Veröffentlichungen am IKFF. Einfließen von Polymerschmelzen in kleine Kavitäten. beim Spritzgießen mit induktiver Werkzeugtemperierung

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1 Veröffentlichungen am IKFF Einfließen von Polymerschmelzen in kleine Kavitäten beim Spritzgießen mit induktiver Werkzeugtemperierung W. Ehrfeld, W. Schinköthe Abschlussbericht des DFG-Forschungsvorhaben Schi 457/ Institut für Konstruktion und Fertigung in der Feinwerktechnik Universität Stuttgart Pfaffenwaldring 9 Institut für Konstruktion und Fertigung in der Feinwerktechnik Stuttgart

2 DFG Schwerpunktprogramm Mikromechanische Produktionstechnik Forschungsvorhaben: Einfließen von Polymerschmelzen in kleine Kavitäten beim Spritzgießen mit induktiver Werkzeugtemperierung Prof. Dr.-Ing. W. Schinköthe, IKFF, Stuttgart Prof. Dr.-Ing. W. Ehrfeld, IMM, Mainz Dr.-Ing. L. Weber, IMM, Mainz Vorhabennummer: Schi 457/1 bzw. Eh 157/3 Abschlußbericht Dezember 1999

3 DFG Schi 457/1 bzw. Eh 157/3 Abschlußbericht Dezember 1999 Seite 2 Inhaltsverzeichnis 0 Allgemeine Angaben Einleitung Aufgaben des Gesamtprojekts Entwicklung eines Verfahrens zur variothermen Prozeßführung mittels induktiver Erwärmung Prinzip der Induktionserwärmung Integration des Verfahrens in den Kunststoffspritzgießprozeß Spritzgießmaschine mit Steuerung Spritzgießwerkzeug Positioniereinheit Induktionsanlage Prozeßsteuerung Spritzgießen von Mikrostrukturen mit induktiver Erwärmung Teststrukturen zur Evaluierung des Formfüllverhaltens Spritzgießergebisse Morphologische Untersuchungen Anwendung der induktiven Heizung am Beispiel eines Blutplasmafilters Bewertung des Verfahrens - Vergleich der Temperiermethoden Zusammenfassung Ausblick Literatur Publikationen im Rahmen des Projekts Wissenschaftliche Arbeiten... 31

4 DFG Schi 457/1 bzw. Eh 157/3 Abschlußbericht Dezember 1999 Seite 3 0 Allgemeine Angaben Forschungsvorhaben / Thema Einfließen von Polymerschmelzen in kleine Kavitäten beim Spritzgießen mit induktiver Werkzeugtemperierung Schwerpunktprogramm Mikromechanische Produktionstechnik Antragsteller: Koordinator: Wolfgang Schinköthe, Prof. Dr.-Ing. Professor C4, Institutsleiter Institut für Konstruktion und Fertigung in der Feinwerktechnik (IKFF) der Universität Stuttgart Pfaffenwaldring Stuttgart Mit-Antragsteller: Ehrfeld, Wolfgang, Prof. Dr.-Ing. Professor C4, Geschäftsführer Institut für Mikrotechnik Mainz (IMM) Carl-Zeiss-Straße Mainz Weber, Lutz, Dr.-Ing. Technisch-wissenschaftlicher Direktor und Leiter der IMM-Aussenstelle Zweibrücken Institut für Mikrotechnik Mainz Kennwort Mikrospritzgießen mit induktiver Werkzeugtemperierung Fachgebiet und Arbeitsrichtung Mikrotechnik, Werkzeugbau, Werkzeugtemperierung, Mikrospritzgießen

5 DFG Schi 457/1 bzw. Eh 157/3 Abschlußbericht Dezember 1999 Seite 4 Laufzeit 3 Jahre, Projektsachbearbeiter IKFF Walther, Thomas, Dipl.-Ing. IMM Schaumburg, Carsten, Dipl.-Ing. Liste der Publikationen Kapitel 8, Publikationen im Rahmen des Projekts

6 DFG Schi 457/1 bzw. Eh 157/3 Abschlußbericht Dezember 1999 Seite 5 Forschungsvorhaben: Einfließen von Polymerschmelzen in kleine Kavitäten beim Spritzgießen mit induktiver Werkzeugtemperierung Abschlußbericht Prof. Dr.-Ing. W. Schinköthe, IKFF, Stuttgart Prof. Dr.-Ing. W. Ehrfeld, IMM, Mainz Dr.-Ing. L. Weber, IMM, Mainz 1 Einleitung Im Vergleich zum konventionellen Spritzgießen erfordern Formteile mit Strukturdimensionen in Bereichen von 10 bis 100 µm bei Aspektverhältnissen ab drei eine variotherme Temperierung der Werkzeuge bzw. Formen [1]. Hierbei wird der formgebende Bereich des Werkzeugs vor dem Einspritzen der Kunststoffschmelze deutlich über den Glaspunkt bzw. Kristallitschmelzpunkt erwärmt, um somit ein vorzeitiges Erstarren der Schmelze zu verhindern. Nach Abschluß der Formfüllphase wird der formgebende Bereich soweit abgekühlt, daß das Formteil die notwendige mechanische Stabilität bei der Entformung hat. Klassisch werden für die variotherme Prozeßführung Öltemperierungen eingesetzt. Aufgrund der relativ großen zu erwärmenden Massen liegen bei diesem Verfahren die erzielbaren Zykluszeiten im Minutenbereich. Aus diesem Grund sind diesem Verfahren im Hinblick auf eine kostengünstige Massenfertigung von Mikroteilen deutliche Grenzen gesetzt. Neue Entwicklungen zielen auf der Verwendung von elektrischen Heizsystemen. Eine erfolgversprechende Alternative bietet sich durch die induktive Temperierung an. Dieses Verfahren zeichnet sich durch direkte Wärmegenerierung in der zu erwärmenden Oberfläche aus. Gegenüber Konvektion und Wärmeleitung, auf denen die derzeit verwendeten Temperiersysteme basieren, sind bei diesem Verfahren die übertragbaren Wärmstromdichten um ein Vielfaches höher. Dadurch können kürzere Heiz- bzw. Zykluszeiten erreicht werden. Die induktive Temperierung bietet daher die Möglichkeit, die fertigungstechnische Basis für die Mikroabformung zu erweitern. Ziel des Gesamtprojektes war die Entwicklung einer induktiven Werkzeugtemperierung für das Spritzgießen von Kunststoffbauteilen in der Mikrotechnik. Dazu gehört einerseits die Konzeptionierung und Fertigung der Maschinen- und Werkzeug-

7 DFG Schi 457/1 bzw. Eh 157/3 Abschlußbericht Dezember 1999 Seite 6 komponenten und andererseits die spritzgießtechnischen Untersuchungen an Bauteilen. Der direkte Vergleich mit den bereits vorhandenen Temperiersystemen sollte darüber hinaus Auskunft über die weitere Entwicklung des Spritzgießens in der Mikrotechnik mit dem Ziel einer industrienahen Produktion geben. 2 Aufgaben des Gesamtprojekts Das Forschungsvorhaben war ein Gesamtprojekt des Instituts für Mikrotechnik in Mainz (IMM) und des Instituts für Konstruktion und Fertigung in der Feinwerktechnik (IKFF) der Universität Stuttgart, Laufzeit drei Jahre. Die Aufgaben des Vorhabens wurden in die drei folgenden Arbeitspakete unterteilt: I. Konzeptionierung und Aufbau des Gesamtsystems. Im ersten Teilabschnitt standen die Entwicklung eines Spritzgießwerkzeuges, die Realisierung der Induktionsspule, sowie die Beschaffung des Generators (Energiequelle) und des Handlings im Vordergrund. Neben den maschinentechnischen Entwicklungen war das thermische Verhalten (zeitlich und örtlich aufgelöst) für öl- und induktiv temperierte Prozeßführung mit einem dafür entwickelten Meßplatz zu untersuchen. Zusätzlich sollte das Temperierungsverhalten der Induktionsheizung mit einer gekoppelten Feldrechnung simuliert und mit den Ergebnissen der Messungen verglichen werden (1. und 2. Arbeitsbericht). II. Test der Gesamtanlage und Evaluierung des Abformverhaltens an Teststrukturen Inhalt der zweiten Phase war der Test der Gesamtanlage durch Spritzgießuntersuchungen an Teststrukturen. Aufbauend auf den Erfahrungen beim Spritzgießen mikrostrukturierter Bauteile sind dazu spezielle Teststrukturen entwickelt worden. Dabei waren vor allem die Spezifikationen der Verfahrenstechnik und des mikrotechnischen Formenbaus im Design und bei der Fertigung der Formeinsätze zu berücksichtigen (2. Arbeitsbericht). Neben der quantitativen Bestimmung der geometrischen Dimensionen beinhalteten die Aufgaben auch die Untersuchung der Gefügestruktur der Kunststoffteile.

8 DFG Schi 457/1 bzw. Eh 157/3 Abschlußbericht Dezember 1999 Seite 7 III. Optimierung der Gesamtanlage und Abformung eines Demonstrators Aufbauend auf den Erfahrungen der vorangegangenen Abschnitte wurden die Komponenten der Gesamtanlage im Hinblick auf eine Verkürzung der Zykluszeit weiter optimiert. Abschließend sollte die Leistungsfähigkeit anhand eines Demonstrators gezeigt werden, um die schnelle Einbindung der gewonnenen Ergebnisse in eine industrienahe Produktion gewährleisten zu können. In den vorangegangen zwei Arbeitsberichten wurden die Ergebnisse des ersten sowie die des zweiten Arbeitspaketes dargestellt. Die noch ausstehenden Forschungsarbeiten wurden im dritten Jahr durchgeführt und sind bereits abgeschlossen. In diesem Abschlußbericht werden die wesentlichen Ergebnisse aller Arbeitspakete aufgezeigt und abschließend zusammengefaßt. 3 Entwicklung eines Verfahrens zur variothermen Prozeßführung mittels induktiver Erwärmung Zunächst wird noch einmal auf das physikalische Prinzip der induktiven Erwärmung eingegangen. Aus der Problemstellung, der Integration des Verfahrens in den Spritzgießablauf, ergab sich Entwicklungsbedarf bezüglich der Einbindung des Erwärmungszyklusses in die Steuerung. Die Beschaffung und Zusammenstellung der einzelnen Komponenten zu einer funktionierenden Einheit sowie die Konstruktion und Fertigung eines Spritzgießwerkzeugs basierten auf diesen Erkenntnissen. 3.1 Prinzip der Induktionserwärmung Die Induktionserwärmung ist aus vielen Bereichen der Technik bekannt. Als klassische Beispiele seien das Randschichthärten, Induktionsschmelzöfen sowie Erwärmungsanlagen für Schmiedestücke genannt. Erwärmen lassen sich alle Werkstoffe, die den elektrischen Strom leiten, im allgemeinen werden Metalle und deren Legierungen erwärmt.

9 DFG Schi 457/1 bzw. Eh 157/3 Abschlußbericht Dezember 1999 Seite 8 Eine von einem hochfrequenten Wechselstrom durch flossene Spule (Induktor) erzeugt ein elektromagnetisches Wechselfeld, welches innerhalb des elektrisch leitenden Erwärmungsgutes Wirbelströme induziert. Diese Wirbelströme verursachen innerhalb des Leiters aufgrund seines spezifischen Widerstands eine Joulsche Erwärmung. Aufgrund der Selbstinduktion wird innerhalb des Leiters ein entgegengerichtetes Magnetfeld erzeugt, welches den Strom an die Leiteroberfläche verdrängt. Man spricht vom sog. Skineffekt. Die Eindringtiefe S ist abhängig von dem spezifischen elektrischen Widerstand und der relativen Permeabilität des Leiters sowie der Frequenz des Mangetfeldes. Sie ist definiert als die Tiefe, an der die Stromdichte auf 37% ihres Maximalswertes gesunken ist. Bild 3.1 Induktionserwärmung Diese Eigenschaft, daß die Wärme direkt in der Randschicht des Werkzeugs erzeugt wird, soll ausgenutzt werden. Die zeitkritischen Wärmeübergangs- und Wärmeleitvorgänge fallen bei dieser Art der Erwärmung weg, da die Wärme dort generiert wird, wo sie benötigt wird. 3.2 Integration des Verfahrens in den Kunststoffspritzgießprozeß Die Nutzung der induktiven Erwärmung beim Kunststoffspritzgießen bedeutet die Integration des Verfahrens in den Spritzgießprozeß sowohl auf gerätetechnischer als auch auf steuerungstechnischer Seite. Für den Formteilbildungsablauf ergibt dies einen zusätzlichen Prozeßschritt, in dem die Kavität vor dem Einspritzvorgang auf ein höheres Temperaturniveau gebracht wird. Dazu wird vor dem Schließen des Werkzeugs ein geeigneter Induktor vor den strukturierten Formeinsatz gebracht. Während der Heizphase steigt die Temperatur in der Kavitätsoberfläche Bild 3.2 Temperaturerlauf bei induktiver sehr schnell an (Bild 3.2). Nach Erreichen Erwärmung

10 DFG Schi 457/1 bzw. Eh 157/3 Abschlußbericht Dezember 1999 Seite 9 der angestrebten Temperatur T max wird der Induktor wieder entfernt. Das Werkzeug kann geschlossen und evakuiert werden. Die Kavität kühlt nach Ende der Heizphase sofort wieder ab, so daß zum Einspritzzeitpunkt schon wieder ein niedrigeres Temperaturniveau T ein vorherrscht. Folglich muß die maximale Temperatur T max am Ende der Heizphase so eingestellt werden, daß das Temperaturniveau zum Einspritzzeitpunkt noch ausreichend hoch ist. Die gerätetechnische Seite läßt sich in folgende Komponenten aufteilen, die in den nachfolgenden Abschnitten beschrieben werden: Spritzgießmaschine mit Steuerung, Spritzgießwerkzeug Induktionsanlage, Positioniereinheit. Abschließend wird die realisierte Prozeßsteuerung dargestellt Spritzgießmaschine mit Steuerung Das Verfahren wurde sowohl in Stuttgart am IKFF, wie auch in Mainz am IMM angewandt. An beiden Instituten sind Standard-Spritzgießmaschinen der Fa. Arburg im Einsatz, die von der Baugröße zwar ähnlich, in der Ausstattung und der Steuerung jedoch nicht identisch sind. Die Merkmale sind bereits im 1. Arbeitsbericht vorgestellt worden. Entsprechend den Anforderungen für die Herstellung von Mikrostrukturen sind sie mit relativ klein dimensionierten Plastifizieraggregaten und einer Multiprozessorsteuerung ausgerüstet, die einen vollgeregelten Spritzgießzyklus erlauben. Die Portierung der Komponenten der Induktionstemperierung war trotz unterschiedlicher Steuerungen problemlos möglich, es waren lediglich konstruktive Änderungsmaßnahmen bezüglich der Aufnahme der Induktorpositionierung notwendig. Maßgeblich für die Integration des Verfahrens ist die Möglichkeit, freiprogrammierbare Ein- bzw. Ausgänge an der Steuerung der Spritzgießmaschine nutzen zu können. Damit wird die induktive Heizphase eingeleitet und der Prozeßablauf erst dann fortgesetzt, wenn das Ende der Heizphase erreicht ist Spritzgießwerkzeug Das Spritzgießwerkzeug wurde gemäß den Anforderungen an die Temperierverfahren

11 DFG Schi 457/1 bzw. Eh 157/3 Abschlußbericht Dezember 1999 Seite 10 und den Restriktionen beim Mikrospritzgießen entwickelt (siehe Arbeitsbericht 1 bzw. 2). Das Werkzeug verfügt über die Möglichkeit, die mikrostrukturierten Formeinsätze sowohl mit Öl als auch mit der Induktionsheizung variotherm zu temperieren. Diese Möglichkeit bietet den direkten Vergleich der beiden Verfahren unter nahezu gleichen Werkzeugparametern. Die zunächst in der zweiten Projektphase durchgeführten Untersuchungen zum thermischen Verhalten haben deutlich gezeigt, daß die induktive Temperierung gegenüber der Öltemperierung um den Faktor 6-10 kürze Zykluszeiten aufzuweisen hat. Aus diesem Grund wurden die Untersuchungen in der abschließenden dritten Projektphase ausschließlich mit der Induktionsheizung durchgeführt. Insbesondere galt es hierbei, die werkzeugspezifischen Aspekte für eine externe Induktionsheizung zu optimieren. Das thermische Verhalten des induktiv geheizten Formeinsatzes (befindet sich auf der Düsenseite) zeigte Aufheizgeschwindigkeiten von bis zu 20 K/s. Um die Wärmeverluste während des Aufheizvorganges zu minimieren, wurde hinter dem Formeinsatz ein Distanzstück aus einem thermischen Isolationsmaterial positioniert. Durch diese konstruktive Maßnahme konnte jedoch nach dem Formfüllvorgang die durch die Schmelze eingebrachte Wärme nur eingeschränkt in die hinteren Bereiche des Werkzeuges abgeführt werden. Die zur Erstarrung der Schmelze notwendige Kühlleistung wurde im Wesentlichen durch die Temperierbohrungen der Schließseite übernommen. Letztendlich wurde der gesamte Spritzgießzyklus durch die Abkühlzeit maßgeblich beeinflußt. Zur Intensivierung der Kühlleistung ist daher eine Druckluftkühlung in das Werkzeug integriert worden. Diese befindet sich im Distanzstück direkt hinter dem Formeinsatz (Bild 3.3). Während der Heizperiode ist die Druckluftzufuhr durch ein elektrisch betätigtes Magnetventil verschlossen. Nachdem die Spritzgießmaschine Bild 3.3 Kühlung des Formeinsatzes mittels Druckluft auf Nachdruck umschaltet, wird das Magnetventil geöffnet und der Formeinsatz bis auf Entformungstemperatur gekühlt. Die Temperatur wird über zwei im Distanzstück befindliche Thermoelemente gemessen. Die Schaltvorgänge des Ventils erfolgen durch die Steuerung der Spritzgießmaschine und ermöglichen somit eine Integration in die vollautomatischen Abläufe.

12 DFG Schi 457/1 bzw. Eh 157/3 Abschlußbericht Dezember 1999 Seite 11 Die Untersuchungen zum thermischen Verhalten haben gezeigt, daß sich durch die neue Druckluftkühlung Abkühlgeschwindigkeiten ergeben, die in Abhängigkeit von der Ausgangstemperatur zwischen 5-10 K/s liegen. In Verbindung mit der Induktionsheizung konnten dadurch werkzeugseitig die Voraussetzungen für hohe Aufheiz- und Abkühlgeschwindigkeiten des Formeinsatzes geschaffen werden Positioniereinheit Für die exakte Positionierung des Induktors sollte ein 2-Achs-Handlingsystem eingesetzt werden. Eine vertikale Achse wird benötigt, die den Induktor in das geöffnete Werkzeug einbringt und wieder mit sehr hoher Verfahrgeschwindigkeit aus dem Schließbereich des Werkzeugs entfernt. Die horizontale Achse sorgt für die Positionierung des Induktors vor dem strukturierten Formeinsatz mit der Zielstellung der reproduzierbaren, exakten Einhaltung des Induktorabstands vor dem Formeinsatz. Die Steuerung soll über die genormte Euromap-Schnittstelle erfolgen, um die Integration in die Maschinensteuerung zu gewährleisten. Angedacht wurde ein handelsübliches Handlingsystem, welches normalerweise zur Entnahme von Bauteilen verwendet wird und die geforderte Schnittstelle zur Steuerung anbietet. Die geforderten Positioniergenauigkeiten der horizontalen Achse in Kombination mit der benötigten hohen vertikalen Verfahrgeschwindigkeit kam immer wieder in Konflikt mit der zu bewegenden Masse bzw. dem finanziell vertretbaren Aufwand. Die Komponenten des Induktors auf der Handlingachse, bestehend aus Induktorspule, Anschlußadapter, starrer und flexibler Leitungen summieren sich zu einer beträchtlichen Gesamtmasse die bewegt werden muß. Es wurde schließlich ein pneumatisch betriebenes Handlingsystem (Bild 3.4) angeschafft, welches den Anforderungen gerecht wird. Die Anlage wurde auf dieser Basis aufgebaut und die Versuche zur Abformung der Teststrukturen durchgeführt. Bild 3.4 Gesamtanlage mit Handlingsystem Während des Versuchsbetrieb zeigte sich jedoch, das die Zeitspanne zwischen dem Ende der Heizphase und dem Einspritzzeitpunkt kürzer sein sollte. Diese Totzeit resultiert aus den Verfahrzeiten des Handlings, der Werkzeugschließbewegung und

13 DFG Schi 457/1 bzw. Eh 157/3 Abschlußbericht Dezember 1999 Seite 12 der Evakuierungszeit. Optimierungspotential war nur im Handlingzyklus zu finden. Die Freigabe zur Werkzeugschließbewegung erfolgt erst, wenn die Handlingachse in ihrer oberen Endposition angelangt ist, zudem sind die Verfahrgeschwindigkeiten aufgrund der hohen zu bewegenden Masse begrenzt. Im Laufe des dritten Jahres wurde das Handlingsystem durch eine zwangsgesteuerte Linearachse ersetzt (Bild 3.5). Die Bewegung wird dabei auf die vertikale Richtung beschränkt, der Antrieb über eine mechanische Konstruktion mit der Werkzeugschließbewegung gekoppelt. Einschränkungen in der Flexibilität der möglichen Induktorpositionen und -abstände sowie die Tatsache, daß nur planare, in der Trennebene angeordnete Strukturen erwärmt werden können wurde in Kauf genommen, um die Totzeit zu senken. Das Ergebnis war eine Reduzierung von 11 s auf ca. 4 s. Bild 3.5 Zwangsgesteuerte Linearachse Induktionsanlage Die Induktionsanlage besteht aus einem Hochfrequenzgenerator, einer Induktorspule und der zur Verbindung notwendigen Energiezuleitung. Zur Energieversorgung wurde ein Hochfrequenz-Transistorumrichter der Fa. HWG mit einer Nennleistung von 10 kw und einem Nennfrequenzbereich von khz verwendet. Als Arbeitsfrequenz hat sich ein Bereich zwischen 70 und 80 khz eingestellt. Diese Frequenz ergibt sich aus der Bauweise des Induktors, der Gestaltung der Zuleitung und der Ankopplung an das Erwärmungsgut. Sie kann deshalb nur in Grenzen beeinflußt werden. Bei den Abformversuchen an den Teststrukturen wurde ein Leistungbereich von 3-3,5 kw genutzt. Höhere Leistungseinträge haben sich bei dieser Formeinsatzgröße als ungünstig erwiesen. Durch die damit angewandte sog. "harte" Erwärmung (hoher Energieeintrag bei kurzen Erwärmungszeiten), wird die Randschicht extrem schnell erwärmt. Die begrenzte Wärmeleitfähigkeit des Erwärmungsguts verhindert jedoch

14 DFG Schi 457/1 bzw. Eh 157/3 Abschlußbericht Dezember 1999 Seite 13 einen schnellen Wärmetransport nach innen und somit auch die Speicherung der Wärmeenergie. Aufgrund von Konvektions- und Strahlungsverlusten fällt die Temperatur nach der Heizphase in diesem Fall zu schnell wieder ab. Ein zu hohes Überschwingen wirkt sich außerdem negativ auf die Beständigkeit der Formeinsätze aus. Beim Einsatz größerer Formeinsätze oder der Entwicklung von Mehrfachwerkzeugen wird bei der Beibehaltung der kurzen Heizzeiten entsprechend mehr Leistung benötigt. Die elektrischen Verbindungen zwischen HF-Generator und Induktor müssen aufgrund der hohen Leistungen gekühlt werden. Für starre Abschnitte werden rechteckige Kupferhohlprofile verwendet, die parallel mit sehr geringem Abstand geführt werden. Die beweglichen Bereiche werden mit einer wassergekühlten flexiblen Litzenleitung überbrückt. Entlang des Handlingarmes werden wieder starre Leitungen verlegt. Die realisierte Zuleitung beim Versuchsaufbau ist noch starkt verlustbehaftet. Für einen Serieneinsatz sollte eine möglichst kurze Zuleitung realisiert werden. Zur Ermittlung der optimalen Induktorgeometrie wurden verschiedene Bauweisen sowohl in der Praxis als auch in der Simulation variiert. Die Variationsmöglichkeiten werden jedoch durch die Notwendigkeit der Wasserkühlung begrenzt. Die minimalen Abmaße der Kupferhohlprofile betragen 2 x 2 x 0,3 mm bei Vierkantrohren bzw. 3 x 0,5 mm bei nahtlos gezogenen zylindrischen Rohrprofilen. Bei der Gestaltung ist weiter zu berücksichtigen, daß die Querschnitte beim Biegen weiter reduziert werden. Ausgewählt und eingesetzt wurde schließlich eine zweiwindige, rechteckige Spiralform aus einem rechteckigen Kupferhohlprofil (3 x 2 x 0,3 mm) mit den äußeren Abmaßen 18 x 23 mm. Bild 3.6 Gewählte Induktgeometrie Der Induktor ist geringfügig kleiner als der strukturierte Formeinsatz und bewirkt die Begrenzung des Stromflusses auf den Formeinsatz. Die seitlich anschließende Halteplatte wird somit nicht durch die Wirbelstromverluste sondern nur über die Wärmeleitung erwärmt. Der Forderung nach einem lokal begrenzten Wärmeeintrag ist somit Rechnung getragen.

15 DFG Schi 457/1 bzw. Eh 157/3 Abschlußbericht Dezember 1999 Seite Prozeßsteuerung Die Ansteuerung des HF-Generators wird wie angesprochen über die programmierbaren Ein- bzw. Ausgänge der Maschinensteuerung aktiviert (Bild 3.7). Im bisherigen Versuchsbetrieb ist noch ein Meß-PC zwischengeschaltet, mit dessen Sensorik die Signale entsprechend umgewandelt und übergeben werden. Dessen weitere Aufgabe ist die Protokollierung von Einstelldaten und Temperaturverläufen zur Versuchsauswertung. Die Temperaturführung ist derzeit noch nicht in einen Regelkreis integriert. Für die Erwärmungsvorgänge werden die Leistung und die Heizzeit vorgegeben. Die Kavitätstemperatur zum Einspritzzeitpunkt ergibt sich aus der Anfangstemperatur, der Heizzeit und -leistung sowie der Totzeit bis zum Einspritzvorgang. Das Temperaturniveau zum Einspritzzeitpunkt ist im Automatikbetrieb reproduzierbar, wird im Betrieb jedoch nicht überwacht. Bild 3.7 Ablauf der Steuerung Diese Tatsache ist noch nicht zufriedenstellend. Für eine Regelmöglichkeit müßte jedoch die Temperatur an der Kavitätsoberfläche erfaßt werden. Berührende Meßmethoden kommen dazu nicht in Frage, da damit nur die Temperatur in der Kavitätswand bzw. hinter dem Formeinsatz detektiert werden kann. Da die Wärme jedoch ausschließlich in der Randschicht erzeugt wird, kann nur ein Anhaltspunkt zur Oberflächentemperatur hergestellt werden. Berührungslose Meßmethoden, d.h. die Erfassung der Oberflächentemperatur über Infrarotsensoren, scheiden während der Erwärmung ebenfalls aus, da die Kavitätsoberfläche vom Induktor verdeckt wird. Eine Erfassung der Temperatur nach der Heizphase konnte ebenfalls noch nicht realisiert werden. Die erst seit kurzer Zeit auf dem Markt erhältlichen, ins Spritzgießwerkzeug integrierbaren IR-Sensoren sind auf die Detektierung der Schmelze ausgelegt und eignen sich nicht für die Erfassung der Werkzeugwandtemperatur. Zum Lösen dieser Aufgabenstellung sind weitere Untersuchungen erforderlich.

16 DFG Schi 457/1 bzw. Eh 157/3 Abschlußbericht Dezember 1999 Seite 15 4 Spritzgießen von Mikrostrukturen mit induktiver Erwärmung 4.1 Teststrukturen zur Evaluierung des Formfüllverhaltens Die Spritzgießuntersuchungen haben ergeben, daß sich die besten Resultate beim Mikrospritzgießen mit dem Prinzip der Formfüllung über eine Grundplatte verwirklichen lassen (Bild 4.1). Dabei wird das Füllverhalten senkrecht zur Werkzeugoberfläche untersucht. Im Vergleich mit Mikrostrukturen, die freistehend in der Trennebene liegen, gewährleistet dieses Prinzip eine größere mechanische Stabilität bei der Entformung und ermöglicht im Werkzeugbau deutliche größer Herstelltoleranzen. Dabei ergibt sich auch ein sicherer Umgang mit den Strukturen bei der Entnahme und der anschließenden Qualitätskontrolle. Zur Evaluierung des Abformverhaltens mit variothermer Prozeßführung sind extreme Strukturdimensionen mit geringen lateralen Abmessungen und hohen Aspektverhältnissen notwendig. In Bild 4.1 Bild 4.2 Design der Teststrukturen Formteil diesem Zusammenhang wurden neue Teststrukturen entwickelt, mit denen sich das Formfüllverhalten von thermoplastischen Polymeren in Mikrokavitäten quantifizieren läßt (Bild 4.2). Zur Charakterisierung der Formfüllung in Abhängigkeit von der Strukturbreite und vom Aspektverhältnis wurden ringförmige Stegstrukturen realisiert. Diese Anordnung ergab sich aus der Forderung, konstante Kanalbreiten zu realisieren, um einen Einfluß auf die Formfüllung der Stegstruktur durch die Formfüllung anderer Strukturen ausschließen zu können. Zur weiteren Stabilisierung verlaufen die Stegstrukturen wellenförmig. Die Kanalbreiten werden von 20 µm bis 2,5 µm variiert, so daß sich bei gleicher Steghöhe unterschiedliche Aspektverhältnisse ergeben. Zusätzlich zur Formfülluntersuchung ermöglichen die Strukturen auch eine Qualifizierung des Entformungsverhaltens von Polymeren. Neben den Stegstrukturen sind auch keilförmige Strukturen mit unterschiedlichen Radien zwischen 5 und 0,5 µm an den Spitzen in das Teststrukturdesign aufgenommen worden. Die Erfahrungen im Mikrospritzgießen haben gezeigt, daß

17 DFG Schi 457/1 bzw. Eh 157/3 Abschlußbericht Dezember 1999 Seite 16 sich Spitzen mit kleinen Radien schwierig füllen lassen. Die sternförmige Anordnung der Keilstrukturen ermöglicht die Untersuchung der Formfüllung in Abhängigkeit von der Fließrichtung der Kunststoffschmelze. Schlußendlich erlaubt der Vergleich der Füllgrade eine Bestimmung des Einflusses von verschieden variothermen Parametervariationen. Bild 4.3 LIGA-Formeinsatz mit Kanalstrukturen, 150 µm tief, Material Nickel Bild 4.4 LIGA-Formeinsatz mit Keilstrukturen, Keilradius 2,5 µm, 150 µm tief, Material Nickel Die fertigungstechnische Umsetzung der Formeinsätze für die Teststrukturen wurde mit Hilfe der LIGA-Technik durchgeführt (Bild 4.3 / Bild 4.4). Dieses Fertigungsverfahren zeichnet sich durch besonders hohe Formgenauigkeiten und geringe Oberflächenrauhigkeiten aus. Die Strukturtiefe innerhalb eines Formeinsatzes ist fertigungsbedingt konstant. 4.2 Spritzgießergebisse Derzeit werden in der Mikroabformung vorrangig Standardpolymere verarbeitet, die sich bereits in vielen Massenprodukten aus Kunststoff bewährt haben. Um eine bessere Formfüllung zu erzielen, werden besonders niedrigviskose Polymerschmelzen wie z.b. POM oder PPS verwendet. Um das Fließverhalten in Verbindung mit der variothermen Induktionsheizung beschreiben zu können, werden die erzielten Abformergebnisse mit nicht variotherm temperierten Formteilen verglichen. Aus diesem Grund wurde ein Zweifach-Werkzeug eingesetzt, wobei ein Formnest variotherm und das andere konventionell (isotherm) temperiert wurde. Diese Anordnung bietet die Möglichkeit, die Formfüllung unter gleichen Spritzgießparametern gegenüberstellen zu können. Die Formfüllung der Strukturen erfolgt über eine 1,5 mm dicke Grundplatte mit den Außenabmessungen 15x28 mm. In Tabelle 4.1 sind die Abformergebnisse, die mit POM erzielt wurden, zusammengefaßt dargestellt.

18 DFG Schi 457/1 bzw. Eh 157/3 Temperierung isotherm Abschlußbericht induktiv Tabelle 4.1 Seite 17 Struktur + Vollständige Formfül- Vollständige Formfüllung + Höhe lung + Entformung Entformungsdefekte Steg 50 µm variotherm - Dezember 1999 Breite 20 µm keine Keil 50 µm keine keine Steg 50 µm Breite 20, 15, 10, 5 µm Breite 2,5 µm Steg 150 µm Breite 20, 15, 10 µm Keil 150 µm Radius 5, 2,5 µm keine Abformergebnisse mit POM Die isotherm temperierte Formkavität zeigte bei den Keilstrukturen keine vollständige Formfüllung. Im vorderen Bereich der Keile nimmt der Füllgrad kontinuierlich ab und erreicht an der Spitze den Wert Null (Bild 4.5). Auch die Ergebnisse der Stegstrukturen lassen bei Kanalbreiten zwischen 2,5 und 15 µm keine oder nur geringe Füllgrade erkennen (Bild 4.6). Lediglich der 20 µm breite Steg konnte isotherm vollständig abgeformt werden. Bild 4.5 Unvollständig gefüllte Keilstruktur, Material POM, isotherm temperiert Bild 4.6 Unvollständig gefüllte Stegtruktur, Breiten 2,5 µm bis 10 µm, Material POM, isotherm temperiert Unter Verwendung der induktiven Heizung sind bei Strukturhöhen von 50 µm die Strukturen bis 2.5 µm vollständig gefüllt und entformt worden. Die Grenze der Abformbarkeit bei Strukturen mit einer Höhe von 150 µm lagen bei einer Breite von 10 µm (Bild 4.7). Kleinere Strukturbreiten konnten aufgrund der geringen mechanischen Stabilität des Polymers nicht mehr zerstörungsfrei entformt werden.

19 DFG Schi 457/1 bzw. Eh 157/3 Bild 4.7 Abschlußbericht Dezember 1999 Bild 4.8 Vollständig gefüllte Stegstruktur, Breite 10 µm, Höhe 150 µm, induktiv temperiert Seite 18 Vollständig gefüllte Keilstruktur, Radius 2,5 µm, Höhe 150 µm, induktiv temperiert, Material POM Bei den Keilstrukturen konnten mit der Induktionsheizung Radien von 2.5 µm bis zu einer Höhe von 150 µm exakt abgeformt werden (Bild 4.8). Keilradien von 0.5 µm zeigten dagegen eine unvollständige Formfüllung oder Entformungsdefekte. Aufgrund der Anordnung der Keilspitzen ist der Grad der Formfüllung von der Lage der Keilstruktur zur Fließrichtung in der Grundplatte deutlich zu erkennen. Eine vollständige Formfüllung ist nur zu erreichen, wenn die Keilspitze in Fließrichtung der Kunststoffschmelze zeigt. Der Grad der Formfüllung nimmt ab, wenn die Keilspitze schräg oder entgegengesetzt zur Fließrichtung der Grundplatte liegt. Aufgrund der Formteilschwindung weisen die unvollständig Bild 4.9 gefüllten Keilspitzen teilweise starke Einfall- Keilstruktur mit Einfallstelle an der Spitze, Fließrichtung entgegen Keilspitze, induktiv temperiert, Material POM stellen auf (Bild 4.9), die in der Nachdruckphase nicht kompensiert werden können. Zusammenfassend kann festgestellt werden, daß mit der induktiven Heizung der Füllgrad der Teststrukturen deutlich verbessert wird. Dabei konnten die mikrostrukturierten Formteile mit einer Zykluszeit von ca. 25 s variotherm-temperiert hergestellt werden. Im Vergleich mit den Ergebnissen der Öltemperierung, die im zweiten Jahr des Projektes durchgeführt wurden, zeigt die induktive Temperierung gleiche erzielbare Füllergebnisse bei deutlich kürzeren Zykluszeiten (siehe 2. Arbeitsbericht).

20 DFG Schi 457/1 bzw. Eh 157/3 Abschlußbericht Dezember 1999 Seite 19

21 DFG Schi 457/1 bzw. Eh 157/3 Abschlußbericht Dezember 1999 Seite Morphologische Untersuchungen Bei der Verwendung teilkristalliner Kunststoffe wird durch den Abkühlvorgang die Gefügestruktur des Kunststoffbauteils beeinflußt. Generell bildet sich durch ein Temperaturgefälle im Bauteil ein inhomogenes Kristallgefüge aus, da aufgrund der höheren Abkühlgeschwindigkeit im Randbereich die Kristallisationstemperatur schneller unterschritten wird als in der Bauteilmitte. Der Einfluß der variothermen Prozeßführung auf diese Gefügeausbildung der abgeformten Kunststoffteile wird mit Hilfe der Auflichtmikroskopie untersucht. Bei der hier eingesetzten Induktionsheizung wird nur die Formeinsatzoberfläche vor dem Einspritzen annähernd bis auf Schmelztemperaturniveau erwärmt (variotherme Seite). Das restlichen Werkzeug, insbesondere die gegenüberliegende Kavitätswand, wird konstant auf Entformungstemperatur gehalten (isotherme Seite). Für das Formteil bedeutet dies, daß die Bild 4.10 Spritzteil mit Anschnitt - Schnittdarstellung Schmelze auf der isothermen Seite mit hoher Geschwindigkeit abgekühlt wird, während auf der variothermen Seite zum Einspritzzeitpunkt im Idealfall Schmelzetemperaturniveau herrscht und dadurch der Kunststoff entsprechend langsamer abgekühlt wird (Bild 4.10). Die Art der Abkühlung hat erheblichen Einfluß auf den inneren Aufbau des Kunststoffteils. So wird an der isothermen Seite die maximale Kristallwachstumsgeschwindigkeit schnell unterschritten. Die Kristalle können sich nur schwach ausbreiten, und es entsteht im Randbereich der Probe ein sehr feines Gefüge. Im Inneren des Bauteils sinkt die Temperatur langsamer ab, dadurch wird der Bereich der maximalen Kristallisationsgeschwindigkeit langsamer durchlaufen. Es entstehen weniger, aber größere Kristallite.

22 DFG Schi 457/1 bzw. Eh 157/3 Abschlußbericht Bild 4.11 Ebene Seite, isotherme Prozeßführung Dezember 1999 Seite 21 Bild 4.12 Strukturierte Seite, isotherme Prozeßführung Im Bild 4.11 und 4.12 sind die Randbereiche einer isotherm verarbeiteten Probe dargestellt. Deutlich ist die Zunahme der Kristallitgröße von den isothermen Randbereichen (Bild 4.11 linker Rand, Bild 4.12 rechter Rand) zur Probenmitte zu erkennen. Bild 4.13 Ebene Seite, variotherme Prozeßführung Bild 4.14 Strukturierte Seite, variotherme Prozeßführung Bei der induktiven Prozeßführung, findet man an der isothermen Seite die bekannte Gefügeverfeinerung, während sich an der variothermen Seite erwartungsgemäß bis zum Bauteilrand hin ähnlich große Kristallite wie in der Probenmitte ausbilden (Bild 4.14). Grobe Kristallstrukturen haben bezüglich der Bauteileigenschaften eine geringere Schlagzähigkeit und eine gesteigerte Sprödigkeit zur Folge. Gleichzeitig nehmen aber auch Festigkeit, Härte und Steifigkeit zu. Bezüglich des makroskopischen Teils, der Grundplatte, konnte eine Verzugsneigung festgestellt werden. Bei den konventionell verarbeiteten Proben friert der Kunststoff an beiden Rändern zeitgleich ein, während sich in der Mitte noch geschmolzener

23 DFG Schi 457/1 bzw. Eh 157/3 Abschlußbericht Dezember 1999 Seite 22 Kunststoff befindet, der auskristallisiert und schwindet. Die Probe wird sich, wie in Bild 4.15 dargestellt verziehen. Bei den variotherm verarbeiteten Proben erstarrt der Randbereich der variothermen Seite nur langsam, da die erwärmte Werkzeugwand die schnelle Abkühlung verhindert. Die Kristallisation erfolgt ähnlich derjenigen im Kernbereich, es bilden sich gröbere Strukturen. Die isotherme Seite kühlt jedoch unter Bildung eines feinen Gefüges nach wie vor schnell ab. An der variothermen Seite entstehen Zugspannungen, an der isothermen Seite Bild 4.15 Verzugsproblematik Druckspannungen, was zu den in Bild 4.15 dargestellten Verformungen führt. Um diese Effekte in Grenzen zu halten, sollte die Erwärmung nur auf die notwendigen, d.h. die mikrostrukturierten Bereiche der Kavität begrenzt werden. Die maximalen Formwandtemperaturen der erwärmten Bereiche sollten nur so hoch eingestellt werden, wie es die abzubildenden Strukturen erfordern. 4.4 Anwendung der induktiven Heizung am Beispiel eines Blutplasmafilters Ein Schwerpunkt der dritten Projektphase ist das Spritzgießen eines Demonstrators unter Verwendung der induktiven Heizung. Hierbei sollte die Leistungsfähigkeit der induktiven Temperierung überprüft und die Grundlagen für eine schnelle Umsetzung in eine industrienahe Fertigung geschaffen werden. Die Spritzgießuntersuchungen wurden am Beispiel von mikrofluidischen Trennstrukturen zur Blutplasmaseperation durchgeführt [2]. Diese Strukturen erzielen die Trennung der zellulären Bestandteile des Blutes vom flüssigen Blutplasma zur Herstellung von Transfusionslösungen und Erythrozytenkonzentraten. Die Forderung nach einer kostengünstigen Herstellung von medizinischen Einmalprodukten setzt eine Abformung in Kunststoff voraus. Der dreiteilige Aufbau besteht aus den mikrofluidischen Trennstrukturen, einer Lochplatte

24 DFG Schi 457/1 bzw. Eh 157/3 Abschlußbericht Dezember 1999 Seite 23 und einer Grundplatte mit Kanalstrukturen (Bild 4.16). Der eigentliche Separations vorgang findet in den Trennstrukturen statt. Über die Lochplatte und die Grundplatte wird das Blutplasma aus dem Bereich der Trennstrukturen herausgeführt. Die zellulären Bestandteile des Blutes strömen nach hinten aus dem Separationschip heraus. Die Herstellung dieser Bauelemente erfordert die Berücksichtigung der fertigungstechnischen Spezifikationen beim Spritzgießen mikrostrukturierter Bauteile. Besonders die Abformung der Trennstrukturen, die im Rahmen des Projektes untersucht wurden, stellt aufgrund der extremen Strukturdimensionen im Mikrometerbereich Bild 4.16 Separationsprinzip die Voraussetzung für die Anwendung einer variothermen Prozeßführung dar. Die Trennstrukturen sind durch Stege mit Abmessungen von 20 µm Breite und einer Höhe von 50 µm gekennzeichnet (Bild 4.17). Das minimale Spaltmaß zwischen den Stegen beträgt 4 µm (Bild 4.18). Der Formenbau dieser Strukturen wurde mit der LIGA-Technik realisiert, die sich durch eine hohe Abformgenauigkeit aus Röntgenlithographie und Nickelgalvanik auszeichnet. Bild 4.17 REM-Aufnahmen eines LIGAFormeinsatzes aus galv. Nickel Bild 4.18 Detail der Trennstruktur mit minimaler Strukturbreite 4 µm, Strukturhöhe 50 µm Die Spritzgießuntersuchungen der Teststrukturen haben gezeigt, daß sowohl das Formfüllprinzip über eine Strukturgrundplatte als auch die Entformung der Strukturen

25 DFG Schi 457/1 bzw. Eh 157/3 Abschlußbericht Dezember 1999 Seite 24 durch die Öffnungsbewegung des Werkzeuges für die Herstellung mikrostrukturierter Bauteile geeignet sind. Daher wurden diese Prinzipien auch bei der Herstellung der fluidischen Trennstrukturen angewandt. Weiterhin wurde zur Vermeidung von Lufteinschlüssen im Bauteil die Formteilkavität vor dem Formfüllvorgang evakuiert. Der Induktor, der bereits in den Spritzgießuntersuchungen der Teststrukturen eingesetzt wurde, konnte aufgrund der gleichen lateralen Abmessungen ohne Modifikationen verwendet werden. Neben den Spezifikationen des Formenbaus ist für die Fertigung der Trennstrukturen ein geeignetes Material auszuwählen, das anwendungsbedingt die notwendige Biokompatiblität aufweisen kann. Aus diesem Grund wurde beim Spritzgießen ein amporphes Cyclo-Olefin Copolymer (COC) verwendet, das heute Vielfach in der Medizin- und Biotechnik erfolgreich eingesetzt wird. Um die Notwendigkeit der variothermen Temperierung zu untersuchen, wurden die Trennstrukturen mit isothermer Prozeßführung (konstante Werkzeugtemperatur) gefertigt. Die Werkzeugwandtemperatur wurde auf max. 60 C temperiert, da oberhalb dieser Temperatur die mechanische Stabilität des Kunststoffs beim Entformen zu gering war. Bild 4.19 Unvollständig gefüllte Trennstruktur, isotherme Prozeßführung, Material COC Bild 4.20 Detail der Formfüllung bei isothermer Prozeßführung, Material COC Die Abformergebnisse zeigen eine unvollständige Formfüllung sowohl in den Bereichen der Stegstrukturen als auch in den Übergangsbereichen zur Lochplatte (Bild 4.19). Aufgrund einer vorzeitigen Abkühlung der Schmelze während des Einspritzvorganges erhöht sich die Viskosität der Kunststoffschmelze. Dies hat eine unzureichende Abformung der Mikrostrukturen zur Folge (Bild 4.20). Die Steg-

26 DFG Schi 457/1 bzw. Eh 157/3 Abschlußbericht Dezember 1999 Seite 25 strukturen sind bis zu einer Höhe von ca µm gefüllt worden. Lediglich der größere Teil in der Mitte konnte vollständig bis zu einer Höhe von 50 µm gefüllt werden. Eine ausreichende Funktionalität der Struktur ist nur bei exakter und vollständiger Formfüllung der Stege und deren Kanten gewährleistet. Aufgrund des Formfüllverhaltens von COC ist daher eine variotherme Prozeßführung für das Spritzgießen der Trennstrukturen notwendig. In den Bildern 4.21 und 4.22 sind die mit der Induktionsheizung hergestellten Strukturen dargestellt. Die Trennstrukturen sind bis zur Spitze der Stege hin vollständig gefüllt und zeigen eine hohe Abformtreue. An den Oberseiten der Strukturen sind kleinere Ausbrüche zu erkennen, die materialbedingt am Grund des Formeinsatzes durch leichtes Anhaften entstehen. Diese Oberflächendefekte haben aber auf die Funktionalität keinen Einfluß, da die Oberseite mit der Lochplatte verbunden wird. Bild 4.21 Vollständig gefüllte Trennstruktur, variotherme Prozeßführung mit Induktionsheizung, Material COC Bild 4.22 Detail der Formfüllung, Material COC, Strukturhöhe 50 µm Ein Vergleich zwischen den Teststrukturen und den fluidischen Trennstrukturen verdeutlicht die Unterschiede im Aufbau der Mikrokavitäten auf dem Formeinsatz. Während die Teststrukturen (Kanäle, Keilstrukturen) eine nahezu geschlossene Oberfläche mit verschiedenen Mikrokavitäten erzeugen, sind die Trennstrukturen als freistehende Mikrostrukturen auf einer Oberfläche ausgebildet. Beim induktiven Heizen werden in der Oberfläche des Formeinsatzes Wirbelströme erzeugt, die wiederum einen elektrischen Strom in der mikrostrukturierten Oberfläche erzeugen. Aufgrund der geringeren Querschnittsflächen der Trennstrukturen bilden diese einen höheren elektrischen Widerstand. Die in der Mikrostruktur umgesetzte Heizleistung wird mit geringeren Generatoreinstellungen erreicht. Die Spritzgießergebnisse konnten bereits durch eine Leistung von 1,5 kw und einer Heizzeit von 2,5 s deutlich verbessert

27 DFG Schi 457/1 bzw. Eh 157/3 Abschlußbericht Dezember 1999 Seite 26 werden. Durch die geringen Wärmemengen, die durch den Heizvorgang in den Formeinsatz eingebracht wurden, ergab sich eine Zykluszeit von ca. 25 s für die variotherme Prozeßführung. Die Temperaturen an der Oberfläche der Mikrostrukturen konnten weder mit Thermolelementen noch mit einem Infrarotthermometer gemessen werden. Hierzu werden in Zukunft weitere Untersuchungen notwendig sein, um eine vollautomatische Prozeßregelung zu ermöglichen. 5 Bewertung des Verfahrens - Vergleich der Temperiermethoden Im Hinblick auf eine industrielle Anwendung ist die induktive Temperierung mit den derzeit verwendeten variothermen Temperierverfahren zu vergleichen. Neben den verfahrenstechnischen Voraussetzungen der jeweiligen Temperiersysteme sind vor allem die erzielbaren Zykluszeiten von großem Interesse. Die in der ersten und zweiten Projektphase durchgeführten Versuche ermöglichen den direkten Vergleich der Ergebnisse, die mit der Induktionsheizung und mit der Öltemperierung erzielt wurden. Zusätzlich werden diese Ergebnisse mit Literaturangaben einer elektrischen Widerstandsheizung verglichen [3]. Dieser Vergleich ist aufgrund annähernd gleicher geometrischer Abmessungen der Bauteile (Mikrostrukturen auf einer Grundplatte) durchführbar. Ein Überblick über die verschiedenen Verfahren ist in Tabelle 5.1 dargestellt. Im Gegensatz zur Öltemperierung benötigen die beiden elektrischen Systeme nur ein Temperiergerät zur Grundtemperierung des Werkzeuges. Die elektrischen Systeme sind lediglich Zusatzheizungen, die die Erwärmung von der Entformungstemperatur auf die Einspritztemperatur ermöglichen. Dadurch müssen nicht permanent große Wärmemengen, wie es bei der Öltemperierung erforderlich ist, in Form eines Heißölvorrates vorgehalten werden. Beide elektrische Systeme bieten weiterhin die Möglichkeit, die Grundtemperierung auf Wasserbasis zu realisieren und dadurch die bei vielen medizinischen Anwendungen geforderten ölfreien Arbeitsplatzbedingungen zu erfüllen.

28 DFG Schi 457/1 bzw. Eh 157/3 Abschlußbericht Dezember 1999 Seite 27 Fluidische System Elektrische Wider- Induktionsheizung (Öl oder Wasser) standsheizung Temperierprinzip Wärmeübertragung Wärmeerzeugung in Wärmegenerierung durch Konvektion zwi- einem elektrischen durch elektro- schen Fluid und Werk- Heizkörper, Wärme- magnetische Wech- zeug, Wärmeleitung in leitung vom Heizkör- selfelder und Wirbel- den Werkzeugplatten. per zum Formeinsatz. stromverluste im Formeinsatz. Geräte 1 Temperiergerät Heißöl, 1 Temperiergerät für 1 Temperiergerät für 1 Temperiergerät Kaltöl, Grundtemperierung, Grundtemperierung, 1 Temperiergerät (Rah- Heizkörper (Heizpa- Generator, Induktor, mentemperierung) trone flexibler Leiter, Zuleitungen, elektronisch geregelter Folie), mechanisches Hand- Ventilblock, Steuerung elektronisches Regel- ling, Steuerung mit für Spritzgießvorgang. gerät, Maschine möglich. Steuerung für Spritzgießvorgang. Anforderungen an Aufwendiger Formenbau Integration der Heiz- Keine Integration im den Werkzeugbau durch Temperier- körper in den Form- Werkzeug, externer bohrungen in den Form- platten, Zusatzküh- Induktor, evtl. Zusatz- platten. lung erforderlich. kühlung erforderlich. Flexibilität bei Keine Anpassung an Wechsel des gesam- Anpassung der Induk- variierenden verschiedene Geome- ten Heizsystems, teil- torgeometrie, einfa- Formein- trien möglich, kompletter weise Modifikation am cher und schneller satzgeometrien Austausch der temperier- Werkzeug notwendig. Austausch des Induk- ten Werkzeugplatten. tors. Zykluszeiten ca s ca. 60 s [3] ca s Tabelle 5.1 Vergleich der variothermen Temperiersysteme beim Mikrospritzgießen Durch den Einsatz einer externen Induktionsheizung ist der werkzeugtechnische Aufwand deutlich geringer als der anderer Temperiersysteme. Die Induktionsheizung setzt lediglich voraus, daß die Oberseite des mikrostrukturierten Formeinsatzes mit der Trennebene des Werkzeugs abschließt und dadurch der Induktor gegenüber der zu heizenden Fläche frei zugänglich ist. Der Formeinsatz ist auf der Rückseite gegenüber dem restlichen Werkzeug thermisch zu isolieren. Dadurch soll ein vorzeitiges Abkühlen der Formeinsatzoberfläche vor dem Einspritzvorgang verhindert werden. Nach dem

29 DFG Schi 457/1 bzw. Eh 157/3 Abschlußbericht Dezember 1999 Seite 28 Formfüllvorgang wird die Wärme über die Werkzeugplatten und Kühlbohrungen aus dem Werkzeug abgeführt. Die zusätzliche Integration einer Druckluftkühlung erhöht die Kühlleistung nach der Formfüllung und ermöglicht dadurch kurze Kühlzeiten. Zusammenfassend ermöglicht der Einsatz der Induktionsheizung eine variotherme Temperierung von mikrostrukturierten Bauteilen ohne nennenswerte Erhöhung des materiellen und fertigungstechnischen Aufwandes des Spritzgießwerkzeuges. Desweiteren bietet die Induktionsheizung den Vorteil, durch den Austausch des Induktors eine schnelle Adaption der Heizung an verschiedene Formeinsatzflächen von einigen mm² bis zu einigen cm² zu realisieren. Dieser hohe Grad an Flexibilität ist mit vergleichbaren variothermen Heizsystemen (z.b. Ölheizung oder elektrische Widerstandsheizung) nicht zu erreichen. Die Ergebnisse der Spritzgießuntersuchungen haben bezüglich der Abformbarkeit von Mikrostrukturen die Leistungsfähigkeit dieses Verfahrens gezeigt. Die induktive Temperierung ist für das Spritzgießen von flächigen, mikrostrukturierten Bauteilen mit extremen Strukturdimensionen und hohen Aspektverhältnissen geeignet. Dabei werden in Abhängigkeit von den geometrischen Abmessungen des Bauteiles sehr kurze Zykluszeiten (25 s) unter variothermen Prozeßbedingungen erreicht. Besonders deutlich wird dieser Aspekt beim Vergleich der Induktionsheizung mit der Öltemperierung bzw. mit der elektrischen Widerstandsheizung. Hierbei ist die Zykluszeit der Induktionsheizung 3-10 mal kürzer als die der konventionellen variothermen Temperierverfahren. Dieser Aspekt ist bei der Herstellung eines massenproduzierten, mikrostrukturierten Bauteiles von besonderer Bedeutung. 6 Zusammenfassung Die zentrale Aufgabe der Mikroabformung ist die Herstellung von Mikrobauteilen in Kunststoff. Von besonderer Bedeutung ist hierbei das Spritzgießen, das durch einen hohen Automatisierungsgrad und kurze Zykluszeiten gekennzeichnet ist. Aufgrund der extremen Strukturdimensionen ist im Vergleich mit dem konventionellen Spritzgießen der Fertigungsaufwand deutlich höher. Besonders die Formfüllung von Strukturen mit lateralen Dimensionen einiger Mikro- oder Nanometer erfordert eine Reihe von Modifikationen in der Spritzgießtechnologie. Das Füllen dieser Strukturen verlangt daher eine niedrige Viskosität der Polymerschmelze während des Einspritzvorganges. Dieser Forderung wird beim Spritzgießen durch die sogenannte variotherme

30 DFG Schi 457/1 bzw. Eh 157/3 Abschlußbericht Dezember 1999 Seite 29 Prozeßführung Rechnung getragen. Durch die erforderlichen Aufheiz- und Abkühlvorgänge der Formteilkavitäten liegen die Zykluszeiten im Vergleich zum konventionellen Spritzgießen um ein Vielfaches höher. Mit dem Ziel, die Zykluszeiten bei variothermer Prozeßführung zu minimieren, wurde in Zusammenarbeit von IKFF und IMM eine induktives Temperierverfahren für das Spritzgießen von mikrostrukturierten Bauteilen entwickelt. Bei diesem Verfahren wird die Wärme durch die Wirbelstromverluste eines magnetischen Wechselfeldes direkt in der Oberfläche des Formeinsatzes generiert. Dadurch ist eine um ein Vielfaches höhere Wärmestromdichte übertragbar als bei konventionellen Temperierverfahren, die auf der Basis von Wärmeleitung bzw. Konvektion funktionieren. Mit der induktiven Temperierung lassen sich Aufheizgeschwindigkeiten bis zu 20 K/s erzielen. Beim Mikrospritzgießen wird eine spiralförmige Induktionsspule in das geöffnete Werkzeug vor dem Formeinsatz positioniert. Nach dem Aufheizen wird der Induktor über ein mit der Schließbewegung des Werkzeuges gekoppeltes mechanisches Handlingsystem heraus gefahren. Bevor die eingebrachte Wärme in die hinteren Bereiche des Werkzeuges abfließen kann, wird die Kunststoffschmelze eingespritzt. Die Parameter der Induktionsheizung werden über freiprogrammierbare Ausgänge der Spritzgießmaschine gesteuert. Neben den verfahrenstechnischen Entwicklungen wurden Abformuntersuchungen mit verschiedenen Spritzgießmaterialien durchgeführt. Dazu wurden spezielle Mikrostrukturen zur Evaluierung des Fließverhalten und die Abbildegenauigkeiten beim variothermen Spritzgießen entwickelt. Die Ergebnisse der Untersuchungen zeigen vollständige Formfüllungen von Mikrostrukturen mit Aspektverhältnissen bis zu 20 bei einer minimalen Stegbreite von 2,5 µm. Weiterhin sind Keilstrukturen mit minimalen Radien von 2,5 µm bis zu einer Höhe von 150 µm vollständig gefüllt worden. Die Zykluszeiten der mikrostrukturierten Bauteile konnten, verglichen mit den derzeitig verwendeten Temperiersystemen, um den Faktor 3-8 reduziert werden. Die Leistungsfähigkeit der Induktionsheizung wurde erfolgreich am Beispiel eines Demonstrators (Trennstruktur für Blutplasmaseparation) gezeigt. In Verbindung mit einer Intensivkühlung wurden die Bauteile mit Zykluszeiten im Bereich von s variotherm hergestellt. Die Gefügeausbildung der variotherm verarbeiteten Bauteile unterscheidet sich erwartungsgemäß von der isotherm verarbeiteter Proben. Aufgrund der langsameren