Heißprägen mit Ultraschall für die Herstellung von Mikrosystemen
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Der erste Schritt war es, mehrere unterschiedliche, thermoplastische Polymere auf ihre Eignung für den Ultraschallprägeprozess zu testen. Anschließend wurde exemplarisch anhand von Polyvinylidenfluorid (PVDF), Polyvinylchlorid (PVC) und Low density Polyethylen (LDPE) die Befüllung von Kavitäten in Abhängigkeit von der Werkzeugtemperatur untersucht. Dabei ergab sich für die 35 kHz Ultraschallschweißmaschine, dass für die Strukturen mit einer Tiefe zwischen 300 µm und 800 µm ein deutlicher Effekt zu erkennen ist. Diese Versuchsreihen wurden ebenfalls an einer Maschine mit höherer Frequenz (20 kHz) durchgeführt. Das zuvor verwendete Werkzeug hielt den Belastungen jedoch nicht stand, weshalb ein gröberes Werkzeug verwendet werden musste. Hierbei konnte beobachtet werden, dass die durch die Maschine eingebrachte Energie so groß ist, dass der Effekt des beheizten Werkzeugs (im gewählten Temperaturbereich) auf die Befüllung vernachlässigbar ist. Dennoch lässt sich eine positive Wirkung des Vorheizens auf die Prägequalität erkennen. Hiermit lassen sich Verbrennungen vermindern und die optische Qualität verbessern. Um die teilweise auftretenden Verbrennungen und Blasenbildung nach dem Prägeprozess zu unterbinden, wurde der Einfluss von Schutzgas (Stickstoff) bzw. eines Unterdrucks getestet. Hierfür wurde eine spezielle Kammer gefertigt. Es wurden gezielt Parameter gewählt, welche zu Verbrennungen an der Struktur bei Umgebungsbedingungen führten. Diese Prägungen wurden dann ebenfalls in der Kammer durchgeführt und der Einfluss überprüft. Es konnte dabei weder bei Unterdruck noch unter Schutzgas eine Verbesserung des Prägeergebnisses erzielt werden. Die Kammer wurde zudem eingesetzt um kleine Kavitäten (~ 15 µm) bei Unterdruck mittels Ultraschall abzubilden. Die Idee war es, das eingeschlossene Luftblasen dem Schmelzfluss entgegenwirken und so die Befüllung erschweren oder gar gänzlich verhindern. Bei dem angelegten Unterdruck innerhalb der Kammer konnte der positive Effekt nicht bestätigt werden. Aufgrund von Beobachtungen im ersten Teil des Projekts sollte die Schrumpfung der geprägten Strukturen untersucht werden. Hierzu wurde ein spezielles Werkzeug mit zwei zueinander parallel ausgerichteten Kanälen hergestellt, welches sich möglichst gut mit Hilfe des verfügbaren Mikroskops vermessen ließ. Anschließend wurde der Einfluss unterschiedlicher Faktoren wie Vorbehandlung, Variation der Haltezeit und Ausrichtung der Polymerfolie (in und quer zur Extrusionsrichtung) auf die Schrumpfung untersucht. Dabei ergab sich eine, im Vergleich zum Werkzeug, mittlere Schrumpfung von 1 % und eine maximal Schrumpfung von 1,5 % für in Extrusionsrichtung geprägte Folie. Basierend auf den während der Projektlaufzeit gemachten Untersuchungen, wurden mehrere Systeme hergestellt und veröffentlicht. Hierzu gehören mikrofluidische Module wie Mikromischer, ein dreilagiger Wärmetauscher oder Fluß- und Leitfähigkeitssensoren aber auch elektronische Systeme wie zum Beispiel ein Mikrovibrator. Dieser wurde auf einer Leiterplatte hergestellt, welche zuvor mittels Ultraschallbearbeitungsmethoden gefertigt wurde.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
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“PVDF micro heat exchanger manufactured by ultrasonic hot embossing and welding” Proc. 21st MicroMechanics Europe Workshop, MME 2010 in Enschede, Niederlande, 25. - 27. September (2010) C09, ISBN: 978-9081673716
K. Burlage, C. Gerhardy and W.K. Schomburg
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”Ultrasonic hot embossing and welding of micro structures” Proc. First Workshop on Microactuators and Micromechanisms, MAMM 2010, 27. - 28.5.2010 in Aachen
K. Burlage, C. Gerhardy, W. K. Schomburg
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”Ultrasonic hot embossing” Micromachines 2 (2011) 157 – 166, ISSN 2072-666X
W.K. Schomburg, K. Burlage, C. Gerhardy
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“Polymer Micro fluidic Systems fabricated by Ultrasound” MFHS 2012, Session E, 76-79
J. Sackmann, K. Burlage, C. Gerhardy, D. Loibl, L. Cui, W.K. Schomburg
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”Slug Length Monitoring in liquid-liquid Taylor-Flow integrated in a novel PVDF Micro Channel” Chemical Engineering Journal 227 (2012) 111-115
K. Burlage, C. Gerhardy, H. Praefke, M.A. Liauw, W.K. Schomburg
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”Taylor-Flow Monitoring Integrated in a novel PVDF Micro Channel” Book of Abstracts, IMRET 12, 12th Int. conf. on microreaction technology in Lyon, France, 20th – 22nd February (2012) 75 – 76
K. Burlage, C. Gerhardy, H. Praefke, M.A. Liauw, W.K. Schomburg
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“Ultrasonic fabrication of polymer micro devices“ Proceedings Advances in Plastics Technology, APT’13, 8.-10. Oktober 2013 in Sosnowiec, Polen, paper no. 43, (2013) 550-557
J. Sackmann, A. Barth, B. Memering, C. Gerhardy, W.K. Schomburg
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”Polymer Circuit Boards Fabricated by Ultrasonic Hot Embossing” J. Micromech. Microeng. 23 (2013) 075028
J. Li, C. Gerhardy, W.K. Schomburg
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”Rolle zu Rolle Produktion von Mikrosystemen aus Kunststofffolien mittels Ultraschallheißprägens” Proceedings Mikrosystemtechnik Kongress 2013 in Aachen, 14. bis 16. Oktober (2013) 313 – 316, ISBN 978-3-8007-3555-6
B. Memering, C. Gerhardy, W.K. Schomburg
