DE19850046A1 - Verfahren und Vorrichtung zur Herstellung von Kunststoff-Formteilen mit Hohlräumen, Hinterschneidungen oder Kanälen mit mikroskopischen Abmessungen - Google Patents
Verfahren und Vorrichtung zur Herstellung von Kunststoff-Formteilen mit Hohlräumen, Hinterschneidungen oder Kanälen mit mikroskopischen AbmessungenInfo
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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
Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung entsprechend dem
Oberbegriff des Anspruchs 1.
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.
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 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.
Die Aufgabe wird durch ein Verfahren und eine Vorrichtung mit den Merkmalen des
Anspruchs 1 gelöst.
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.
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 (4)
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.
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
DE19850046A DE19850046A1 (de) | 1998-10-30 | 1998-10-30 | Verfahren und Vorrichtung zur Herstellung von Kunststoff-Formteilen mit Hohlräumen, Hinterschneidungen oder Kanälen mit mikroskopischen Abmessungen |
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Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
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DE19850046A DE19850046A1 (de) | 1998-10-30 | 1998-10-30 | Verfahren und Vorrichtung zur Herstellung von Kunststoff-Formteilen mit Hohlräumen, Hinterschneidungen oder Kanälen mit mikroskopischen Abmessungen |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
DE19850046A1 true DE19850046A1 (de) | 2000-05-11 |
Family
ID=7886146
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
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DE19850046A Withdrawn DE19850046A1 (de) | 1998-10-30 | 1998-10-30 | Verfahren und Vorrichtung zur Herstellung von Kunststoff-Formteilen mit Hohlräumen, Hinterschneidungen oder Kanälen mit mikroskopischen Abmessungen |
Country Status (1)
Country | Link |
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DE (1) | DE19850046A1 (de) |
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