DE19850046A1

DE19850046A1 - Verfahren und Vorrichtung zur Herstellung von Kunststoff-Formteilen mit Hohlräumen, Hinterschneidungen oder Kanälen mit mikroskopischen Abmessungen

Info

Publication number: DE19850046A1
Application number: DE19850046A
Authority: DE
Inventors: Christian Ziegmann; Juergen Wollbold
Original assignee: Vereinigung zur Foerderung des Instituts fuer Kunststoffverarbeitung in Industrie und Handwerk an Der Rhein
Current assignee: Vereinigung zur Foerderung des Instituts fuer Kunststoffverarbeitung in Industrie und Handwerk an Der Rhein
Priority date: 1998-10-30
Filing date: 1998-10-30
Publication date: 2000-05-11

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur zyklischen Herstellung von gleichartigen Kunststoff-Formteilen mit Hohlräumen, Hinterschneidungen oder Kanälen im mikroskopischen Bereich. Wesentlicher Bestandteil des Verfahrens ist die Verwendung von verlorenen Kernen, die mittels ultraschallunterstützter Lösetechnik entformt werden. Die löslichen Kerne werden in einen Formhohlraum eingelegt und von einer unlöslichen Komponente ummantelt. Nach dem Entformen kann dann der lösliche Kern mittels Ultraschallunterstützung in einem Lösemittel aufgelöst werden und gibt somit einen geometrisch bestimmten Hohlraum frei.

Description

Anwendungsgebiet

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung entsprechend dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Stand der Technik

Es ist bekannt, daß Hohlräume, Hinterschneidungen oder Kanäle dadurch gekennzeichnet sind, daß ein Bauteil eine Aussparung an Material aufweist.

Es ist ebenso bekannt, daß bei mikrotechnischen Formteilen solche Kanäle oder Hohlräume dadurch realisiert werden, daß mindestens zwei Formteile, die jeweils einen Teil des Hohlraums enthalten, hergestellt und anschließend durch ein geeignetes Verfahren gefügt werden.

Die beiden Halbschalen können mittels der Mikrospritzgießtechnik hergestellt werden, wobei ähnlich der konventionellen Spritzgießtechnik die Formmassen unter Druck in einen Formhohlraum eingetragen und anschließend abgekühlt werden. Die Mikrospritzgießtechnik unterscheidet sich von der konventionellen Spritzgießtechnik dadurch, daß Bauteile oder Funktionselemente mit mikroskopischen Abmessungen hergestellt werden, und durch entsprechende anlagen- und verfahrenstechnische Besonderheiten gegenüber dem herkömmlichen Spritzgießen. Als mikroskopische Abmessungen werden hier Abmessungen verstanden, die unter 1 mm liegen.

Anschließend an die Formgebung der Halbschalen werden diese mittels einer Greifeinrichtung in ihrer endgültigen Anordnung positioniert. Die Verbindung der beiden strukturierten Formteile kann durch verschiedene Fügeverfahren realisiert werden. Eine Möglichkeit besteht darin, beide Formhälften an der Fügestelle aufzuschmelzen und anschließend unter Druck zusammenzubringen und hierdurch zu fügen (Stumpfschweißen). Eine weitere Möglichkeit besteht darin, die beiden Hälften aufeinanderzulegen und mittels eines Laserstrahls die Trennebene aufzuschmelzen. Dabei muß die eine Formhälfte für den Laserstrahl transparent sein, während die andere ihn absorbiert (Durchstrahlschweißen). Das Fügen muß ebenfalls unter Druck erfolgen, um eine ausreichende Schweißnahtfestigkeit zu erzielen. Als weitere Fügeverfahren kommen das Kleben mit fein dosierbaren Klebstoffen und das Bonden zum Einsatz.

Es ist weiterhin bekannt, daß makroskopische Hohlkörper wie Ansaugrohre in Automobilen, Ventil- oder Pumpenkörper aus Kunststoff dadurch realisiert werden können, daß ein Einlegekörper in ein Werkzeug eingebracht wird, dieser mit einem zweiten Material ummantelt wird und anschließend der Kern mittels einer geeigneten Technik entfernt wird.

Das Entfernen des Kerns kann dadurch realisiert werden, daß der erste Werkstoff durch Wärmeeinbringung schmilzt oder der Werkstoff sich in einem Lösemittel auflöst, wobei der zweite Werkstoff von diesen Maßnahmen nicht angegriffen wird. Ein Schmelzkern besteht hierbei in der Regel aus einer niedrigschmelzenden Metallegierung; ein Lösekern besteht aus einem in einem entsprechenden Lösemittel löslichen Polymer.

Um bei der Lösekerntechnik den Kernwerkstoff einzusparen und um ein schnelles Herauslösen zu realisieren, wird der Kern hohl ausgeführt; hierzu werden zunächst (z. B. im Spritzgießverfahren) zwei Halbschalen gefertigt und anschließend miteinander verschweißt. Im Auslöseprozeß wird der hierdurch entstandene hohle Kern mit dem Lösemittel durchspült und dadurch gelöst.

Nachteile des Standes der Technik

Ein wesentlicher Nachteil der heutigen Verfahren zur Gestaltung von Hohlräumen, Hinterschneidungen oder Kanälen in der Mikrotechnik besteht darin, daß die beiden Formteilhälften getrennt hergestellt werden müssen. Die beiden Formteilhälften sind schwierig zu greifen, da gängige Greifertechniken nur für makroskopische Formteile eingesetzt werden können, im Mikrobereich jedoch Probleme wie statische Aufladung, mangelnde Präzision und Zerstörung der Fügeteile auftreten.

Die geringen Abmessungen der Formteilhälften bzw. der den Hohlraum ausbildenden Strukturen machen eine genaue Positionierung der beiden Formteilhälften zueinander unerläßlich. Eine komplizierte Führung oder Positioniereinrichtung muß daher sicherstellen, daß ein Versatz ausgeschlossen wird.

Für das Fügen der Formteilhälften durch Schweißen muß zunächst die Schweißebene leicht aufgeschmolzen werden. Hierbei ergibt sich wiederum ein Positionierungsproblem, da die Einbringung der Wärme örtlich sehr definiert geschehen muß. Zudem muß ein ausreichender Druck auf die Formteilhälften aufgebracht werden, um eine homogene und ausreichend feste Fügenaht zu gewährleisten. Aufgrund der geringen Abmessungen ist eine kontrollierte Druckaufbringung technisch sehr aufwendig.

Des weiteren ist eine aus zwei Hälften hergestellte hohle Struktur dadurch gekennzeichnet, daß Nähte oder Spalte entstehen, die durch das Fügeverfahren nie vollständig beseitigt werden, während demgegenüber eine aus einem Formteil bestehende, mit einem entsprechenden Kern hergestellte Struktur geschlossene und glatte Innenwände aufweist.

Verfahren und Vorrichtungen, wie sie aus den makroskopischen Kernauslösetechniken bekannt sind, stellen sich ebenfalls als problematisch dar. Bei dem Ausschmelzverfahren laufen die Kapillar- und Oberflächenspannungseffekte bei den hier vorliegenden Abmessungen dem gewünschten Ergebnis zuwider; außerdem sind die thermischen Verhältnisse auf die kleineren Dimensionen nicht übertragbar, so daß entweder zu hohe thermische Belastungen des Formteils oder eine fehlende Formstabilität des Kerns auftreten. Bei dem Auslöseverfahren nach oben beschriebenem Ablauf ist ein Durchspülen der Hohlräume nicht möglich, da sie einen polymeren Einlegekern verlangen, welcher einen Spülkanal aufweist. Solche mit Spülkanälen versehenen Kerne stellen jedoch selbst einen mikroskopischen Kunststoff-Hohlkörper dar, der genau die oben beschriebenen Nachteile in seiner Herstellung aufweist.

Aufgabe der Erfindung

Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren und eine Vorrichtung zu entwickeln, welche es ermöglichen, ein Kunststofformteil mit mindestens einem Hohlraum, einer Hinterschneidung oder einem Kanal mit mikroskopischen Abmessungen zu erstellen. Dabei muß mindestens ein Formteil in das Werkzeug eingebracht werden, mit mindestens einer zweiten Komponente umgeben werden und nach dem Entformen unter Ultraschalleinfluß in mindestens einem Lösemittel ausgelöst werden.

Lösung der Aufgabe

Die Aufgabe wird durch ein Verfahren und eine Vorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.

Vorteile der Erfindung

Der Vorteil der Erfindung ist, daß ein Hinterschnitt, Hohlraum oder Kanal in einem mikroskopischen Formteil erzeugt werden kann, ohne daß eine mehrteilige Fertigung und ein aufwendiger Positionier- und Fügeprozeß nötig wird. Das Verfahren kann zyklisch wiederholt werden und gewährleistet somit eine kostengünstige Produktion mit hohen Stückzahlen.

Weiterhin wird das Bauteil nicht durch hohe Temperaturen belastet, wie sie bei einem Schmelzkern auftreten würden.

Einen weiteren Vorteil stellt der Umstand dar, daß der Lösekern, der die Ausbildung des Hohlraums bestimmt, ebenfalls in einem zyklischen Prozeß hergestellt werden kann. In einem idealen Prozeß könnten schließlich Kern und Formteil in einem einzigen Werkzeug und in einem Zyklus mittels eines 2-Komponenten-Verfahrens hergestellt werden. Hierdurch kann eine wirtschaftliche und gleichzeitig qualitativ hochwertige Fertigung der Formteile erreicht werden.

Ein weiterer Vorteil liegt in der Tatsache, daß für sehr viele Werkstoffkombinationen ein selektiv für eine der Komponenten wirksames Lösemittel vorliegt und daher mit am Markt erhältlichen Standardwerkstoffen gearbeitet werden kann.

Beschreibung von Anwendungsbeispielen

Das Verfahren nach Anspruch 1 zur Herstellung von Hohlräumen, Hinterschneidungen und Kanälen im mikroskopischen Bereich kann z. B. zur Herstellung von mikrofluidischen und mikropneumatischen Komponenten, insbesondere von mikroskopischen Düsenstrukturen wie Venturi-Düsen eingesetzt werden, die z. B. als Strahlpumpen oder Mischkammern Anwendung finden.

Ein wesentlicher Einsatzbereich solcher Systeme kann in der feinen Zerstäubung und genauen Dosierung von Fluiden z. B. in der Automobilindustrie bei Vergasern liegen. Aber auch in der Mikroanalytik und der Medizintechnik sind vielfältige Anwendungen möglich.

Im Vergleich zu herkömmlichen Geometrien benötigen diese mikroskopischen Strukturen einen geringen Bauraum; mit ihnen lassen sich des weiteren präzise Prozesse mit kleinen Durchsätzen an flüssigen oder gasförmigen Fluiden führen. Hiermit ist es möglich, einen Mischungsprozeß zweier Medien exakt zu dosieren oder ein kleines Volumen gezielt zu evakuieren.

Strahlpumpen arbeiten nach dem physikalischen Prinzip, daß ein Volumenstrom einer Flüssigkeit oder eines Gases durch die Erhöhung seiner kinetischen Energie bei einer Querschnittsverengung einen statischen Unterdruck erzeugt; hierdurch wird z. B. bei einer Venturi-Düse am Arbeitsanschluß ein Vakuum erzeugt. Eine solche Düsengeometrie ist in Bild 1 schematisch dargestellt.

Das erfindungsgemäße Verfahren ermöglicht nun das Herstellen einer mikroskopischen Vakuumpumpe mit kleinsten Abmessungen, die durchgängig aus Kunststoff oder mit hybriden Anschlußelementen hergestellt werden kann.

Die wesentliche Problemstellung bei der verfahrenstechnischen Realisierung dieses Vakuumpumpenkonzepts liegt in der Fertigung des mikroskopischen Hohlraums mit definierter und präzise ausgeformter Düsengeometrie. Die Vorgehensweise zur Herstellung dieser Vakuumpumpe nach dem erfindungsgemäßen Verfahren ist in Bild 2 schematisch dargestellt. Zunächst wird ein Kernkörper aus einem im entsprechenden Lösemittel (z. B. THF) löslichen Material (z. B. PC) im Spritzgießprozeß hergestellt. In diesem ersten Verfahrensschritt können bereits notwendige Einlegeteile wie Anschlußtüllen oder Röhrchen umspritzt und so in einer festen Position zum späteren Formteil fixiert werden. Die Kontur des Kerns ist in jedem Fall so zu gestalten, daß sie am fertigen Formteil die notwendigen Öffnungen oder Anschlüsse freigibt. Anschließend wird das Formteil in einer zweiten Kavität mit einem zweiten, im entsprechenden Lösemittel unlöslichen Kunststoff (z. B. POM) ummantelt.

Nach der Entformung des Materialverbundes wird dieser in ein entsprechendes Lösemittel (z. B. THF) eingelegt und mittels Ultraschallunterstützung (in einem Ultraschallbad mit Wasser oder Tensidlösung als Übertragungsmedium) die lösliche Komponente (z. B. PC) herausgelöst. Das lösliche Material kann durch die Öffnungen der Vakuumpumpe entweichen. Schließlich wird das Formteil aus dem Lösemittelbad entnommen und das überflüssige Lösemittel verdampft. Das Lösemittel kann wieder zurückgewonnen werden, wobei eine geringe Menge an Lösemittel für eine große Anzahl Formteile und in einem viele Fertigteile gleichzeitig erzeugenden Prozeß (Batch-Prozeß) verwendet werden kann, so daß der Lösevorgang nicht zykluszeitverlängernd wirkt.

Claims

1. Verfahren und Vorrichtung zur Herstellung von Formteilen mit mindesten einem Hohlraum, einer Hinterschneidung oder einem Kanal mit mikroskopischen Abmessungen, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens ein Einlegeteil aus dem Formteil selektiv mit Ultraschallunterstützung herausgelöst wird.

2. Verfahren und Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß

a) zunächst mindestens ein spritzgegossenes Formteil aus einem löslichen Werkstoff in ein Werkzeug eingelegt wird,
b) das Werkzeug geschlossen wird,
c) das Formteil von mindestens einem zweiten unlöslichen Werkstoff umgeben wird,
d) das entstandene Bauteil entformt wird,
e) im Anschluß mindestens einer der löslichen Werkstoffe mittels mindestens einem geeigneten Lösemittel im Ultraschallbad herausgelöst wird.

3. Verfahren und Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß

a) zunächst in mindestens einer Kavität mindestens ein Formteil aus einem löslichen Kunststoff in einem Spritzgießprozeß hergestellt wird,
b) in dem gleichen Werkzeug mindestens eine zweite Kavität freigegeben wird,
c) in diese mindestens ein zweiter unlöslicher Werkstoff eingebracht wird,
e) das entstandene, aus mindestens zwei Komponenten bestehende Formteil entformt wird,
f) im Anschluß mindestens einer der löslichen Werkstoffe mittels mindestens einem geeigneten Lösemittel herausgelöst wird.

4. Verfahren und Vorrichtung nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der lösliche Kunststoff Polycarbonat (PC), der unlösliche Kunststoff Polyoxymethylen (POM) und das Lösemittel Tetrahydrofuran (THF) ist.