FR2756210A1 - Dispositif et procede de moulage de structures realisees par la technique des microsystemes - Google Patents

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Abstract

Dans le cas d'un dispositif et d'un procédé servant à mouler des structures réalisées par la technique des microsystèmes on doit compenser les fluctuations d'épaisseur des outils de moulage et des matières moulables à utiliser dans le cas d'un estampage à réaliser sous vide en assurant une tenue élevée des cotes et des différentes profondeurs de moulage. Pour cela on propose une chambre qui présente des parois latérales, qui se composent d'une partie intérieure et d'une partie extérieure, la partie intérieure étant fixée sur la partie fixe (6) de la chambre et la partie extérieure, sur la surface frontale (29), tournée vers l'extérieur, de laquelle s'appuie la partie réglable (7) de la chambre lors de la fermeture de celle-ci, à l'encontre de la force d'un ressort (26), pouvant coulisser le long d'éléments de guidage (18) sur la partie fixe (6) de la chambre entre deux butées.

Description

L'invention concerne le moulage de structures réalisées par la technique
des microsystèmes, avec un dispositif qui contient une paire de parties, se faisant vis à vis, d'une chambre pouvant être fermée, qui servent de support pour recevoir un outil d'estampage et une matière moulable, et dont l'une est solidaire du bâti et l'autre est
guidée de façon réglable dans un cadre.
A l'intérieur du procédé, devenu connu sous le nom de technique LIGA (Lithographie avec rayonnement synchrotron, électroformage, technique de moulage avec des matières plastiques), qui sert à fabriquer des composants selon la technique des microsystèmes, le moulage est une clé de la production en grande série. En enfonçant un outil de moulage dans une couche thermoplastique ou dans une autre matière, de préférence sous vide, et dans le cas d'une température se trouvant au dessus de la température de ramollissement de la matière thermoplastique on produit des structures en trois dimensions avec une hauteur de structure qui se situe dans la zone de quelques nanomètres jusqu'à
quelques centaines de micromètres.
Les documents DE 40 10 669 Cl et DE 42 22 856 Ci, qui ont pour objet un procédé de fabrication de corps se présentant sous la forme de microstructures en matière plastique, décrivent plus en détail ce qu'on appelle le procédé d'estampage sous vide dans ses séquences. Ces documents ne donnent pas de détails sur la configuration d'un dispositif convenant à un moulage pour une production
en grande série.
Un dispositif de ce type doit satisfaire aux exigences de possibilités flexibles d'utilisation. Il y a à résoudre entre autres des problèmes tels que ceux qui se produisent du fait des hauteurs différentes des outils de moulage à utiliser et aussi du fait des épaisseurs différentes de la matière de moulage et de la profondeur de moulage (profondeur de la structure). Cette adaptabilité est rendue en outre plus difficile par l'exigence du guidage parallèle très précis de l'outil, contenue dans le document
DE 42 22 856 Cl.
L'invention a en conséquence pour objet de compenser des fluctuations d'épaisseur de ce type, dans le cas du procédé d'estampage à exécuter sous vide, en ayant l'assurance d'une tenue élevée des cotes et en garantissant
des profondeurs différentes de moulage.
On résout ce problème au moyen d'un dispositif de moulage de structures obtenues par la technique des microsystèmes, avec une paire de parties, se faisant vis à vis, d'une chambre pouvant être fermée, qui servent de support pour recevoir un outil d'estampage et une matière moulable, et dont l'une est solidaire du bâti et l'autre est guidée de façon réglable dans un cadre, la chambre présentant des parois latérales qui se composent d'une partie extérieure et d'une partie intérieure, la partie intérieure étant fixée sur la partie fixe de la chambre et la partie extérieure, sur la surface frontale, tournée vers l'extérieur, de laquelle s'appuie la partie réglable de la chambre lors de la fermeture de celle-ci, à l'encontre de la force d'un ressort, pouvant coulisser le long d'éléments de
guidage sur la partie fixe de la chambre entre deux butées.
La distance entre les butées détermine sensiblement
l'étendue de la chambre.
La partie intérieure est formée par une première bride cylindrique, dont l'ouverture est fixée sur la partie fixe de la chambre. L'ouverture contient dans une rainure un joint torique servant à assurer l'étanchéité par rapport à
la partie fixe.
La partie extérieure, qui se présente sous la forme d'une deuxième bride cylindrique, entoure aussi bien la première bride par sa surface enveloppe intérieure que les éléments de guidage par des alésages dans son ouverture, une liaison par glissement étanche au vide étant établie entre la première et la deuxième bride au moyen
d'une bague à section carrée.
Malgré les déplacements par coulissement, nécessaires pendant le processus de moulage et ses étapes préalables et ultérieures, de la partie réglable de la chambre, la chambre reste à l'état fermé, de sorte qu'on ne modifie pas les conditions opératoires réglées. Avantageusement, la chambre est entourée de tous les côtés, au moins de façon fragmentaire, par des enveloppes thermoisolantes, des plaques de protection pour équilibrer les températures étant montées sur les côtés des parties de la chambre qui sont tournés vers l'extérieur et une réduction des pertes latérales par rayonnement de la chaleur étant obtenue grâce à des écrans de forme annulaire, qui réfléchissent la chaleur, en étant disposés de façon étagée. L'invention concerne en outre un procédé pour mouler des structures réalisées selon la technique des microsystèmes, dans lequel on presse contre une partie fixe d'une chambre une matière moulable avec une force de moulage et pendant une durée prédéterminée à l'intérieur de la chambre qui peut être fermée dans un outil de moulage en réglant une partie mobile de la chambre, une fois qu'a été réalisé un réglage des conditions atmosphériques et d'une température de moulage adaptée à la matière moulable, et dans lequel a lieu l'enlèvement de la matière moulée à une température de démoulage. Le réglage des conditions atmosphériques et de la température opératoire a lieu aux instants de la fermeture de la chambre, lors desquels une augmentation d'une force, qui agit sur la partie fixe de la
chambre, atteint des valeurs prédéfinies.
C'est ainsi que le réglage des conditions atmosphériques commence quand est atteinte une première valeur prédéfinie de la force, à laquelle a lieu une fermeture de la chambre au moyen de l'agencement de la partie de la chambre que l'on peut fermer, sur la face frontale, tournée vers l'extérieur, de la partie extérieure
des parois latérales.
Le réglage de la température opératoire suppose qu'a été atteinte une deuxième valeur prédéfinie, à laquelle l'outil de moulage et la matière moulable reposent l'un sur
l'autre avec un contact calorifique optimal.
De façon avantageuse on compense une augmentation, due à la dilatation thermique, de la force qui agit sur la partie fixe de la chambre, par un réglage du
trajet de la partie réglable de la chambre.
On va décrire ci-après plus en détail l'invention à partir des dessins schématiques annexés sur lesquels: la figure 1 montre la construction de base d'une installation de moulage; la figure 2 montre une chambre à vide servant au moulage; et la figure 3 montre des moyens servant au réglage
en hauteur de la chambre au moyen d'un fragment agrandi.
Une partie fixe 2 et une partie réglable 3, qui sont portées par un cadre de chargement 1 selon la figure 1, sont fixées sur les brides 4, 5. Les deux brides 4, 5 servent à fixer les parties 6 et 7, qui se font vis à vis, d'une chambre à vide représentée plus en détail sur les
figures 2 et 3.
Grâce à une combinaison, intégrée dans le cadre de chargement 1, composée du moteur, de la broche et du guidage, constituant une unité de production d'énergie, on peut faire coulisser contre la partie solidaire du bâti 2 la partie réglable 3 en pouvant commander la force de pression, grâce à l'action concomitante d'un dispositif qui sert à la mesure de la force 9, d'un dispositif de commande et de dispositifs non représentés de mesure des
déplacements et de réglage de la force.
On prévoit pour augmenter la température et pour refroidir pendant et après le processus de moulage à chaud une unité 13 d'équilibrage des températures qui fonctionne
comme un caloporteur.
Des plaques de protection pour équilibrer les températures 14, 15 entre les brides 4, 5 et les parties 6, 7 de la chambre dont on peut équilibrer les températures limitent le passage de la chaleur aux composants voisins du dispositif d'une manière suffisante. On n'a pas représenté les moyens qui servent à produire et à contrôler le vide, à ventiler et à détecter
les températures.
Selon les figures 2 et 3 on fait passer des canaux 16, 17, reliés à l'unité d'équilibrage des
températures 13, à travers les parties 6, 7 des chambres.
La fixation de la partie 6 de la chambre sur la bride 4 a lieu au moyen de six vis, que l'on fait passer à travers des manchons 18 et dont on peut voir selon la figure une ou deux d'entre elles. (Pour cause de visibilité toutes les pièces ne sont pas sur la figure 2 pourvues de leur
référence numérique).
Les parois latérales de la chambre à vide sont
séparées en une partie intérieure et une partie extérieure.
La partie intérieure est formée par une première bride cylindrique 19, dont l'ouverture est fixée par des vis 20 sur la partie 6 de la chambre. Pour assurer l'étanchéité on
a inséré dans une rainure 21 un joint torique 22.
La partie extérieure entoure sous la forme d'une deuxième bride cylindrique 23 aussi bien la première bride 19 avec sa surface enveloppe intérieure que les manchons 18 par des alésages 24 dans son ouverture. Au moyen d'une bague à section carrée 25, on établit une liaison par glissement, étanche au vide. Sur les manchons 18, qui servent de guidage pour la deuxième bride 23 sont enfilés des ressorts de compression 26 qui reposent sur l'ouverture de la seconde
bride 24 et prennent appui contre la partie 6 de la chambre.
Des têtes de vis 27, 28 constituent des butées qui limitent le mouvement de la seconde bride 23, qui est comprimée, quand la chambre à vide est ouverte, par l'action des ressorts de compression 26 sur les têtes de vis 28 et sur la surface frontale 29, orientée vers l'extérieur, de laquelle s'appuie la partie réglable 7 de la chambre, quand la chambre à vide se ferme à l'encontre de la force du ressort de compression 26. Aux fins d'étanchéité on insère un joint torique 30 dans une rainure 31 dans la surface frontale 29. L'intérieur de la chambre à vide qui sert d'espace opératoire est entouré, pour réduire les pertes latérales par rayonnement thermique, plusieurs fois par des écrans de forme annulaire qui réfléchissent la chaleur. Un premier écran intérieur 32 est disposé à l'intérieur de la
première bride 19 et laisse libre une fente 33 vers celle-
ci. On met des écrans centraux 35, 36 au voisinage des parties 6, 7 de la chambre sur les côtés tournés vers l'extérieur en laissant libre des fentes 34, 37. Enfin, des
écrans extérieurs 38, 39 forment une dernière protection.
Sur l'une des parties 6, 7 de la chambre, qui servent de partie supérieure et de partie inférieure, il est prévu un logement non représenté, avec lequel on peut maintenir un outil de moulage et/ou un poinçon d'estampage dans une position fixe ou qui convient à la fixation d'un ensemble de couches assemblées en dehors du dispositif, consistant par exemple en l'outil de moulage, la matière de moulage, le poinçon et des feuilles de séparation qui sont technologiquement nécessaires. Le chargement peut avoir lieu
aussi bien à la main que de façon automatique.
Pour éviter une oxydation de l'outil de moulage ou des inclusions d'air dans les structures à réaliser il est approprié d'avoir non seulement un environnement sous vide, mais d'utiliser aussi un gaz inerte comme conditions atmosphériques. La chambre à vide décrite dans le présent exemple peut sans modification des composants essentiels de l'invention être aussi constituée sous la forme de chambre que l'on peut fermer, dans laquelle on peut travailler sous
une atmosphère protectrice.
L'installation d'une surface d'étanchéité 40 de la partie inférieure 7 de la chambre sur le joint torique 30 dans la face frontale 29, tournée vers l'extérieur, lors de la fermeture de la chambre à vide, conduit à une augmentation d'une force de pression mesurée avec le dispositif de mesure 9. Quand une première force prédéfinie a été atteinte, le mouvement de la partie réglable 3 est stoppé, la position est maintenue constante en réglant le trajet. Il se produit une évacuation de la chambre à vide,
sans que s'exerce une force sur la matière moulable.
Une fois qu'a eu lieu l'évacuation, le processus de moulage commence. Tout d'abord le dispositif qui sert à mesurer la force 9 est mis à zéro, car les forces qui sont produites sur la chambre après l'évacuation par le vide n'ont pas d'influence sur le moulage. On déplace alors la partie réglable 3 jusqu'à ce que soit atteinte à son tour une deuxième force prédéfinie, pour laquelle l'outil de moulage et la matière moulable se trouvent l'une par rapport à l'autre en contact optimal pour assurer l'équilibrage des températures. Alors que la deuxième bride 23 glisse sur la première bride 19, on obtient la réduction nécessaire pour cela de la hauteur de la chambre en conservant les
conditions de vide.
L'outil de moulage et la matière moulable sont portés à la température de moulage nécessaire, la force réglée étant maintenue constante en régulant la force. On compense l'augmentation de la force de pression, causée par la dilatation thermique des matières, au moyen de la partie
réglable 3 par une régulation du déplacement.
En pouvant faire coulisser la bride 23 par rapport à la bride 19, on a aussi l'assurance, dans le cas de cette mesure, d'obtenir d'une manière avantageuse la
fermeture, étanche au vide, de la chambre à vide.
Une butée sur les têtes de vis 27 produit une augmentation mesurable de la force mesurée avec le dispositif de mesure 9, grâce à quoi l'on peut contrôler le trajet de coulissement maximal des éléments qui participent au moulage. Si la température nécessaire au moulage est atteinte on introduit la force de moulage, qui est nécessaire pour le processus de moulage, au moyen de la partie réglable 3, et on commande le processus de moulage en
régulant la force.
Une fois que le processus de moulage est terminé, on déplace la partie réglable 3 jusqu'à ce que soit atteinte une troisième force prédéterminée. Ensuite on refroidit l'outil de moulage et le poinçon de moulage en inversant le régime d'équilibrage des températures sur les parties 6, 7 dont on peut régler la température jusqu'à ce que soit atteinte une température de démoulage. Une fois ceci réalisé on remplit la chambre à vide d'un gaz inerte et
on l'ouvre en inversant la marche de la partie réglable 3.
La deuxième bride 23 est pressée sur les têtes de vis 28 sous l'action des ressorts de compression 26, grâce à quoi l'on obtient la position de départ avec la plus grande
ouverture de chambre.

Claims (9)

REVENDICATIONS
1.Dispositif servant à mouler des structures réalisées selon la technique des microsystèmes, avec une paire de parties, se faisant vis à vis, d'une chambre qui peut être fermée, parties qui servent de support pour recevoir un outil d'estampage et une matière moulable, et dont l'une est solidaire du bâti et l'autre est guidée de façon réglable dans un cadre, caractérisé en ce que la chambre présente des parois latérales, qui se composent d'une partie intérieure et d'une partie extérieure, et en ce que la partie intérieure est fixée sur la partie fixe (6) de la chambre et la partie extérieure, sur la surface frontale (29), tournée vers l'extérieur, de laquelle s'appuie la partie réglable (7) de la chambre lors de la fermeture de celle-ci, à l'encontre de la force d'un ressort (26), peut coulisser le long d'éléments de guidage (18) sur la partie fixe (6) de la chambre entre deux butées, dont l'écartement
détermine sensiblement l'étendue de la chambre.
2.Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que la partie intérieure est formée par une première bride cylindrique (19), dont l'ouverture est fixée sur la partie fixe (6) de la chambre et qui contient dans une rainure (21) un joint torique (22) servant à
assurer l'étanchéité par rapport à la partie fixe (6).
3. Dispositif selon la revendication 2, caractérisé en ce que la partie extérieure, qui se présente sous la forme d'une deuxième bride cylindrique (23), entoure aussi bien la première bride (19) par sa surface enveloppe intérieure que les éléments de guidage (18) par des alésages (24) dans son ouverture, une liaison par glissement étanche au vide étant établie entre la première et la deuxième bride
(19, 23) au moyen d'une bague à section carrée (25).
4. Dispositif selon la revendication 3, caractérisé en ce que la chambre est entourée de tous les côtés, au moins de façon fragmentaire, par des enveloppes thermoisolantes.
5. Dispositif selon la revendication 4, caractérisé en ce que l'on met des plaques de protection pour équilibrer les températures (14, 15) sur les côtés des parties de la chambre (6, 7), qui sont tournés vers l'extérieur, et que l'on obtient une réduction des pertes latérales par rayonnement de la chaleur grâce à des écrans de forme annulaire, qui réfléchissent la chaleur, en étant
disposés de façon étagée.
6. Procédé pour mouler des structures réalisées selon la technique des microsystèmes, dans lequel on presse contre une partie fixe d'une chambre une matière moulable avec une force de moulage et pendant une durée prédéterminée à l'intérieur de la chambre qui peut être fermée dans un outil de moulage en réglant une partie mobile de la chambre, une fois qu'a été réalisé un réglage des conditions atmosphériques et d'une température de moulage adaptée à la matière moulable, et dans lequel a lieu l'enlèvement de la matière moulée à une température de démoulage, caractérisé en ce que le réglage des conditions atmosphériques et de la température opératoire a lieu aux instants de la fermeture de la chambre, lors desquels une augmentation d'une force, qui agit sur la partie fixe (6) de la chambre, atteint des
valeurs prédéfinies.
7. Procédé selon la revendication 6, caractérisé en ce que le réglage des conditions atmosphériques commence quand la force atteint une première valeur prédéfinie, lors
de laquelle a lieu une fermeture de la chambre.
8. Procédé selon la revendication 7, caractérisé en ce que le réglage de la température opératoire suppose qu'a été atteinte une deuxième valeur prédéfinie, à laquelle l'outil de moulage et la matière moulable reposent l'un sur
l'autre avec un contact calorifique optimal.
9. Procédé selon la revendication 8, caractérisé en ce que 1 'on compense une augmentation de la force qui s'exerce sur la partie fixe de la chambre par suite de la dilatation thermique par un
réglage du trajet de la partie réglable de la chambre.
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