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Die
Erfindung betrifft ein Verfahren mit dem ein Teil mit einer fein
strukturierten konkaven Oberfläche
durch Druck- oder Spritzgießen
unter Verwendung einer als Dauerform für die der Oberfläche des Teils
dienenden Negativform hergestellt werden kann.
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Es
ist bekannt, Teile mit fein strukturierter Oberfläche aus
Metall oder Kunststoff durch Druck- oder Spritzgießen mittels
einer Dauerform herzustellen.
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Für optische
Teile ist dies z. B. in R. K. Dakin, E.G. Loewen: "Replica Optics circa '75", Optical Spectra
1975, S. 29–31,
beschrieben.
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Bei
bekannten Verfahren dieser Art gelangt eine Negativform des herzustellenden
Teils als Master zum Einsatz, die zumeist aus Metall besteht und deren
Oberflächenstruktur üblicherweise
durch bekannte Verfahren der Metallbearbeitung (Drehen, Fräsen, Schleifen,
Gravieren) ausgebildet wird.
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Aus
H. Dislich, E. Hildebrandt: "Über ein
Verfahren zum Herstellen von Kunststoff-Beugungsgittern mit behinderter
thermischer Ausdehnung",
Optik, Vol. 28, Heft 2, 1968/69, S. 126–131, ist es bekannt, Kunststoff-Beugungsgitter
mit niedrigem thermischen Ausdehnungskoeffizienten durch Auspolymerisation
an einem Master aus Glas oder Glaskeramik zu bilden. Auch dieser
Master wird durch mechanische Erzeugung der Oberflächenstruktur
hergestellt.
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Handelt
es sich bei dem herzustellenden Teil um eines, dessen strukturierte
Oberfläche
konkav ist, so ist die komplementäre Struktur auf einer konvexen Oberfläche der
Negativform zu erzeugen.
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Dies
ist für
sehr feine Strukturen, die mit hoher Genauigkeit gebildet werden
müssen,
mit hohem Aufwand verbunden und überhaupt
nur in gewissen, durch die mechanischen Toleranzen der Bearbeitungsmaschinen
bedingten Grenzen möglich.
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Auch
photochemische Strukturbildungsverfahren, die in der Technologie
der Mikroelektronik große
Bedeutung gewonnen haben und deren Anwendung zur Herstellung von
optischen Beugungsgittern aus der
DE 16 23 803 A und mehreren Zusatzpatenten
hierzu bekannt ist, stoßen
bei der Erzeugung sehr feiner Strukturen auf konvexen Oberflächen an
durch das Reflexions- und Streuungsverhalten konvex gekrümmter Flächen gesetzte
Grenzen.
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In
der US 5,013,494 wird ein Verfahren zum Erzeugen von optischen Komponenten
mit Hologrammen, vorzugsweise mit gezahntem Querschnitt beschrieben.
Hierbei wird ein Hologramm auf eine Glas- oder Metallplatte aufgebracht,
die als Negativform in einer Gussform Verwendung findet. Das Hologramm
wird in bekannter Weise fotolithographisch auf der Glasplatte erzeugt,
wobei die Glas- oder Metallplatte mit einem Photoresist beschichtet,
belichtet und entwickelt wird. Im anschließenden Ätzprozess wird das entstandene
Photoresistmuster auf die Glas- oder Metallplatte übertragen.
Das Oberflächenmuster
der Glas- oder Metallplatte kann im Spritzgießverfahren auf Kunststoff,
wie beispielsweise Acrylharz mit guter Reproduzierbarkeit übertragen werden.
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Der
Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren der eingangs
genannten Gattung anzugeben, das zur Erzeugung sehr feiner Strukturen
mit hoher Genauigkeit geeignet ist.
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Diese
Aufgabe wird durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs
1 gelöst.
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Die
Erfindung schließt
den Gedanken ein die Strukturbildung direkt von der Rückseite
der konvexen Oberfläche
der Negativform selbst her vorzunehmen.
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Schließlich schließt sie den
Gedanken ein, dazu ein photochemisches Verfahren zu nutzen, das sich
zur Belichtung einer Strahlung bedient, für die das Material der Negativform
transparent ist, so dass die Belichtung von deren Rückseite
her erfolgen kann.
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Die
Belichtung der konvexen Oberfläche
der Negativform, die letztlich zur Strukturbildung der konkaven
Oberfläche
des herzustellenden Teils verwendet wird, kann grundsätzlich mit
beliebiger Strahlung erfolgen, für
die ein Resistmaterial mit entsprechender Empfindlichkeit verfügbar ist.
Dabei ist für
sehr feine Strukturen etwa die Verwendung von Elektronenstrahlen
mit einem Elektronenstrahlresist, wie er aus der Halbleitertechnologie
bekannt ist, möglich.
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Für optische
Teile wird jedoch zweckmäßigerweise
elektromagnetische Strahlung mit einer Wellenlänge im optischen Bereich – vom UV-
bis in den nahen IR-Bereich, insbesondere vom nicht zu fernen UV- bis in den nahen
IR-Bereich – benutzt werden,
die leicht zu erzeugen und zu handhaben ist. Als Material der Negativform
wird dann ein für
Licht eines Teilbereiches aus dem ultravioletten bis zum nahen infraroten
Bereich des elektromagnetischen Spektrums durchlässiges Material eingesetzt.
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Eine
relativ einfache und hochgenaue Vorbearbeitung und Strukturierung
der Negativform ist möglich,
wenn als Material für
diese Glaskeramik, Glas oder in Spezialfällen auch Quarz (unter anderem
in Abhängigkeit
von der Belichtungs- Wellenlänge) eingesetzt
wird. Als besonders vorteilhaft hat sich – zumindest für Belichtungs-Wellenlängen im
sichtbaren Bereich – Glaskeramik
erwiesen.
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Um
Absorptionsverluste klein zu halten und Streueffekte im Material,
die die Abbildungsgenauigkeit beeinträchtigen, zu minimieren, erfolgt
die Belichtung der konvexen Oberfläche der Negativform mittels
Laserstrahlung mit einer Wellenlänge,
die im Bereich eines Absorptionsminimums des Materials der Negativform
liegt.
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Daneben
ist es von Bedeutung, für
die Negativform eine Materialqualität mit möglichst hoher Transparenz auszuwählen, die
weitgehend frei von Inhomogenitäten
ist.
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Für die Erzeugung
von konkaven Teilen mit einer ganzen Reihe von Strukturen – unter
anderem von konkaven Beugungsgittern und Teilen mit reliefartigen
holografischen Abbildungen – ist
es zweckmäßig, dass
die Belichtung der konvexen Oberfläche der Negativform unter Anwendung
eines holografischen Verfahrens erfolgt.
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Für andere
Zwecke kann es von Vorteil sein, die Oberfläche der konvexen Negativform
mit einem auf sie fokussierten Strahl punktweise zu belichten. Zur Übertragung
irregulärer
Muster kann eine flächige
Belichtung durch eine Maske hindurch vorteilhaft sein.
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Nach
der photochemischen Erzeugung bzw. Übertragung eines vorgegebenen
Strukturmusters wird die konvexe Oberfläche der Negativform zweckmäßigerweise
einem Ätzschritt
zur Bildung eines Reliefs entsprechend dem (flächigen) Strukturmuster unterzogen.
Dafür kommen
grundsätzlich
die etwa aus der Halbleitertechnologie bekannten Ätzverfahren
in Betracht, soweit die dabei verwendbaren Ätzmittel eine gut steuerbare
Strukturbildung im Material der Negativform – also etwa Glas oder Glaskeramik – zulassen.
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Das
Teil mit konkaver Oberfläche
wird dann vorzugsweise unter Verwendung der Negativform als Master
durch Spritzgießen
aus Kunststoff hergestellt. Für
spezielle Anwendungen kommt aber auch der Einsatz der Negativform
als Prägematrize
in einem Prägeverfahren
oder etwa auch die unmittelbare Auspolymerisation eines Kunststofffilms
an der Oberfläche
der Negativform in Betracht.
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Als
Materialien für
die kostengünstige
Fertigung der herzustellenden konkaven Teile eignen sich – je nach
Einsatzzweck der Teile – etwa
Epoxydharze, Silikonmassen oder Thermoplastmaterialien wie Polycarbonat.
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Die
Teile können
etwa in Spektralgeräten, insbesondere
einem Spektralphotometer, einem Spektrometer oder einem Monochromator,
eingesetzt werden.
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Weitere
vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung werden nachstehend zusammen
mit der Beschreibung der bevorzugten Ausführung der Erfindung anhand
der Figuren näher
dargestellt. Es zeigen:
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1a bis 1c:
eine schematische Darstellung der Hauptschritte bei der Herstellung
der Negativform entsprechend einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens,
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2:
eine schematische Darstellung des Prinzips der Abformung eines konkaven
Beugungsgitters von der Negativform durch Spritzgießen entsprechend
einer Ausführungsform
des Verfahrens und
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3a bis 3f:
schematische Darstellungen der einzelnen Phasen des Spritzgießverfahrens.
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In 1a ist
schematisch verdeutlicht, wie ein Rohling aus einem Glaskeramik-Werkstoff Zerodur® 1'' durch Schleifen und Polieren mittels
eines rotierend über
eine seiner Stirnflächen
bewegten Werkzeugs 2 zu einer in ihrer Grundform zylindrischen
Negativ-Vorform 1' mit
einer ebenen Stirnfläche 1a und einer
sphärisch
konvexen Stirnfläche 1b mit
optischer Oberflächengüte bearbeitet
wird. Diese Bearbeitung erfolgt auf eine Weise, wie sie für die Bearbeitung
von optischen Bauteilen aus Glas – etwa Linsen und Spiegeln – bekannt
ist. Die Abweichungen der Gestalt der Negativ-Vorform von der Ideal-
bzw. Sollform liegen im Ergebnis der feinoptischen Bearbeitung bei
etwa 60 nm oder darunter. Diese Formgenauigkeit ist Voraussetzung
zur Erzielung guter Abbildungsparameter des herzustellenden Beugungsgitters.
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Anschließend werden
beide Stirnflächen
der Negativ-Vorform 1' mit
einer Antireflexionsbeschichtung versehen, die in den Figuren nicht
dargestellt ist.
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Auf
die konvexe Oberfläche 1b wird
so dann – etwa
durch Aufschleudern ("spincoating") – eine dünne Fotolackschicht 3 aufgebracht,
die für
eine Belichtungs-Wellenlänge von
458 nm empfindlich ist. Als Fotolack kann dabei sowohl ein sogenannter
Positiv- als auch ein Negativ-Resist verwendet werden. Beide Resist-Arten
unterscheiden sich insofern, als beim Positiv-Resist die belichteten
Teile im Entwicklungsprozess aus der Schicht herausgelöst werden, während beim
Negativ-Resist die belichteten Teile stehen bleiben und die unbelichteten
Teile herausgelöst
werden. Die Dicke der Lackschicht wird entsprechend der zu erzeugenden
Gitterstruktur und in Abstimmung auf das Ätzmittel und die Verfahrensparameter
des anschliessenden Ätzschrittes
vorgegeben.
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Nachdem
die Resistschicht getrocknet wurde, wird die Negativ-Vorform 1', wie 1b schematisch
verdeutlicht, von der ebenen Stirnfläche 1a – also von
der (konkaven) Rückseite
der konvexen Oberfläche 1b – aus mit
den überlagerten
monochromatischen und kohärenten
Lichtbündeln
zweier Punktlichtquellen 4a und 4b belichtet.
Die Punktlichtquellen 4a und 4b werden in der
praktischen Ausführung
etwa durch einen mittels einer Spiegel-Prismen-Anordnung aufgespaltenen
Laserstrahl mit einer Wellenlänge
von 458 nm und geeigneten Raumfiltereinheiten, bestehend aus an
die zu belichtende Fläche
angepassten Mikroobjektiven und Pinholes, realisiert. Sie entwerfen
in der Ebene der Fotolackschicht 3 auf der Oberfläche 1b ein
holografisches Interferenzmuster und prägen dieses der Fotolackschicht
inhärent
ein.
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Anschließend wird
der Resist entwickelt, und im Ergebnis des Entwicklungsschrittes
entsteht aus der Resistschicht 3 mit gleichmäßiger Dicke
eine strukturierte Schicht 3' (siehe 1c)
mit annähernd sinusförmigen Querschnitt.
Für die
Qualität
der herzustellenden Gitter kommt es darauf an, dass die Dicke der
Resistschicht (in Abstimmung mit den Parametern des Entwicklungs-
und des nachfolgenden Ätzschrittes)
so groß gewählt wird,
dass sich in dieser gerade ein sinusförmiges Tiefenprofil mit idealer,
unverzerrter Gestalt bzw. voller Amplitude ausbilden kann.
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Der
Resist wird dann gebacken bzw. gehärtet und kann ggf. auch mit
einer zusätzlichen
Schicht zur besseren Steuerung des folgenden Ätzschrittes bedeckt werden.
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Wie 1c schematisch
zeigt, wird anschließend
die konvexe Oberfläche 1b unter
Nutzung der (in der Figur strichpunktiert dargestellten) strukturierten
Schicht 3' als Ätzmaske
unter Verwendung einer Ionenstrahlquelle 5 einem gerichteten
Ionenstrahlätzen
unterzogen, in dessen Verlauf die von den dünneren stehen gebliebenen Abschnitten
der Ätzmaske 3' bedeckten Abschnitte
der Oberfläche 1b stärker geätzt werden
als die noch mit einer dickeren Schicht bedeckten Abschnitte.
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In
diesem Schritt bildet sich eine annähernd den Verlauf des Tiefenprofils
der Maske 3' wiedergebende
Reliefstruktur im Material der Negativ-Vorform 1' aus, wodurch
die Negativform 1 entsteht. Die Profiltiefe hängt dabei
von den Ätzparametern – beim Ionenstrahlätzen insbesondere
von der Ätzdauer
und der Ionenart und -energie – ab
und kann durch Vorgabe dieser Parameter gesteuert werden. Da es durch
unterschiedlichen Abtrag des Resists und des Glaskeramik-Materials
der Negativform zu einer Gestaltänderung
des vorgegebenen Struktur-Querschnittes kommt, muss die Wahl der
Belichtungs-, Entwicklungs- und Ätzparameter
bereits (im Sinne einer Vorkompensation) unter Berücksichtigung
dieser Veränderung
erfolgen.
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2 zeigt
schematisch, dass von der Negativform 1 – indem
sie in ein Spritzgusswerkzeug 6 aus Stahl eingelegt wird
und diese über
einen Extruder 7 mit dem plastifizierten (flüssigen bzw.
erweichten) Ausgangsmaterial 8' des künftigen Gitters gefüllt wird – ein konkaves
Beugungsgitter 8 abgeformt wird.
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Die 3a bis 3f zeigen
den Ablauf des Spritzgießverfahrens
genauer. Eine Bezeichnung der Teile der verwendeten Vorrichtung
wird zur besseren Übersichtlichkeit
der Darstellungen nur in 3a und 3d vorgenommen.
Die jeweiligen Bewegungsrichtungen der Teile sind – soweit
in den einzelnen Schritten Bewegungen stattfinden – durch
Pfeile verdeutlicht.
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3a zeigt
wiederum das aus zwei relativ zueinander verschieblichen Teilen 6a und 6b zusammengefügte Spritzgusswerkzeug 6 mit
der in das Teil 6a eingelegten Negativform 1 zur
Abformung der Gitteroberfläche.
Der Extruder 7 weist eine Schnecke 9 auf, die
Kunststoffgranulat 8'' aus einem Vorratsbehälter 10 erfasst
und in Richtung der Spritzgussform 6 vorschiebt. Um den
der Spritzgussform 6 zugewandten Mantelabschnitt des Extruders 7 (den
Heizzylinder 7b) ist eine Heizung 11 angeordnet,
die eine Verflüssigung
bzw. Erweichung des Kunststoffgranulats 8'' bewirkt
und dieses damit in plastifiziertes Material 8' überführt, das
durch eine Austrittsdüse 7a des
Extruders in das Spritzgusswerkzeug 6 gelangen kann.
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Der
in 3a gezeigte Zustand der Spritzgießvorrichtung
ist der zu Beginn des Spritzgießvorganges,
in dem die entsprechend der obigen Beschreibung hergestellte Negativform 1 in
das Spritzgießwerkzeug 6 eingelegt,
dieses geschlossen und der Vorratsbehälter 10 mit Kunststoffgranulat 8'' gefüllt ist. Auch der Heizzylinder 7b ist
mit der Kunststoffformmasse gefüllt,
die sich im hinteren Bereich noch im granulierten Zustand 8'' befindet und im vorderen Bereich
infolge der Erwärmung
durch die bereits eingeschaltete Heizung 11 plastifiziert
ist. Der Schneckenkolben 9 ist vollständig zurückgezogen.
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3b zeigt,
dass anschließend
der gesamte Extruder in Richtung auf das Spritzgießwerkzeug 6 vorgeschoben
wird, bis die Vorderkante der Spritzdüse 7a an diesem anliegt.
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Dann
wird, wie 3c zeigt, der Schneckenkolben 9 innerhalb
des Heizzylinders 7 des Extruders vorgeschoben, womit plastifizierter
Kunststoff 8' aus dem
vorderen Bereich des Extruders 7 unter hohem Druck durch
die Düse 7a in
das Spritzgießwerkzeug 6 gedrückt wird,
bis dieses vollständig
gefüllt
ist. Damit ist das Kunststoff-Beugungsgitter 8 in seiner Form
gebildet.
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Anschließend wird,
wie 3d zeigt, der Schneckenkolben 9 unter
Drehen wieder zurückgezogen,
wobei neues Kunststoffgranulat 8'' in
den hinteren, nicht beheizten Abschnitt des Heizzylinders 7 zugeführt wird.
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Im
voll zurückgezogenen
Zustand des Schneckenkolbens 9 ist der gesamte Extruder 7 wieder
mit Kunststoff gefüllt.
Diesen Zustand des Extruders – der
hier zudem bereits wieder von der Spritzgussform 6 zurückgezogen
ist, zeigt 3e.
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Zuletzt
wird, wie 3f zeigt, das Spritzgießwerkzeug 6 geöffnet, indem
die beiden Teile 6a und 6b auseinandergezogen
werden. Das fertig geformte Kunststoff-Beugungsgitter 8 wird
entnommen.
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Dessen
strukturierte (Gitter-)Oberfläche
wird üblicherweise – was in
den Figuren nicht dargestellt ist – noch einer Verspiegelung
unterzogen. Diese kann z. B. durch Aufdampfen von Metallen, wie
Aluminium in einer herkömmlichen
Vakuumbeschichtungsanlage erfolgen.
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Mit
der beschriebenen Herstellung der Gitter lassen sich an deren Grundform
zugleich Fortsätze, Ausnehmungen,
Achsen etc. zur Halterung und ggf. Bewegung beim späteren Einsatz
in einem optischen Gerät
oder auch sonstige, konstruktiv mit dem Gitter starr verbindbare
Teile des betreffenden Gerätes
an das Gitter anformen, womit wesentliche Vereinfachungen des Aufbaus
und Kostensenkungen erreichbar sein können.
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Der
Verfahrensabschnitt des Spritzgießens wird mit den üblichen,
auf den konkreten Werkstoff angepassten Parametern ausgeführt.
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Die
gegebene Beschreibung ist rein schematisch, und der Verfahrensabschnitt
kann in vielfältiger Art
und Weise variiert werden. Der Begriff des Spritzgießens soll
im vorliegenden Zusammenhang insbesondere die Verfahren des Formpressens
(bei dem das Material in der Form statt im Extruder erweicht) und
Spritzpressens ausdrücklich
einschließen.
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Abwandlungen,
die der Fachmann aufgrund der gegebenen Beschreibung leicht vornehmen kann,
ergeben sich entsprechend den Besonderheiten dieser Verfahren sowie
etwa bei Verwendung von Metall anstelle von Kunststoff als Gitterwerkstoff.
Für diese
eignen sich – je
nach Gitterwerkstoff – auch herkömmliche
Kalt- oder Warmkammer-Druckgussverfahren. Der nachfolgende Schritt
des Metallisierens kann für
Metallgitter verzichtbar sein.