schmelze

8

Kavität

9

Trennebene

10

Folie

11

Formteil

12

Spannvorrichtung.

Claims

1. Verfahren zur Herstellung mindestens eines Formteils (11) mittels eines Abformverfahrens, gekennzeichnet durch folgende Schritte:

1. Einbringen einer Folie (10) mindestens in einen Teilbereich des Formeinsatzes (3a, 3b),
2. Formung des Formteils (11) unter Verwendung des Formeinsatzes (3a, 3b),
3. Entnahme der Folie (10) mit dem an ihr haftenden Formteil (11).

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Folie (10) durch eine Positioniereinrichtung in das Formwerkzeug (1) eingebracht wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Folie (10) durch Konturen des Formwerkzeuges (1) geklemmt wird.

4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Folie (10) aus einem Polymer, einem Metall oder einer Legierung besteht.

5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß eine Folie (10) mit einer zumindest in einem Teilbereich chemisch und/ oder physikalisch behandelten, dem Formteil (11) zugewandten Oberfläche verwendet wird.

6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß eine Folie (10) mit einer vorzugsweise durch Prägen mikrostrukturierten, dem Formteil (11) zugewandten Oberfläche verwendet wird.

7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß eine Folie (10) mit auf der dem Formteil (11) zugewandten Oberfläche befindlichen vorzugsweise keramischen Partikeln verwendet wird.

8. Verfahren zur Herstellung mindestens eines Formteils mittels eines Abformverfahrens, gekennzeichnet durch folgende Schritte:

1. Herstellen einer Folie mindestens auf einem Teilbereich der Oberfläche des Formeinsatzes,
2. Formung des Formteils unter Verwendung des Formeinsatzes,
3. Entnahme der Folie mit dem an ihr haftenden Formteil.

9. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Folie durch Aufsprühen oder Gießen einer geeigneten Kunststofflösung auf mindestens einen Teilbereich der Oberfläche des Formeinsatzes hergestellt wird.

10. Verfahren nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Folie durch Abformung hergestellt wird, wobei die Folie mit mindestens einem Formeinsatz im Formwerkzeug verbleibt, und daß das Formteil unter Verwendung des zusammen mit der Folie im Formwerkzeug verbliebenen Formeinsatzes sowie mindestens eines weiteren Formeinsatzes geformt wird.

11. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Folie (10) mindestens auf einem Teilbereich des Formeinsatzes (3b) aufgebracht bzw. hergestellt wird, welcher sich in der Werkzeughälfte (2b) befindet, die den Angußkanal (4) aufweist, und daß die Folie (10) vorzugsweise im Bereich der Öffnung des Angußkanals (4) ein Loch aufweist.

12. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Folie (10) mindestens auf einem Teilbereich des Formeinsatzes (3a) aufgebracht bzw. hergestellt wird, welcher sich auf der dem Angußkanal (4) gegenüberliegenden Werkzeughälfte (2a) befindet.

13. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß zur Entnahme der Folie (10) mit dem an ihr haftenden Formteil (11) eine Entformvorrichtung an der Folie (10) angreift.

14. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß nach der Entnahme der Folie (10) aus dem Formwerkzeug (1) das Formteil (11) von der Folie (10) getrennt wird.

15. Verfahren nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß zur Trennung von Formteil (11) und Folie (10) die Folie (10) unter Zugspannung versetzt wird.

16. Verfahren nach einem der Ansprüche 14 oder 15, dadurch gekennzeichnet, daß Formteil (11) und Folie (10) durch eine rasche Temperaturänderung der Folie (10) und/oder des Formteils (11) getrennt werden.

17. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß das Formteil (11) zur Magazinierung auf der Folie (10) belassen wird.

18. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 17, dadurch gekennzeichnet, daß ein Formeinsatz (3a, 3b) zur Herstellung mindestens eines Formteils (11) mit Strukturabmessungen und/ oder Außenabmessungen mindestens in einer Dimension kleiner als 1 mm verwendet wird.

19. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 17, dadurch gekennzeichnet, daß ein Formeinsatz (3a, 3b) zur Herstellung mindestens eines Formteils (11) mit Strukturabmessungen und/ oder Außenabmessungen mindestens in einer Dimension kleiner als 100 µm verwendet wird.

20. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 17, dadurch gekennzeichnet, daß ein Formeinsatz (3a, 3b) zur Herstellung mindestens eines Formteils (11) mit Strukturabmessungen und/ oder Außenabmessungen mindestens in einer Dimension kleiner als 10 µm verwendet wird.

21. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß zur Herstellung des Formteils (11) als Abformverfahren ein Spritzgießverfahren, ein Spritzprägeverfahren, ein Heißprägeverfahren oder ein Reaktionsgießverfahren verwendet wird.