WO2021197599A1 - Vorrichtung und verfahren zum spritzgiessen - Google Patents

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WO2021197599A1
WO2021197599A1 PCT/EP2020/059281 EP2020059281W WO2021197599A1 WO 2021197599 A1 WO2021197599 A1 WO 2021197599A1 EP 2020059281 W EP2020059281 W EP 2020059281W WO 2021197599 A1 WO2021197599 A1 WO 2021197599A1
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insert
tool
injection molding
injection
alignment
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PCT/EP2020/059281
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Gerald MITTENDORFER
Markus Wimplinger
Friedrich Paul Lindner
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Ev Group E. Thallner Gmbh
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    • B29L2031/00—Other particular articles
    • B29L2031/756—Microarticles, nanoarticles

Definitions

  • the invention relates to a method and a device for injection molding.
  • Injection molding as a manufacture for microreplication is a well-known technology.
  • the technology has reached the natural limits of the polymer processing industry.
  • the increased demands on the shape and position tolerances of the injection-molded articles produced by injection molding cannot be adequately implemented with the previous methods. If, for example, the front and back of an injection molding tool are to be aligned with one another, the injection molded articles can currently only be manufactured with tolerances of around 10 micrometers.
  • injection molded articles that are used in certain branches of industry such as information technology, laser technology or communication network technology, these orders of magnitude are unacceptably high, because the accuracy requirements, especially for light guides, are in the micrometer or submicrometer range.
  • improvements with more precise manufacturing can no longer be achieved due to the manufacturing tolerances of the systems.
  • Injection molding technology can be expanded by methods from the semiconductor industry in order to be able to produce injection molded articles with increased accuracy.
  • the alignment of the tool or the inserts takes place in an open state in which two or more tool halves or tool parts do not yet provide an injection molding space for the injection molding compound later introduced therein. After the respective tool has been brought into the closed state for injection molding, it is no longer possible to align the tool halves or the insert (s) arranged in the injection molding space. Thus, alignment errors, especially those which for the high demands on the micro-injection molded articles have to be corrected, only take place when the tool is open. During or after the tool is closed, the tool or the insert (s) may be misaligned. In particular, series production of injection molded articles with the same tool or the same insert (s) for injection molding cannot therefore be carried out with sufficient accuracy.
  • the invention relates to a device for injection molding, in particular for micro injection molding, at least comprising: - A tool with a first tool half and a second tool half, wherein the first tool half and the second tool half define an injection molding space in a closed state of the tool and
  • the device has at least one insert which at least partially has a polymer.
  • the device can also have two inserts or more which at least partially comprise a polymer.
  • the at least one insert is preferably alignable in the closed state of the tool, in particular to a further insert.
  • the invention relates to a method for injection molding, in particular for micro injection molding, an injection molding space being defined by a tool with a first tool half and a second tool half in a closed state of the tool, at least one insert arranged in the injection molding space having at least partially a polymer.
  • Two or more inserts which at least partially comprise a polymer can also be arranged in the injection molding space.
  • the at least one insert is preferably aligned in the injection molding space in the closed state of the tool, in particular for a further insert.
  • the at least one insert has an elastic surface made of structured, molded polymer, in particular produced by means of imprint lithography.
  • the at least one insert or its surface can represent a structured soft stamp which is used as a master for the original molding of the injection molded article.
  • the insert consists of a substrate (back plane), in particular a plate, more preferably a wafer, on which the polymer to be structured is deposited and embossed in order to produce the elastic structures.
  • the at least one insert is a component group consisting of at least two components, namely a substrate and a soft stamp embossed thereon.
  • the substrate serves in particular as a carrier substrate for the soft punch.
  • the at least one insert consists at least partially of a polymer-elastic material.
  • the at least one insert consists at least partially of an elastomer.
  • the insert in particular the elastic structures, consists of at least one of the following materials:
  • Silanol functional polymers • Silanol-terminated polydimethylsiloxane, especially CAS: 70131-67-8
  • Dimethylsiloxane copolymer especially CAS 68951 -93-9 and / or CAS: 68083-14-7
  • Epoxypropoxy propy lmethylsiloxane-dimethylsiloxane copolymer especially CAS: 68440-71-7
  • Tris (glycidoxypropyldimethylsiloxy) phenylsilane especially CAS: 90393-83-2
  • Epoxycyclohexylethylmethylsiloxane-dimethylsiloxane copolymer especially CAS: 67762-95-2
  • Epoxycyclohexylethylmethylsiloxane - dimethylsiloxane copolymer, especially CAS: 67762-95-2 • (2-3% Epoxycyclohexylethylmethylsiloxan) (10-15% MEthoxypolyalkyleneoxymethylSiloxan) - Dimethylsilxoan terpolymer, especially CAS: 69669-36-9
  • Dimethylsiloxane copolymer in particular: CAS: 104780-61-2
  • TEOS Tetraethylorthosilicate
  • PFPE Perfluoropolyether
  • the at least one insert is inserted into the first tool half or into the second tool half when the tool is open and, in particular, is fixed.
  • the tool In the closed state, the tool has the injection molding space inside, which is formed by the first and second tool halves.
  • the at least one insert is arranged in the injection molding space and can preferably be aligned. In this way, an alignment of at least an insert advantageously take place in the closed state of the tool and an alignment error can be corrected.
  • the at least one insert in one or more directions relative to the tool or to the
  • Injection molding space is movable.
  • the alignment error is preferably determined by measuring an injection-molded article produced by means of injection molding.
  • the device and the method are preferably designed for the series production of injection molded articles with particularly high demands on dimensional accuracy.
  • the device and the method can be used to produce injection-molded articles which have functional areas. These functional areas are shaped on the injection-molded article in particular by the at least one insert that can be aligned, in particular when an injection molding compound introduced into the tool is hardened.
  • the device has at least one further insert arranged in the injection molding space, wherein the insert and / or the at least one further insert can be aligned in the closed state of the tool. In this way, injection molded articles with multiple inserts can be formed or manufactured.
  • the inserts can advantageously be aligned with one another in the closed state of the tool.
  • this enables precise alignment for production by aligning both inserts.
  • an insert is in particular in arranged in the first tool half and the at least one further insert arranged in the second tool half.
  • Another preferred embodiment of the invention provides that the insert and / or the at least one further insert each have an impression surface with elastic structures.
  • the shape of the injection-molded article can advantageously be predetermined by means of the molding surfaces.
  • the elastic structures particularly small, in particular microstructures and / or nanostructures, can advantageously be molded onto the injection molded article in an injection molding process.
  • the elasticity of the structures allows an even finer and more precise impression of the structures on the injection molded article.
  • shapes that interlock or undercut can also be molded.
  • Rigid structures could either destroy the microstructures and / or the nanostructures or even be destroyed when they are removed from the mold.
  • Inclined microstructures and / or nanostructures may be mentioned as an example.
  • the elastic structures preferably consist of a polymer that is used in the semiconductor industry for soft stamps.
  • Such polymers are mentioned, for example, in the publications WO2015078520A1 and WO2014202127A1.
  • the impression surface of the at least one further insert can be aligned with one another in the closed state of the tool.
  • the shape of the injection molded article can advantageously be specified extremely precisely.
  • Another preferred embodiment of the invention provides that the structures of the molding surface of the at least one insert and the structures of the molding surface of the at least one further insert can be aligned with one another in the closed state of the tool.
  • the positions of the molded structures on the front and the rear side of the injection molded article can advantageously be set exactly with respect to one another.
  • At least one heater is / are integrated in at least one of the tool halves and / or in the at least one insert and / or in the at least one further insert and / or in the respective structures, so that the injection molding space, in particular an injection molding compound conducted into the injection molding space, can be heated in a targeted manner by the at least one heater.
  • the heater can be any type of heater. Resistance heating or induction heating, for example, would be conceivable.
  • inductive heating By means of inductive heating, the boundary surfaces of the tool or the insert or the inserts, in particular the molding surfaces with elastic structures, which are in direct contact with the injection molding compound during injection molding, can advantageously be heated.
  • An uncontrolled solidification of the injection molding compound, in particular on the fine structures of the molding surface of the inserts, can be prevented in this way and the liquid injection molding compound can advantageously be kept evenly heated during an injection molding process.
  • the quality of the impression is increased or a form defect in the injection-molded article to be produced is prevented.
  • a molding of the microstructures and / or the nanostructures is improved and simplified by the heated molding surface or the heated structures.
  • the heater is built into the at least one insert. If the at least one insert is a semiconductor, the heater is implemented directly as an active component, i.e. metallic conductor tracks or semiconductor elements that are capable of efficiently converting electricity into Joule heat are produced directly in at least one insert.
  • the heating is preferably carried out as in the document WO2019210976.
  • Another preferred embodiment of the invention provides that the at least one insert and / or the at least one further
  • Insert in particular on the respective impression surface and / or on a respective rear side, has / have a plurality of alignment marks.
  • the alignment marks are markings to which a specific position on the insert can be assigned.
  • alignment marks in particular an alignment mark field, in which each alignment mark can be assigned a specific position in the alignment mark field.
  • the alignment marks on the impression surface can in particular be the structures arranged on the impression surface of the at least one insert.
  • the at least one insert preferably has alignment marks on the impression surface and on the rear side. Particularly preferably, the positions of the alignment marks on the impression surface in relation to the positions of the alignment marks on the rear side of the at least one insert are known to one another.
  • the alignment marks can preferably be detected, processed and set in relation to one another by an optical alignment means.
  • the alignment means can for example be arranged inside the tool, in particular on the rear side of the at least one insert.
  • the alignment marks enable particularly precise and simple alignment of the at least one insert.
  • Another preferred embodiment of the invention provides that the first tool half and / or the second tool half has / have viewing windows so that the at least one insert and / or the at least one further insert can be aligned using the plurality of alignment marks when the tool is closed is and / or can be aligned with one another.
  • the viewing window is arranged in the tool in such a way that the alignment marks of the at least one insert and / or of the at least one further insert can be viewed from outside the tool, in particular can be viewed or detected for an optical alignment means.
  • the viewing window is preferably arranged in the tool in such a way that, when the tool is closed, at least the alignment marks on the rear side of the at least one insert can be seen. A monitored relative alignment of the respective insert can thus advantageously be carried out.
  • the first tool half and / or the second tool half each have at least one positioning mechanism, so that the at least one insert and / or the at least one further insert based on the plurality of alignment marks in the closed state of the tool can be aligned.
  • the positioning mechanism can, in particular in an automated or computer-controlled manner, advantageously carry out the alignment of the at least one insert and / or the at least one further insert with the tool closed.
  • the alignment is advantageously carried out on the basis of the alignment marks.
  • the positioning mechanism is designed in such a way that the at least one insert or the inserts can be aligned particularly precisely.
  • the positioning mechanism is preferably an aligner.
  • the insert to be aligned is fixed in the tool, but can be aligned by the positioning mechanism. In this way, the at least one insert can advantageously be aligned using the alignment marks even when the tool is closed.
  • the structures of the impression surface of the at least one insert and the structures of the impression surface of the at least Another insert can be aligned with one another in the closed state of the tool.
  • the position of the alignment marks on the rear side of the at least one insert in relation to the structures on the impression surface of the at least one further insert is known.
  • the insert and / or the inserts, in particular the structures that are important for the molding on the injection molded article can advantageously be aligned or aligned with one another only on the basis of the alignment marks on the respective rear side.
  • alignment of the structures on the molding surface of the inserts is advantageously only possible by means of the alignment marks on the rear side.
  • alignment based on the alignment marks on the back of an insert can also be carried out during injection molding.
  • Another preferred embodiment of the method according to the invention provides that the at least one insert and at least Another insert arranged in the injection molding space, in particular an impression surface of the at least one insert and / or an impression surface of the at least one further insert, can be aligned with one another in the injection molding space in the closed state of the tool.
  • the method it is possible with the method to align the impression surface, in particular the structures arranged on the impression surface, of the inserts or to align them with one another.
  • the dimensional accuracy of the injection-molded article produced is advantageously increased in the injection molding.
  • Another preferred embodiment of the method according to the invention provides that the at least one insert and / or the at least one further insert is / are aligned on the basis of a plurality of alignment marks attached to the insert and / or the at least one further insert.
  • the at least one insert and / or the at least one further insert can advantageously be aligned on the basis of the alignment marks.
  • the at least one insert and / or the at least one further insert is aligned on the basis of a measurement of an injection molded article produced by the injection molding method. After an injection molded article has been created, it can be measured and analyzed. The actual values of the shapes or the geometries of the injection molded article are compared with target values. A form error can be determined from this comparison and a correction can be derived. By realigning the insert or the inserts, this error can be iteratively improved when the alignment is carried out several times, in particular until the form error is within a predetermined tolerance range.
  • the areas of the injection molded article are preferably measured, in which the structures arranged on the molding surfaces are molded, as these are particularly important for the functionality of the produced
  • Injection molded articles are important. In this way, the alignment can be improved on the basis of a manufactured injection-molded article.
  • alignment is carried out by reworking the at least one insert and / or the at least one further insert.
  • a correction is carried out by aligning the insert or the inserts.
  • Alignment can also be achieved by post-processing, in particular removal or application of appropriate material.
  • the method has at least the following steps, in particular in the following order: i) equipping the tool with the insert and / or with the at least one further insert, ii) closing the tool, iii) producing an injection-molded article, in particular by introducing an injection-molding compound and curing the injection-molding compound, iv) removing and measuring the injection-molded article, v) determining an alignment error by comparing it with target values, vi) aligning the insert and / or the at least second insert.
  • the injection molding method can advantageously be iteratively adapted to the process by aligning the inserts.
  • One aspect of the present invention is based on a modification of the injection molding process or the injection molding device so that surfaces with micrometer or nanometer structures can be produced with at least partially flexible inserts, in particular inserts with surface structure using soft stamp technology.
  • approaches from the semiconductor industry are used to align molded parts or the molding surfaces or to align them with one another.
  • feedback means that the injection-molded article produced several times in series is measured and any defects that can be detected on the injection-molded article are compensated for by aligning the inserts and / or by reworking the inserts, so that the quality of the injection-molded article produced in each case can be improved iteratively.
  • the device according to the invention and the method according to the invention make it possible to functionalize the surface (s) of the embossed workpiece, so that the manufacturing costs can be reduced by optimizing the respective manufacturing process and at the same time the accuracy of the workpiece is increased.
  • a conventional manufacturing method can be used for the molding will.
  • the surface functionalization is achieved with the novel, highly precise at least one insert in the tool.
  • the manufacture of an injection-molded article with functional surfaces or micro- and / or nano-structured surfaces was previously not possible with conventional injection molding devices or injection molding processes.
  • the present invention relates to a method and a device for injection molding, in particular micro injection molding. It is about the production of injection molded articles with very small structures, which are molded onto the injection molding compound or the corresponding injection molded article through the molding surfaces.
  • a known injection molding device is designed in such a way that the accuracy and / or shape and position tolerances and / or surface quality and / or surface functionality of the injection molded article produced are improved by means of, in particular, at least partially elastic, preferably microstructured inserts.
  • an injection-molded article is generally produced in a tool in an original molding or injection-molding space (also called an injection-molding chamber), the tool being filled with an injection-molding compound.
  • the injection molding compound has certain state variables in relation to the specific volume, temperature and filling pressure.
  • the tool is filled under high pressure with a compressible and compressed injection molding compound heated above the melting temperature of the injection molding compound, and then pressed down.
  • the temperature of the injection molding compound is in particular 10 ° C., preferably 25 ° C., even more preferably 50 ° C., most preferably 75 ° C. above the melting temperature of the injection molding compound.
  • the melt solidifies under the holding pressure in the tool. After Phase transition into the solid state (with physically induced, unavoidable shrinkage) and especially after reaching atmospheric pressure in the tool, the tool is opened at least in one mold division level and the injection molded article is removed or automatically ejected.
  • the state variables material, temperature, pressure as well as shape and / or functionalization of the tool are responsible for the achievable dimensional accuracy of the injection molded article.
  • the first disclosed injection molding device includes at least one modified tool with at least one insert for adapting and / or functionalizing the tool and thus the injection molded article produced.
  • the insert preferably has an in particular micro- or nano-structured surface which is molded during the production of the injection-molded article.
  • the at least one insert particularly preferably has a coating, preferably a structured coating, particularly preferably a microstructured or nanostructured coating, which is molded during the production of the injection molded article.
  • the at least one insert has an elastic structure, in particular with microstructures and / or nanostructures.
  • an in particular at least partially rigid insert with flexible structures on its surface can make a better impression of injection molded articles with high accuracy and high requirements Surface structuring and / or tight shape and position tolerances can be produced.
  • a separation of functions is preferred, in particular between coarse and fine
  • Shaping and functionalization of at least one article surface brought about by the shape and design of the tool and / or of the at least one insert defining at least the rough shape and the, in particular, elastic structuring of the insert surface, which is molded in the injection molded article, the surface of the injection molded article or the functionalization the surface of the injection molded article is determined.
  • an additional, local heater is built into at least one, in particular micro- or nano-structured, insert in order to increase the dimensional accuracy of the impression and to obtain a higher so-called form factor (aspect ratio), i.e. to produce higher and narrower structures can.
  • the heater is coupled into the surface structure of the at least one insert in order to heat the injection molding compound in a targeted manner and directly in the areas in contact with the injection molding compound.
  • the form factor of the structured impression surfaces can thus be further improved.
  • an independent invention is seen in the tool of an injection molding device according to the invention.
  • the parts of the tool that are not primarily relevant for the function of the injection-molded article can be designed with conventional manufacturing processes according to ISO 2768-1 and ISO 2768-2, in particular classified as “fine” or “high”.
  • the tool includes at least one insert.
  • the at least one insert can be coated and thus functionalized by means of an embossing process at least on the surface of the insert to be molded.
  • the at least one insert with higher requirements in terms of surface quality, functionalization such as, in particular, microstructured periodic surface structures is preferably produced with so-called microreplication, in particular micro- or nanolithographic embossing processes, and integrated into the tool as an at least partially elastic insert.
  • microreplication in particular micro- or nanolithographic embossing processes
  • the at least partially elastic structures on the at least one insert can advantageously be molded individually and precisely onto the injection molded article.
  • the surface structures of the at least one insert are produced for example by means of lithographic imprint technology on the respective insert, in particular like the technology that is described in detail in the document EP2870510B1.
  • the at least one insert which can contain, for example, inorganic carriers, preferably semiconductor materials, and / or particularly preferably silicon nitride (S13N4) and / or silicon carbide (SiC) and / or diamond and / or technical glass, is preferably fastened in the tool so that it can be aligned.
  • the at least one insert is consequently fixed in place, but can be moved in a targeted manner and thus be stored fixed in a different position. It is also conceivable that, using a known imprint lithography technology, an in particular elastic structure is first produced on a carrier, which structure is then transferred to the surface of the at least one insert.
  • plasma activation and / or adhesives can be used for structure transfer.
  • the elastic structures are preferably produced directly on the surface of the at least one insert.
  • An aligner can be used for aligning and / or pre-fixing the structure on the surface of the at least one insert.
  • a processing laser can be used to fasten the carrier on the at least one insert or can be integrated in the tool.
  • the tool it is possible to align and fasten the at least one insert with an aligner known from semiconductor technology in the tool.
  • the alignment accuracy of the at least one insert in the tool is better 5 micrometers, preferably better 1 micrometer, particularly preferably better 500 nanometers, very particularly preferably better 250 nm, in particular in the lateral plane of the tool.
  • the same alignment accuracy can be provided by the aligner or further aligners in other directions of movement of the tool.
  • the alignment accuracy of the at least one insert in the tool is preferably measured on the injection-molded article produced.
  • the first or the first injection-molded articles produced can therefore be measured and the alignment accuracy can thus be determined by comparing the measured actual values with predetermined target values.
  • An aligner is preferably integrated as an alignment module in the injection molding device. Accordingly, with a modular design, the devices with modules such as measuring modules for measuring the injection molded article, material processing module can be added to the injection molding device flexibly and according to application requirements.
  • the injection molding device contains an aligner and imprinter for the production of an in particular elastic micro- or nano-structured surface on an insert.
  • the attachment establishes a connection between the at least one insert and the tool, which is adapted to the operating conditions (overpressure up to over 2000 bar, preferably over 2400 bar, temperatures of the stamping compound and of the tool up to over 150 degrees Celsius, preferably up to over 200 degrees Celsius) or is designed.
  • the at least one insert is fixed in the tool in a true-to-position and position-accurate manner, in particular free of force.
  • the non-compulsive fastening of the at least one insert in the tool means that exactly six degrees of freedom of movement for the at least one Can be used. In this way, deformations due to parasitic forces on the insert are advantageously avoided.
  • misalignment therefore exists relatively between an insert and a second component, in particular a further insert.
  • the alignment error, in particular measured relatively for two inserts facing each other with their respective impression surfaces, on the injection molded article is preferably less than 10 micrometers, preferably less than 5 micrometers, particularly preferably less than 1 micrometer, very particularly preferably less than 500 nanometers, most preferably less than 200 nanometers.
  • the alignment error on the injection-molded article is therefore less than 150 nanometers, preferably less than 100 nanometers, particularly preferably less than 50 nanometers.
  • the period error is to be regarded as a deviation from the ideal, predetermined alignment state. ⁇ ⁇ Only the deviation, i.e. the defect in the injection molded article, counts. It is thus advantageously possible to specify the alignment status of the periods with respect to one another as a quality feature.
  • An alignment error which is exactly one period, only causes an error at the edge of the embossed structures of the injection-molded article, in other words an offset error by the length of one period.
  • the alignment error in particular period error, should be less than 0.25 period, preferably less than 0.1 period, particularly preferably less than 0.05 period, measured on the injection-molded article.
  • the misalignment must also be minimal with respect to rotation.
  • the structures should not deviate by more than 1.0 ⁇ m over a distance of 50 mm. This corresponds to a maximum angle of 2 * 10 -5 °.
  • the alignment error with respect to the angle is therefore less than 2 * 10 -5 °, preferably less than 10 -5 °, even more preferably less than 5 * 10 -6 °, most preferably less than 2 * 10 -6 °, most preferably less than 2 * 10 -7
  • a rotation error with a reference length of 50 mm will be less than 1 ⁇ m, preferably less than 500 nm, particularly preferably less than 250 nm, very particularly preferably less than 100 nm, most preferably less than 10 nm measured on the circumference and / or edge of the article.
  • the injection molding compound can contain a light-sensitive, particularly UV-curing, component.
  • a light-sensitive, particularly UV-curing, component When using such an injection molding compound, there is no thermally induced hardening or phase transformation from a liquid to the solid Injection molding compound instead, but a phase change based on UV radiation.
  • the tool in this embodiment of the injection molding device contains integrated radiation sources and / or radiation windows that are transparent for the curing radiation, through which the curing radiation irradiates the injection molding compound in order to initiate curing.
  • the tool is transparent.
  • Polymers and / or their mixtures and / or blends with or without fillers can be used, which in particular can contain the following materials:
  • LDPE -Polyethylene
  • HDPE high density polyethylene
  • PP polypropylene
  • PVC chlorinated polyethylene
  • PMMA / or -Polystyrenes
  • PMMA / or -Methacrylate
  • PET / or -Terephthalate
  • PTFE / or -fluorinated Polymers
  • the shrinkage of the injection molding compound used is preferably less than 5%, particularly preferably less than 3%, even more preferably less than 1.7%, most preferably less than 0.7%.
  • a second embodiment of an injection molding device contains at least one modified tool with two inserts which are to be aligned with one another and which carry out the functionalization of the injection molded article with in particular elastic, preferably microstructured and / or nanostructured surfaces.
  • At least two inserts with, in particular, elastic microstructured and / or nanostructured insert surfaces in the tool can be aligned with one another and fastened.
  • the alignment accuracy of the inserts to one another in the tool is as much as the alignment accuracy of an insert in the tool.
  • the inserts in the tool it is possible to arrange the inserts in the tool so that they fall on different halves of the tool parting plane.
  • the device and the method for injection molding can be designed to be particularly flexible with regard to the position of the inserts in the tool.
  • the tool can be at least partially transparent.
  • the tool can have removable support parts, which are used for power transmission and uniform force distribution of the contact pressure, as well as viewing windows or Alignment window, with the help of which the inserts or the structured surfaces of the inserts can be aligned when the tool is completely closed.
  • the tool can contain corresponding support structures.
  • the viewing windows can in particular also be designed for curing the injection molding compound with UV radiation.
  • the alignment can take place, for example, by so-called alignment marks or markings. These are attached to the insert or inserts. There is preferably at least one marking on each insert that can be aligned in the closed state of the tool.
  • the alignment is preferably carried out by an optical alignment of at least one marking, which is arranged on the back of an insert, to an alignment mark, which is arranged on the back of a further insert.
  • alignment can be beneficial take place via the rear sides of the inserts facing away from the respective impression surfaces.
  • the markings or alignment marks can be crosses, propeller-like alignment marks, which are common in the semiconductor industry.
  • Circles polygonal patterns, line patterns for optical interference, QR codes.
  • the alignment marks are preferably arranged in a mark field, the individual alignment marks having an information content so that the position in the mark field, and thus the position of the corresponding insert relative to an optical alignment means, is known. Alignment can then advantageously take place relatively, based on the known position of the individual mark in the mark field.
  • an insert contains alignment marks or markings on two opposing surfaces. These are preferably located on the respective rear side of the insert and on the respective side of the molding surfaces of the insert. In this way, alignment can advantageously take place from both sides of the insert.
  • the injection molding device has an aligner and fixation for two inserts, the aligner correlating a surface structuring, which then act in particular as alignment marks, on the impression surface, to alignment marks on the rear side of the insert, the correlation in particular on Image evaluation based.
  • a back-to-back alignment of at least two inserts can be performed using the correlated data.
  • the optical alignment means for detecting the respective alignment marks on the rear side can be arranged within the tool. The alignment of the inserts to one another can thus advantageously take place when the tool is in the closed state.
  • the alignment takes place by alignment means arranged outside the tool, which can detect the alignment marks or markings of the inserts through, for example, channels or alignment windows.
  • a surface structuring of the insert can take place in a particularly aligned manner on the insert surface or the impression surface, so that the position and location of the particularly soft surface structures can be measured.
  • the surface structures can advantageously serve as alignment marks or markings.
  • the inserts have further markings or alignment marks on the back, which can be measured relative to the surface structures. In this way, when a marking is measured, the position of the opposing surface structures is also known and vice versa.
  • the insert can have different regions or different layers of the surface structures. These can contain surface structures to be molded and / or surface structures not to be molded, in particular alignment marks.
  • the surface structures can be created in a so-called "first print” or in a sequential production.
  • the insert on the surface, in particular provided with soft structures to be molded, of the insert and on the opposite surface of the insert markings, in particular alignment marks, are attached and / or applied and / or introduced.
  • the insert can contain alignment marks and / or alignment mark fields on both surfaces, which in particular qualify the use for alignment in an aligner by means of lithography or electron beam.
  • the alignment marks of the surface structuring are preferably measured in relation to the same surface of the insert in order to be able to verify the position of the surface structures on the insert.
  • the inserts can be aligned with one another on the basis of the non-surface structured (embossed) rear sides, as if the surface structures were aligned directly with one another.
  • the alignment of the inserts with respect to one another is very particularly preferably carried out in the closed tool.
  • the measured alignment errors of the Injection molded articles can be corrected on the basis of error correction vectors, which are derived from the alignment errors of the injection molded articles, in that the inserts are aligned with one another in an improved manner.
  • the check of the alignment success results from the measurement of the injection-molded article produced or the determination of the alignment error on the basis of an injection-molded article produced.
  • the inserts in the closed tool can be positioned or aligned with an infeed movement of less than 1000 micrometers, preferably less than 500 micrometers, particularly preferably less than 250 micrometers, in particular by means of solid joints, in particular without play.
  • air bearings integrated in the tool can promote the mobility of the insert. In this way, an easy and very precise alignment is made possible.
  • the infeed movement means the maximum possible travel of the insert in the tool during alignment.
  • the alignment marks cover at least one area which is larger than the vector sum of the travel vectors of the positioning device or alignment device. For example, should be able to be moved mm in the x direction and 1 mm can be moved in the y direction is also 1, then the alignment marks should be on a surface greater than 1 mm 2 in view of the aligner to be present. It is provided that the inserts can be positioned by means of fine positioners, in particular with piezo drives and / or differential thread adjusting means.
  • piezo drives linear piezo drives, screw drives or the like can be used.
  • the inserts are attached to each other in the tool after the alignment in such a way that the production of a series of injection molded articles or at least the production of an at least statically relevant sample of injection molded articles adjusts the position and the location of the inserts by less than 1%, preferably adjusted by less than 50 ppm, particularly preferably adjusted by less than 100 ppb.
  • the adjustment relates to the ideal value of the injection molded article produced. In other words, the spread of the manufacturing errors with regard to the location and / or position of the inserts is kept within a narrow tolerance field of less than 1%, preferably less than 50 ppm, particularly preferably less than 100 ppb.
  • the inserts can be fastened in the tool, in particular for series production.
  • fastening is understood to mean that the insert cannot be detached from the tool without damaging the insert (in particular because of the high level of adhesion to the tool). It is conceivable that a fixed insert will have to be replaced. In this case, an insert can be destroyed, but the functionality of the tool should be retained except for the necessary cleaning and should be able to accommodate another insert without reworking the tool.
  • the shape and position tolerances of the injection molded article are increased with the disclosed method, in particular by reworking the elastic surface structures of at least one of the inserts and / or by reworking at least one of the inserts.
  • the plane parallelism of the injection molded article can be increased.
  • the tool or the arrangement of the insert or the inserts are set in an iterative, in particular approximating, validation method.
  • a tool is created with which a particularly statistically relevant amount of injection molded articles, in particular a series, is produced.
  • the injection molded articles are measured and, in particular, evaluated statistically. In this way, an average alignment error can advantageously be determined.
  • a correction of the tool in particular an adjustment of the insert, can then be carried out on this basis.
  • This correction can consist, for example, in the fact that material is removed or added and / or the orientation is changed and / or the position of the insert is adjusted.
  • Corrected injection-molded articles are produced and evaluated in a particularly statistically relevant quantity. Either a further approximation of the ideal injection-molded article is carried out iteratively or production of the injection-molded article is started.
  • a statistical evaluation of random samples of the injection molded article can be carried out in order to be able to carry out further necessary adjustments.
  • the effects of aging and wear and tear on the tool can be recognized at an early stage.
  • a first preferred exemplary method for injection molding is carried out in particular with the following steps, preferably with the following sequence.
  • the tool is equipped with at least one elastic, microstructured or nanostructured insert.
  • the tool is closed.
  • the insert to the tool and / or the inserts to one another, in particular back to back, are aligned and fastened in the tool.
  • the tool is installed in the injection molding device.
  • At least one injection-molded article is produced, in particular by means of an injection-molding process.
  • the injection-molded article is removed from the tool and, in particular, measured in a 3D coordinate measuring machine.
  • the data are passed on to the data memory and data analysis device.
  • the injection molded article is checked for function and / or tested in an optional process step.
  • An error vector field is created by the computer, which was derived from the measured values and the setpoints. The correction factors and corrective measures are determined.
  • the targeted corrections include changing the position and location of the at least one insert in the tool. - A further iteration of the setting of the tool and the insert is optionally carried out.
  • Another preferred exemplary method for injection molding has in particular the following method steps, in particular with the following sequence.
  • the tool is provided in the preparatory process steps. To do this, it is necessary to functionalize the inserts with surface structures.
  • the correlation of each insert from the surface structures to the back of the insert is measured and, in particular, processed in a computer as a data memory and data analysis device.
  • the tool is equipped with, in particular, elastic, microstructured or nanostructured inserts.
  • the tool is closed.
  • the inserts are aligned with one another, in particular back to back, and fastened in the tool.
  • the tool is installed in the injection molding device.
  • At least one injection-molded article is produced, in particular by means of an injection-molding process.
  • the injection-molded article is removed from the tool and, in particular, measured in a 3D coordinate measuring machine.
  • the data are passed on to the data memory and data analysis device.
  • the injection molded article is checked for function and / or tested in an optional process step.
  • An error vector field is created by the computer, which was derived from the measured values and the setpoints. The correction factors and corrective measures are determined.
  • the targeted corrections are applied.
  • the corrections can include at least local material build-up or at least local material degradation or a modification of the surface structure.
  • the thickness variations of the injection molded article or waviness can be changed with targeted material removal or material build-up on the back of the insert.
  • Press-in pressure that is present during injection molding can be used in order to utilize the occurring deformation of the insert in a targeted manner and to influence the shape of the injection-molded article at least locally.
  • the volume of the injection molded article increases. Local depressions in the injection molded article can thus be corrected. If material is built up at least locally on the back of the insert, the volume of the injection molded article is reduced.
  • the modified insert is built into the tool and a further iteration of the manufacture of an injection molded article begins until a termination criterion is reached.
  • a possible termination criterion is the achievement of the qualitative, functional criteria of the injection molded article.
  • Another termination criterion can be irreparable deterioration of the injection molded article, so that the tool and / or the insert can be checked and replaced.
  • Fig. 1 shows a tool for a device according to the invention for
  • the tool 1 consists of a first tool half 2 and a second
  • Tool half 3 which can be separated from one another by the parting plane E.
  • the technological design of the tool 1 determines the number of necessary tool parts and the number of
  • Molding levels The necessary guides, fitting cones and ejector bolts, media supply for cooling and / or heating, electronic assemblies for heating, deburring tools, cutting tools for cutting off the filler channel are not shown in the figures.
  • the tool 1 has a first insert 5 and a second insert 5 '.
  • the inserts have 5.5 ‘a polymer.
  • a viewing window 4 is shown, which separates the second tool half 3 from an injection molding space 10 and from the insert 5 ', in particular pressure-tight.
  • the alignment marks 5m ‘of the insert 5 can be observed through the viewing window 4, in particular with an aligner (not shown), and can be adjusted by means of the positioning mechanism 6.
  • the pressure distributors 7 make it possible to cover the viewing window 4 and / or the back of the insert 5b 'with the alignment marks 5m' during the injection molding process in order to be able to maintain the operating pressure during injection molding up to, for example, 2500 bar overpressure without the injection molding compound, which is not shown, coming out of the tool 1, in particular in an uncontrolled manner, can escape.
  • the inserts 5, 5 ' are positioned with structured impression surface 5s, 5s' in the direction of the injection molding space 10 in the tool 1, in particular in the tool halves 2, 3 so that they can be aligned and adjusted.
  • the inserts 5, 5 'can have alignment marks 5m, 5m' both on the structured impression surface 5s, 5s 'and on the rear side of the insert 5b, 5b', in particular designed as a brand cluster, in order in particular to reference or correlate the impression surface 5s, 5s 'of the inserts 5.5' with the back 5b'5b 'of the inserts 5.5'.
  • the measurement does not necessarily take place in tool 1.
  • the rear side 5b, 5b of the insert 5.5 ‘can be machined to achieve flatness requirements, with the impression surface 5s, 5s of the insert 5.5 being able to be used without structuring.
  • the impression surface 5s, 5s ‘of the insert 5.5, regardless of the processing or machinability of the rear side 5b, 5b‘ of the insert 5.5, can be without structuring.
  • the tool 1 is filled in the filling opening 8 with the injection molding compound, not shown, so that it reaches the injection molding space 10 and in particular completely fills the cavities of the injection molding space 10.
  • in particular ventilation channels 9 are formed in the tool 1.
  • the insert 5 is shown symbolically without a viewing window.
  • channels are formed in the tool 1, in particular around the rear side 5b of the insert 5 with optical - 46 -
  • the pressure distributors 7 support the insert 5, 5 ⁇ in order to protect it against breakage due to overloading with the injection molding compound.
  • Overloads of the insert 5, 5 ' can include a thermal overload and mechanical overload, which can be avoided by force-free clamping and, in particular, full-surface support of the insert 5, 5' in the tool 1.

Landscapes

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Abstract

Die Erfindung betrifft insbesondere eine Vorrichtung zum Spritzgießen, insbesondere zum Mikrospritzgießen, mindestens aufweisend ein Werkzeug mit einer ersten Werkzeughälfte und einer zweiten Werkzeughälfte, wobei die erste Werkzeughälfte und die zweite Werkzeughälfte in einem geschlossenen Zustand des Werkzeugs einen Spritzgussraum definieren und einen in dem Spritzgussraum angeordneten Einsatz.

Description

B e s c h r e i b u n g
Vorrichtung und Verfahren zum Spritzgießen
Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Spritzgießen. Spritzgießen als Herstellung zur Mikroreplikation ist eine bekannte Technologie. Mit wachsenden Anforderungen an die Genauigkeit der hergestellten Spritzgussartikel ist die Technologie an den natürlichen Grenzen der polymerverarbeitenden Industrie angekommen. Insbesondere die erhöhten Anforderungen an die Form- und Lagetoleranzen der mit Spritzguss hergestellten Spritzgussartikel können mit den bisherigen Methoden nicht adäquat umgesetzt werden. Sollen beispielsweise die Vorderseite und die Rückseite eines Spritzgießwerkzeugs zueinander ausgerichtet werden, können die Spritzgussartikel aktuell nur mit Toleranzen von rund 10 Mikrometer hergestellt werden.
Für Spritzgussartikel, die in gewissen Industriezweigen wie Informationstechnik, Lasertechnik oder Kommunikationsnetztechnologie verwendet werden, sind diese Größenordnungen inakzeptabel hoch, denn die Genauigkeitsanforderungen, insbesondere an Lichtleiter, bewegen sich im Mikrometer- oder Submikrometerbereich. Mit konventionellen Herstellungsverfahren des Maschinenbaus können wegen den Herstellungstoleranzen der Anlagen keine Verbesserungen mehr mit genauerer Fertigung erreicht werden. Die Spritzgießtechnologie kann durch Methoden aus der Halbleiterindustrie erweitert werden, um Spritzgussartikel mit einer erhöhten Genauigkeit erzeugen zu können.
Die Herstellungsverfahren und Ansätze des Maschinenbaus und der Halbleiterindustrie unterscheiden sich so grundlegend voneinander, dass die Herstellungsverfahren oder die erreichbaren Genauigkeiten nicht beliebig skalierbar sind. Mit anderen Worten können in der Halbleiterindustrie insbesondere Genauigkeiten oder Oberflächenqualitäten erreicht werden, welche konventionell nicht fertigbar sind. Die Verfahren der Halbleiterindustrie sind jedoch für den Maschinenbau wegen der potentiellen Skalierung (Länge: linear, Fläche: quadratisch, Volumen: kubisch) der Dimensionen nicht zu übertragen.
Dadurch eröffnet sich die Möglichkeit für weitere Kommerzialisierung neuartiger Spritzgussartikel. Insbesondere wird das Ausrichten der Werkzeuge beziehungsweise gegebenenfalls darin eingesetzter Einsätze bisher unzureichend genau durchgeführt. Normalerweise werden Werkzeuge mit entsprechenden Abformflächen beziehungsweise Einsätze mit entsprechenden Abformflächen verwendet, um die gewünschten Strukturen auf die später im Werkzeug aushärtende Spritzgussmasse zu übertragen.
Das Ausrichten des Werkzeugs beziehungsweise der Einsätze findet dabei in einem geöffneten Zustand statt, in welchem zwei oder mehr Werkzeughälften beziehungsweise Werkzeugteile noch nicht einen Spritzgussraum für die später darin eingeleitete Spritzgussmasse bereitstellen. Nach dem Überführen in den geschlossenen Zustand des jeweiligen Werkzeugs zum Spritzgießen ist es nicht mehr möglich die Werkzeughälften beziehungsweise den/die im Spritzgussraum angeordneten Einsatz/Einsätze auszurichten/ zueinander auszurichten. Somit können Ausrichtungsfehler, insbesondere solche welche für die hohen Anforderungen an die Mikrospritzgussartikel korrigiert werden müssen, nur im geöffneten Zustand des Werkzeugs erfolgen. Bei oder nach dem Schließen des Werkzeugs kann es wiederum zu einem Ausrichtungsfehler des Werkzeuges beziehungsweise des Einsatzes/der Einsätze kommen. Insbesondere Serienfertigungen von Spritzgussartikeln mit demselben Werkzeug beziehungsweise dem/denselben Einsatz/Einsätzen zum Spritzgießen können daher nicht genau genug durchgeführt werden.
Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung eine Vorrichtung und ein Verfahren aufzuzeigen, welche die Nachteile im Stand der Technik zumindest teilweise, insbesondere vollständig, beseitigen. Es ist zudem Aufgabe der vorliegenden Erfindung eine verbesserte Vorrichtung zum Spritzgießen und ein verbessertes Verfahren zum Spritzgießen aufzuzeigen.
Es ist insbesondere Aufgabe der vorliegenden Erfindung eine Vorrichtung und ein Verfahren aufzuzeigen, mit welchen die Fertigungsgenauigkeit der hergestellten Spritzgussartikel erhöht wird.
Die vorliegende Aufgabe wird mit den Merkmalen der nebengeordneten Ansprüche gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben. In den Rahmen der Erfindung fallen auch sämtliche Kombinationen aus zumindest zwei in der Beschreibung, in den Ansprüchen und/oder den Zeichnungen angegebenen Merkmalen. Bei angegebenen Wertebereichen sollen auch innerhalb der genannten Grenzen liegende Werte als Grenzwerte offenbart gelten und in beliebiger Kombination beanspruchbar sein.
Demnach betrifft die Erfindung eine Vorrichtung zum Spritzgießen, insbesondere zum Mikrospritzgießen, mindestens aufweisend: - ein Werkzeug mit einer ersten Werkzeughälfte und einer zweiten Werkzeughälfte, wobei die erste Werkzeughälfte und die zweite Werkzeughälfte in einem geschlossenen Zustand des Werkzeugs einen Spritzgussraum definieren und
- mindestens einen in dem Spritzgussraum angeordneten Einsatz, wobei der mindestens eine Einsatz zumindest teilweise ein Polymer aufweist.
Die Vorrichtung weist mindestens einen Einsatz auf, der zumindest teilweise ein Polymer aufweist. Die Vorrichtung kann auch zwei Einsätze oder mehr aufweisen, die zumindest teilweise ein Polymer aufweisen.
Der mindestens eine Einsatz ist bevorzugt, insbesondere zu einem weiteren Einsatz, im geschlossenen Zustand des Werkzeugs ausrichtbar.
Weiterhin betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Spritzgießen, insbesondere zum Mikrospritzgießen, wobei durch ein Werkzeug mit einer ersten Werkzeughälfte und einer zweiten Werkzeughälfte in einem geschlossenen Zustand des Werkzeuges ein Spritzgussraum definiert wird, wobei mindestens ein in dem Spritzgussraum angeordneter Einsatz zumindest teilweise ein Polymer aufweist.
Im Spritzgussraum können auch zwei oder mehr Einsätze angeordnet sein, die zumindest teilweise ein Polymer aufweisen.
Bevorzugt wird der mindestens eine Einsatz im geschlossenen Zustand des Werkzeuges in dem Spritzgussraum ausgerichtet, insbesondere zu einem weiteren Einsatz. In einer besonders bevorzugten erfindungsgemäßen Ausführungsform verfügt der mindestens eine Einsatz über eine, insbesondere mittels Imprintlithographie hergestellte, elastische Oberfläche aus strukturiertem, abgeformtem Polymer. Mit anderen Worten kann der mindestens eine Einsatz bzw. dessen Oberfläche einen strukturierten Weichstempel darstellen, welcher als Master für die Urformung des Spritzgussartikels verwendet wird.
Diese elastische Oberfläche aus einem strukturierten, abgeformten Polymer wird im weiteren Verlauf des Textes nur mehr als elastische Strukturen bezeichnet. In einer besonders bevorzugten erfindungsgemäßen Ausführungsform besteht der Einsatz aus einem Substrat (engl.: back plane), insbesondere einer Platte, noch bevorzugter einem Wafer, auf der das zu strukturierende Polymer abgeschieden und geprägt wird, um die elastischen Strukturen zu erzeugen. In diesem Fall ist der mindestens eine Einsatz eine Bauteilgruppe bestehend aus mindestens zwei Bauteilen, nämlich einem Substrat und einem darauf geprägten Weichstempel. Das Substrat dient insbesondere als Trägersubstrat für den Weichstempel.
Es ist insbesondere vorgesehen, dass der mindestens eine Einsatz zumindest teilweise aus einem polymerelastischen Material besteht.
In einer besonderen Ausführungsform besteht der mindestens eine Einsatz zumindest teilweise aus einem Elastomer.
In einer besonders bevorzugten Ausführungsform besteht der Einsatz, insbesondere die elastischen Strukturen, aus mindestens einem der folgenden Materialien:
• Silikone
* Vinylfunktionale Polymere • Vinylterminierte Polydimethylsiloxane, insbesondere CAS: 68083-12-2
• Vinylterminierte Diphenylsiloxane- Dimethylsiloxan Copolymere, insbesondere CAS: 68951 96-2
• Vinylterminierte Polyphenylmethylsiloxane, insbesondere CAS: 225927-21 -9
• Vinylphenylmethylterminierte Vinylphenylsiloxane-Phenylmethylsiloxan Copolymer, insbesonder CAS: 8027-82-1
• Vinylterminierte Trifluoropropylmethylsiloxane- Dimethylsiloxan Copolymer, insbesondere CAS: 68951 -98-4
• Vinylmethylsiloxane-Dimethylsiloxane Copolymer, Trimethlysiloxy terminiert, insbesondere CAS: 67762-94-1
• Vinylmethylsiloxan - Dimethylsiloxan Copolymer, Silanol teminiert, insbesondere CAS 67923-19-7
• Vinylmethylsiloxan. Dimethylsiloxan Copolymer, Vinyl terminiert, insbesondere CAS: 68083-18-1
• Vinylgummi
• Vinyl Q Harzdispersionen, insbesondere CAS: 68584-83-8
• Vinylmethylsiloxan Homopolymere, insbesondere CAS: 68037-87-6
• Vinyl T-Struktur Polymere, insbesondere CAS: 126681 -51 -9
• Monovinyl funktionalisiertes Poly dimethylsiloxan symmetrisch oder asymmetrisch, insbesondere CAS: 689252-00-1 • Vinylmethylsiloxan Terpolymere, insbesondere CAS: 597543-32-3
• Vinylmethoxy siloxan Homopolymer, insbesondere CAS: 131298-48-1
• Vinylethoxy siloxan Hompolymer, insbesondere CAS: 29434-25-1
• Vinylethoxysiloxan-Propylethoxy siloxan Copolymer
■ Hydridfunktionale Polymere
• Hydridterminierte Polydimethylsiloxane, insbesondere CAS: 70900-21-9
• Polyphenylmethylsiloxan, Hydrid terminiert
• Methylhydrosiloxan-Dimethylsiloxan Copolymer, Trimethylsiloxy terminiert, inbseondere CAS: 68037-59-2
• Methylhydrosiloxan-Dimethylsiloxan Copolymer, Hydrid terminiert, insbesondere CAS: 69013-23-6
• Polymethylhydrosiloxan, Trimethylsiloxy terminiert, insbesondere CAS: 63148-57-2
• Polyethylhydrosiloxan, Triethylsiloxy terminiert, insbesondere CAS: 24979-95-1
• Polyphenyl-Dimethylhydrosiloxy siloxan, Hydrid teminiert
• Methylhydrosiloxan-Phenylmethylsiloxan Copolymer, Hydrid terminiert, insbesondere CAS: 1 15487-49-5
• Methylhydrosiloxan-Octylmethylsiloxan Copolymer und Terpolymer, insbesondere CAS: 68554-69-8
• Hydrid Q Harz, insbesondere CAS: 68988-57-8
■ Silanolfunktionale Polymere • Silanolterminierte Polydimethylsiloxan, insbesondere CAS: 70131-67-8
• Silanolterminiertes Diphenylsiloxan -
Dimethylsiloxan Copolymer, insbesondere CAS 68951 -93-9 und/oder CAS: 68083-14-7
• Silanolterminiertes Polydiphenylsiloxan, insbesondere CAS: 63148-59-4
• Silanolterminiertes
Polytrifluoropropylmethylsiloxan, insbesondere CAS: 68607-77-2
• Silanol-Trimethylsilyl modifiziertes Q Harz, insbesondere CAS: 56275-01-5
■ Aminofunktionalisierte Silikone
• Aminopropylterminiertes Polydimethylsiloxan, insbesondere CAS: 106214-84-0
• N-Ethylaminoisobutylterminiertes Polydimethylsiloxan, insbeaondere CAS: 254891- 17-3
• Aminopropylmethylsiloxan - Dimethylsiloxan Copolymer, insbesondere CAS: 99363-37-8
• Aminoethylaminopropylmethyl siloxan - Dimethylsiloxan Copolymer insbesonder CAS 71750-79-3
• Aminoethylaminoisobutylmethylsiloxan - Dimethylsiloxan Copolymer, insbesondere CAS: 106842-44-8
• Aminoethylaminopropylmethoxysiloxan- Dimethylsiloxan Copolymer, insbesondere CAS: 67923-07-3
■ Gehinderte Aminfunkationalisierte Siloxane (engl..: hindered amine functional siloxanes) • Tetramethylpiperidinyloxypropylmethylsiloxan- Dimethylsiloxan Copolymer, insbesondere CAS:
182635 99-0
■ Epoxyfunktionalisierte Silikone
• Epoxypropoxy propylterminierte Polydimethylsiloxane, insbesondere CAS: 102782-97-8
• Epoxypropoxy propy lmethylsiloxan- Dimethylsiloxan Copolymer, insbesondere CAS: 68440-71 -7
• Epoxypropoxypropylterminierte Polyphenylmethylsiloxan, insbesondere CAS: 102782-98-9
• Epoxypropoxypropyldimethoxysilylterminierte Polydimethylsiloxane, insbesondere CAS: 188958-73-8
• Tris(Glycidoxypropyldimethylsiloxy)Phenylsilan, insbesondere CAS: 90393-83-2
• Mono-(2,3-Epoxy)-Propyletherterminierte Polydimethylsiloxane, insbesonder CAS: 127947- 26-6
• Epoxycyclohexylethylmethylsiloxan- Dimethylsiloxan Copolymer, insbesonder CAS: 67762-95-2
• (2-3% Epoxycyclohexylethylmethylsiloxan)(10- 15% Methoxypolyalkyleneoxymethylsiloxan)- Dimethylsiloxan Terpolymer, insbesonder CAS: 69669-36-9
■ Cycloaliphatische Epoxysilane und Silikone
• Epoxycyclohexylethylmethylsiloxan)- Dimethylsiloxan Copolymer, insbesondere CAS: 67762-95-2 • (2-3% Epoxycyclohexylethylmethylsiloxan)(10- 15% MEthoxypolyalkyleneoxymethylSiloxan)- Dimethylsilxoan Terpolymer, insbesondere CAS: 69669-36-9
• Epoxycyclohexylethylterminerte Polydimethylsiloxane, insbesondere CAS: 102782-98-9
■ Carbinolfunktionalisierte Silikone
• Carbinolhydroxylterminierte Polydimethylsiloxane, insbesondere CAS: 156327-07-0, CAS: 104780-66-7, CAS: 68937-54- 2, CAS: 161755-53-9, CAS: 120359-07-1
• Bis(Hydroxyethyl)Amin)terminierte Polydimethylsiloxane
• Carbinolfunktionaliserte MEthylsiloxan- Dimethylsiloxan Copolymere, insbesondere CAS: 68937-54-2, CAS: 68957-00-6, CAS: 200443-93-2
• Monocarbinolterminierte Polydimethylsiloxane, insbesondere CAS: 207308-30-3
• Monodicarbinolterminierte Polydimethylsiloxane, insbesondere CAS: 218131-11-4
■ Methacrylate und Acrylat funktionalisierte Siloxane
• Methacryloxypropylterminierte Polydimethylsiloxane, insbesondere CAS: 58130- 03-3
• (3-Acryloxy-2-hydroxypropoxypropyl)terminierte Polydimethylsiloxane, insbesondere CAS: 128754-61 -0
• Acryloxyterminierte Ethyleneoxide- Dimethylsiloxane-Ethyleneoxide ABA Block Copoly,ere, insbesondere CAS: 1 17440-21-9 • Methacryloxypropylterminierte verzweigte Polydimethylsiloxane, insbesondere CAS: 80722-
63-0
• Methacryloxypropylmethylsiloxan-
Dimethylsiloxan Copolymer, insbesondere: CAS: 104780-61-2
• Acryloxypropylmethylsiloxan-Dimethylsiloxan Copolymer, insbesondere CAS: 158061-40-6
• (3-Acryloxy-2-
Hydroxypropoxypropyl)Methylsiloxan- Dimethylsiloxan Copolymer
• Methacryloxypropyl T-strukturierte Siloxane, insbesondere CAS: 67923-18-6
• Acryloxypropyl T-strukturierte Siloxane
■ Polyhedrales oligomerisches Silsesquioxan (POSS)
■ Tetraethylorthosilicat (TEOS)
■ Poly(organo)siloxane Polyhedrales osligomerisches Silsesquioxan (POSS) Polydimethylsiloxan (PDMS)
Tetraethylorthosilicat (TEOS)
Poly(organo)siloxane (Silikon)
Perfluoropolyether (PFPE).
Es ist insbesondere vorgesehen, dass der mindestens eine Einsatz in die erste Werkzeughälfte oder in die zweite Werkzeughälfte in einem geöffneten Zustand des Werkzeugs eingesetzt und insbesondere fixiert wird. Das Werkzeug weist im geschlossenen Zustand im inneren den Spritzgussraum auf, welcher durch die erste und die zweite Werkzeughälfte gebildet wird.
In dem Spritzgussraum ist der mindestens eine Einsatz angeordnet und bevorzugt ausrichtbar. Auf diese Weise kann eine Ausrichtung des mindestens einen Einsatzes vorteilhaft im geschlossenen Zustand des Werkzeuges erfolgen und ein Ausrichtungsfehler korrigiert werden.
Dabei ist insbesondere vorgesehen, dass der mindestens eine Einsatz in eine oder mehrere Richtungen relativ zum Werkzeug beziehungsweise zum
Spritzgussraum bewegbar ist. Bevorzugt wird der Ausrichtungsfehler durch ein Vermessen eines mittels Spritzgießen hergestellten Spritzgussartikels ermittelt.
Die Vorrichtung und das Verfahren sind vorzugsweise für die Serienfertigung von Spritzgussartikeln mit besonders hohen Anforderungen an die Formgenauigkeit ausgelegt. Insbesondere können durch die Vorrichtung und das Verfahren Spritzgussartikel hergestellt werden, welche funktionale Bereiche aufweisen. Diese funktionalen Bereiche werden insbesondere durch den ausrichtbaren mindestens einen Einsatz, insbesondere beim Aushärten einer in das Werkzeug eingeleiteten Spritzgussmasse, auf dem Spritzgussartikel abgeformt.
In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, dass die Vorrichtung mindestens einen weiteren in dem Spritzgussraum angeordneten Einsatz aufweist, wobei der Einsatz und/oder der mindestens eine weitere Einsatz im geschlossenen Zustand des Werkzeugs ausrichtbar ist/sind. Auf diese Weise können Spritzgussartikel mit mehreren Einsätzen geformt beziehungsweise hergestellt werden.
Weiterhin können die Einsätze vorteilhaft zueinander im geschlossenen Zustand des Werkzeugs zueinander ausgerichtet werden. Neben einer flexiblen Gestaltung des Spritzgussartikels ist vorteilhaft, dass das eine genaue Ausrichtung für die Fertigung durch ein Ausrichten beider Einsätze ermöglicht wird. In dieser Ausführungsform ist insbesondere ein Einsatz in der ersten Werkzeughälfte angeordnet und der mindestens eine weitere Einsatz in der zweiten Werkzeughälfte angeordnet.
In einer anderen bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, dass der Einsatz und/oder der mindestens eine weitere Einsatz jeweils eine Abformoberfläche mit elastischen Strukturen aufweist/aufweisen. Durch die Abformoberflächen kann vorteilhaft die Form der Spritzgussartikel vorgegeben werden.
Mittels der elastischen Strukturen können vorteilhaft besonders kleine, insbesondere Mikrostrukturen und/oder Nanostrukturen, auf den Spritzgussartikel in einem Spritzgießverfahren abgeformt werden. Die Elastizität der Strukturen erlaubt eine noch feinere und genauere Abformung der Strukturen auf dem Spritzgussartikel.
Insbesondere können auch Formen, die sich verzahnen oder hinterschneiden, abgeformt werden. Starre Strukturen könnten bei einer Entformung entweder die Mikrostrukturen und/oder die Nanostrukturen zerstören bzw. selbst zerstört werden. Als Beispiel seien geneigte Mikrostrukturen und/oder Nanostrukturen genannt.
Mittels einer solchen strukturierten Abformoberfläche können vorzugsweise mehrere Spritzgussartikel mit sehr hohen Anforderungen in Serie mittels Spritzguss hergestellt werden. Dadurch wird ein Herstellverfahren aufgezeigt, mit welchem kostengünstig, schnell und mit hoher Qualität Spritzgussartikel hergestellt werden können.
Die elastischen Strukturen bestehen vorzugsweise aus einem Polymer, das in der Halbleiterindustrie für Weichstempel verwendet wird. Derartige Polymere werden beispielsweise in den Druckschriften WO2015078520A1 und WO2014202127A1 erwähnt.
In einer anderen bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, dass die Abformoberfläche des mindestens einen Einsatzes und die
Abformoberfläche des mindestens einen weiteren Einsatzes im geschlossenen Zustand des Werkzeuges zueinander ausrichtbar sind. Mit der Ausrichtung der Abformflächen der Einsätze zueinander kann vorteilhaft die Form des Spritzgussartikels äußerst genau vorgegeben werden. Durch die Ausrichtung der Abformoberflächen der im geschlossenen Zustand des Werkzeugs ausrichtbaren Einsätze, ist es vorteilhaft möglich die Position beziehungsweise die Lage der Abformoberflächen zueinander besonders genau vorzugeben.
In einer anderen bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, dass die Strukturen der Abformoberfläche des mindestens einen Einsatzes und die Strukturen der Abformoberfläche des mindestens einen weiteren Einsatzes im geschlossenen Zustand des Werkzeuges zueinander ausrichtbar sind.
Mit der Ausrichtung der auf den Abformflächen angeordneten elastischen Strukturen zueinander können vorteilhaft die Positionen der abgeformten Strukturen, auf der Vorder- und der Rückseite des Spritzgussartikels, zueinander exakt eingestellt werden. Insbesondere für einige Anwendungen ist es eine Anforderung, dass nicht nur die bestimmte Formen und Strukturen auf die Spritzgussmasse beziehungsweise auf den Spritzgussartikel besonderes genau abgeformt werden, sondern auch, dass die jeweiligen Positionen der abgeformten Formen und Strukturen zueinander möglichst exakt auf den Spritzgussartikel abgeformt werden. In einer anderen bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, dass in mindestens einer der Werkzeughälften und/oder in den mindestens einen Einsatz und/oder in den mindestens einen weiteren Einsatz und/oder in die jeweiligen Strukturen mindestens eine Heizung integriert ist/sind, so dass der Spritzgussraum, insbesondere eine in den Spritzgussraum geleitete Spritzgussmasse, gezielt durch die mindestens eine Heizung erhitzbar ist.
Bei der Heizung kann es sich um jede Art von Heizung handeln. Denkbar wären beispielsweise eine Widerstandsheizung, oder eine Induktionsheizung. Durch eine induktive Heizung können die Grenzflächen des Werkzeugs beziehungsweise des Einsatzes bzw. der Einsätze, insbesondere der Abformflächen mit elastischen Strukturen, welche beim Spritzgießen direkt mit der Spritzgussmasse in Kontakt stehen vorteilhaft erwärmt werden. Eine unkontrollierte Erstarrung der Spritzgussmasse, insbesondere an den feinen Strukturen der Abformoberfläche der Einsätze, kann auf diese Weise verhindert werden und die flüssige Spritzgussmasse bei einem Spritzgussvorgang vorteilhaft gleichmäßig durchwärmt gehalten werden. Weiterhin wird die Abformqualität erhöht beziehungsweise ein Formfehler an dem herzustellenden Spritzgussartikel verhindert. Insbesondere wird eine Abformung der Mikrostrukturen und/oder der Nanostrukturen durch die erwärmte Abformoberfläche beziehungsweise die erwärmten Strukturen verbessert und vereinfacht.
In einer besonders bevorzugten erfindungsgemäßen Ausführungsform wird die Heizung in den mindestens einen Einsatz eingebaut. Handelt es sich bei dem mindestens einen Einsatz um einen Halbleiter, wird die Heizung direkt als aktives Bauelement ausgeführt, d.h. metallische Leiterbahnen oder Halbleiterelemente die geeignet sind Strom effizient in Joulsche Wärme umzuwandeln, werden direkt im mindestens einen Einsatz hergestellt.
Dadurch wird eine sehr effiziente Heizung ermöglicht. Die Heizung wird vorzugsweise wie in der Druckschrift WO2019210976 ausgeführt. In einer anderen bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, dass der mindestens eine Einsatz und/oder der mindestens eine weitere
Einsatz, insbesondere auf der jeweiligen Abformoberfläche und/oder auf einer jeweiligen Rückseite, eine Vielzahl von Ausrichtungsmarken aufweist/aufweisen. Bei den Ausrichtungsmarken handelt es sich um eine Markierung, welcher eine bestimmte Position auf dem Einsatz zugeordnet werden kann.
Insbesondere handelt es sich um regelmäßig angeordnete Ausrichtungsmarken, insbesondere ein Ausrichtungsmarkenfeld, in welchem jede Ausrichtungsmarke eine bestimmte Position im Ausrichtungsmarkenfeld zugeordnet werden kann. Bei den Ausrichtungsmarken auf der Abformoberfläche kann es sich insbesondere um die auf der Abformoberfläche des mindestens einen Einsatzes angeordneten Strukturen handeln.
Vorzugsweise weist der mindestens eine Einsatz auf der Abformoberfläche und auf der Rückseite Ausrichtungsmarken auf. Besonders bevorzugt sind die Positionen der Ausrichtungsmarken auf der Abformoberfläche zu den Positionen der Ausrichtungsmarken auf der Rückseite des mindestens einen Einsatzes zueinander bekannt.
Die Ausrichtungsmarken können vorzugsweise durch ein optisches Ausrichtungsmittel erfasst, verarbeitet und in Relation zueinander gesetzt werden. Das Ausrichtungsmittel kann beispielsweise innerhalb des Werkzeugs, insbesondere auf der Rückseite des mindestens einen Einsatzes angeordnet sein. Durch die Ausrichtungsmarken wird eine besonders genaue und einfache Ausrichtung des mindestens einen Einsatzes ermöglicht. In einer anderen bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, dass die erste Werkzeughälfte und/oder die zweite Werkzeughälfte Sichtfenster aufweist/aufweisen, so dass der mindestens eine Einsatz und/oder der mindestens eine weitere Einsatz anhand der Vielzahl von Ausrichtungsmarken im geschlossenen Zustand des Werkzeuges ausrichtbar ist und/oder zueinander ausrichtbar ist/sind. Das Sichtfenster, denkbar sind auch mehrere Sichtfenster, sind im Werkzeug so angeordnet, dass die Ausrichtungsmarken des mindestens einen Einsatzes und/oder des mindestens einen weiteren Einsatzes von außerhalb des Werkzeugs einsehbar, insbesondere für ein optisches Ausrichtungsmittel einsehbar beziehungsweise erfassbar sind.
Auf diese Weise kann der Einsatz/die Einsätze ausgerichtet/zueinander ausgerichtet werden. Vorzugsweise ist das Sichtfenster so im Werkzeug angeordnet, dass im geschlossenen Zustand des Werkzeugs zumindest die Ausrichtungsmarken auf der Rückseite des mindestens einen Einsatzes einsehbar sind. Somit kann vorteilhaft eine überwachte relative Ausrichtung des jeweiligen Einsatzes durchgeführt werden.
In einer anderen bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, dass die erste Werkzeughälfte und/oder die zweite Werkzeughälfte jeweils mindestens einen Positioniermechanismus aufweist/aufweisen, so dass der mindestens eine Einsatz und/oder der mindestens eine weitere Einsatz anhand der Vielzahl von Ausrichtungsmarken im geschlossenen Zustand des Werkzeugs ausrichtbar ist/sind. Der Positioniermechanismus kann, insbesondere automatisiert oder rechnergesteuert, vorteilhaft die Ausrichtung des mindestens einen Einsatzes und/oder des mindestens einen weiteren Einsatzes bei geschlossenem Werkzeug durchführen. Dabei wird die Ausrichtung vorteilhaft anhand der Ausrichtungsmarken durchgeführt. Insbesondere ist der Positioniermechanismus so ausgelegt, dass der mindestens eine Einsatz bzw. die Einsätze besonders genau ausrichtbar ist/sind. Vorzugsweise handelt es sich bei dem Positioniermechanismus um einen Aligner. Der auszurichtende Einsatz wird in dem Werkzeug fixiert, ist jedoch durch den Positioniermechanismus ausrichtbar. Auf diese Weise ist der mindestens eine Einsatz vorteilhaft auch bei geschlossenem Werkzeug anhand der Ausrichtungsmarken ausrichtbar.
In einer anderen bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, dass anhand der Vielzahl von Ausrichtungsmarken auf der Rückseite des mindestens einen Einsatzes und/oder auf der Rückseite des mindestens einen weiteren Einsatzes, die Strukturen der Abformoberfläche des mindestens einen Einsatzes und die Strukturen der Abformoberfläche des mindestens einen weiteren Einsatzes im geschlossenen Zustand des Werkzeuges zueinander ausrichtbar sind. In dieser Ausführungsform ist die Position der Ausrichtungsmarken auf der Rückseite des mindestens einen Einsatzes in Bezug auf die Strukturen auf der Abformoberfläche des mindestens einen weiteren Einsatzes bekannt. Auf diese Weise kann vorteilhaft bei geschlossenem Werkzeug der Einsatz und/oder die Einsätze zueinander, insbesondere die für die Abformung auf den Spritzgussartikel wichtigen Strukturen, nur anhand der Ausrichtungsmarken auf der jeweiligen Rückseite ausgerichtet werden beziehungsweise zueinander ausgerichtet werden. Auf diese Weise ist vorteilhaft eine Ausrichtung der Strukturen auf der Abformoberfläche der Einsätze nur durch die Ausrichtungsmarken auf der Rückseite möglich. Beispielsweise kann eine Ausrichtung anhand der Ausrichtungsmarken auf der Rückseite eines Einsatzes auch noch während des Spritzgießens durchgeführt werden.
In einer anderen bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens ist vorgesehen, dass der mindestens eine Einsatz und mindestens ein weiterer in dem Spritzgussraum angeordneter Einsatz, insbesondere eine Abformoberfläche des mindestens eine Einsatzes und/oder eine Abformoberfläche des mindestens einen weiteren Einsatzes, im geschlossenen Zustand des Werkzeuges in dem Spritzgussraum zueinander ausgerichtet werden. Auf diese Weise ist es mit dem Verfahren möglich, die Abformoberfläche, insbesondere die auf der Abformoberfläche angeordneten Strukturen, der Einsätze auszurichten beziehungsweise zueinander auszurichten. Folglich wird vorteilhaft die Formgenauigkeit des hergestellten Spritzgussartikels bei dem Spritzgießen erhöht.
In einer anderen bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens ist vorgesehen, dass der mindestens eine Einsatz und/oder der mindestens eine weitere Einsatz anhand von einer auf dem Einsatz und/oder dem mindestens einen weiteren Einsatz angebrachten Vielzahl von Ausrichtungsmarken ausgerichtet wird/werden. Auf diese Weise können vorteilhaft der mindestens eine Einsatz und/oder der mindestens eine weitere Einsatz anhand der Ausrichtungsmarken ausgerichtet werden.
In einer anderen bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens ist vorgesehen, dass ein Ausrichten des mindestens einen Einsatzes und/oder des mindestens einen weiteren Einsatzes auf Grundlage einer Vermessung eines Spritzgussartikels, hergestellt nach dem Verfahren zum Spritzgießen, durchgeführt wird. Nach der Elerstellung eines Spritzgussartikels kann dieser vermessen und analysiert werden. Dabei werden die Ist-Werte der Formen beziehungsweise der Geometrien des Spritzgussartikels mit Soll-Werten verglichen. Aus diesem Vergleich ist ein Formfehler feststellbar und eine Korrektur ableitbar. Durch erneutes Ausrichten des Einsatzes beziehungsweise der Einsätze kann dieser Fehler bei mehrfacher Durchführung des Ausrichtens iterativ verbessert werden, insbesondere bis die der Formfehler in einem vorgegebenen Toleranzbereich liegt. Vorzugsweise werden die Bereiche des Spritzgussartikels vermessen, in welchen sich die auf den Abformflächen angeordneten Strukturen abformen, da diese insbesondere für die Funktionalität des hergestellten
Spritzgussartikels wichtig sind. Auf diese Weise kann eine Verbesserung der Ausrichtung anhand eines hergestellten Spritzgussartikels erreicht werden.
In einer anderen bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens ist vorgesehen, dass ein Ausrichten durch ein Nachbearbeiten des mindestens einen Einsatzes und/oder des mindestens einen weiteren Einsatzes durchgeführt wird. Aufgrund des ermittelten Formfehlers wird eine Korrektur durch Ausrichten des Einsatzes bzw. der Einsätze durchgeführt. Ein Ausrichten kann auch durch eine Nachbearbeitung, insbesondere Abtragen oder Aufträgen von entsprechendem Material, erreicht werden. Beispielsweise kann bei gegenüber liegenden Einsätzen ein Formfehler des Spritzgussartikels aufgrund von nicht exakter Parallelität der Einsätze zueinander vorliegen. Insbesondere kann dieses durch Abtragen von Material des Einsatzes, insbesondere auf der Rückseite, erfolgen. Dazu kann beispielsweise Laserstrahlung eingesetzt werden. Vorteilhaft können auf diese Weise Formfehler des Spritzgussartikels ausgeglichen werden, welche beispielsweise durch eine Ausrichtung mittels eines Positioniermechanismus nicht ausgleichbar sind.
In einer anderen bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens ist vorgesehen, dass das Verfahren zumindest die folgenden Schritte aufweist, insbesondere in der folgenden Reihenfolge: i) Bestücken des Werkzeuges mit dem Einsatz und/oder mit dem mindestens einen weiteren Einsatz, ii) Schließen des Werkzeugs, iii) Herstellen eines Spritzgussartikels, insbesondere durch Einbringen einer Spritzgussmasse und Aushärten der Spritzgussmasse, iv) Entnehmen und Vermessen des Spritzgussartikels, v) Bestimmen eines Ausrichtungsfehlers durch Abgleich mit Soll- Werten, vi) Ausrichten des Einsatzes und/oder des mindestens zweiten Einsatzes.
Auf diese Weise kann das Verfahren zum Spritzgießen vorteilhaft iterativ an den Prozess durch Ausrichten der Einsätze angepasst werden.
Ein Aspekt der vorliegenden Erfindung basiert auf einer Modifizierung des Spritzgussverfahrens beziehungsweise der Spritzgussvorrichtung, sodass mit zumindest teilweise flexiblen Einsätzen, insbesondere mittels Weichstempeltechnologie oberflächenstrukturierten Einsätzen, Oberflächen mit Mikrometer- oder Nanometerstrukturen erzeugt werden können. Für die Erhöhung der Spritzgussgenauigkeit werden Ansätze der Halbleiterindustrie angewendet, um Formteile beziehungsweise die Abformflächen auszurichten beziehungsweise zueinander auszurichten. Durch eine Vermessung des hergestellten Spritzgussartikels beziehungsweise des Endproduktes und Rückkopplung kann die Genauigkeit des Herstellungsverfahrens erhöht beziehungsweise angepasst werden. In diesem Zusammenhang meint Rückkopplung, dass der mehrfach in Serie hergestellte Spritzgussartikel vermessen wird und eventuell dadurch feststellbare Fehler am Spritzgussartikel mittels Ausrichtung der Einsätze und/oder durch Nachbearbeitung der Einsätze ausgeglichen werden, sodass die Qualität des jeweils hergestellten Spritzgussartikels iterativ verbessert werden kann.
Durch die erfindungsgemäße Vorrichtung und das erfindungsgemäße Verfahren wird eine Funktionalisierung der Oberfläche(n) des geprägten Werkstücks ermöglicht, sodass die Herstellungskosten durch die Optimierung des jeweiligen Herstellungsverfahrens die Kosten gesenkt werden können und gleichzeitig die Genauigkeit des Werkstücks erhöht wird. Mit anderen Worten kann ein herkömmliches Herstellungsverfahren für die Formgebung verwendet werden. Insbesondere wird die Oberflächenfunktionalisierung mit dem neuartigen, hochgenauen mindestens einen Einsatz in dem Werkzeug erreicht. Die Herstellung eines Spritzgussartikels mit funktionalen Oberflächen beziehungsweise mikro- und/oder nanostrukturierten Oberflächen war bisher mit herkömmlichen Spritzgussvorrichtungen beziehungsweise Spritzgussverfahren nicht möglich.
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Spritzgießen, insbesondere Mikrospritzgießen. Es geht also um die Fertigung von Spritzgussartikeln mit sehr kleinen Strukturen, welche durch die Abformflächen auf die Spritzgussmasse beziehungsweise den entsprechenden Spritzgussartikel abgeformt werden.
Eine bekannte Spritzgießvorrichtung wird so ausgelegt, dass die Genauigkeit und/oder Form- und Lagetoleranzen und/oder Oberflächengüte und/oder Oberflächenfunktionaüsierung des hergestellten Spritzgussartikels mittels insbesondere zumindest teilweise elastischen, bevorzugt mikrostrukturierten Einsätzen, verbessert werden.
Beim Spritzgießen wird allgemein ein Spritzgussartikel in einem Werkzeug in einer Urformung beziehungsweise Spritzgussraum (auch Spritzgusskammer genannt) hergestellt, wobei das Werkzeug mit einer Spritzgussmasse gefüllt wird. Die Spritzgussmasse weist dabei bestimmte Zustandsvariablen in Bezug auf das spezifische Volumen, Temperatur und Einfülldruck auf. Das Werkzeug wird unter hohem Druck mit einer über der Schmelztemperatur der Spritzgussmasse erhitzten, kompressiblen und komprimierten Spritzgussmasse gefüllt und nachgedrückt. Die Temperatur der Spritzgussmasse liegt insbesondere 10°C, vorzugsweise 25°C, noch bevorzugter 50°C, am bevorzugtesten 75°C über der Schmelztemperatur der Spritzgussmasse. Die Schmelze erstarrt unter dem Nachdruck im Werkzeug. Nach der Phasenumwandlung in den festen Zustand (mit physikalisch bedingter, nicht vermeidbarer Schrumpfung) und insbesondere nach Erreichen des Atmosphärendrucks im Werkzeug, wird das Werkzeug zumindest in einer Formteilungsebene geöffnet und der Spritzgussartikel entnommen oder automatisiert herausgeworfen.
Für die erreichbare Maßhaltigkeit des Spritzgussartikels sind die Zustandsvariablen Material, Temperatur, Druck sowie Formgebung und/oder Funktionalisierung des Werkzeugs verantwortlich.
Die erste offenbarte Spritzgießvorrichtung beinhaltet zumindest ein modifiziertes Werkzeug mit zumindest einem Einsatz für die Anpassung und/oder Funktionalisierung des Werkzeugs und somit des hergestellten Spritzgussartikels.
Der Einsatz weist bevorzugt eine insbesondere mikro- oder nanostrukturierte Oberfläche auf, welche bei der Herstellung des Spritzgussartikels abgeformt wird.
Besonders bevorzugt weist der mindestens eine Einsatz eine Beschichtung, bevorzugt eine strukturierte Beschichtung, besonders bevorzugt eine mikrostrukturierte oder nanostrukturierte Beschichtung auf, welche bei der Herstellung des Spritzgussartikels abgeformt wird.
Bevorzugt ist, dass der mindestens eine Einsatz eine elastische Strukturierung, insbesondere mit Mikrostrukturen und/oder Nanostrukturen aufweist. Somit kann ein insbesondere zumindest teilweise starrer Einsatz mit nachgiebigen Strukturen auf seiner Oberfläche eine bessere Abformung von Spritzgussartikeln mit hoher Genauigkeit, hohen Anforderungen an Oberflächenstrukturierung und/oder engen Form- und Lagetoleranzen hergestellt werden.
Bevorzugt wird eine Funktionstrennung, insbesondere zwischen grober
Formgebung und Funktional isierung zumindest einer Artikeloberfläche, bewirkt, indem die Form und Auslegung des Werkzeugs und/oder des mindestens einen Einsatzes zumindest die grobe Formgebung festlegt und die insbesondere elastische Strukturierung der Einsatzoberfläche, welche im Spritzgussartikel abgeformt wird, die Oberfläche des Spritzgussartikels beziehungsweise die Funktionalisierung der Oberfläche des Spritzgussartikels bestimmt.
Es ist denkbar, dass in mindestens einem, insbesondere mikro- oder nanostrukturierten, Einsatz eine zusätzliche, lokale Heizung eingebaut ist, um die Formtreue der Abformung zu erhöhen und einen höheren sogenannten Formfaktor (Aspect ratio) zu erhalten, also höhere und schmalere Strukturen hersteilen zu können.
Es ist ebenfalls denkbar, dass die Heizung in die Oberflächenstrukturierung des mindestens einen Einsatzes eingekoppelt wird, um die Spritzgussmasse zielgerichtet und direkt in dem mit der Spritzgussmasse in Kontakt stehenden Bereichen zu beheizen. Der Formfaktor der strukturierten Abformflächen kann somit weiter verbessert werden.
In dem Werkzeug einer erfindungsgemäßen Spritzgießvorrichtung wird insbesondere eine eigenständige Erfindung gesehen. Die für die Funktion des Spritzgussartikels nicht primär relevanten Teile des Werkzeugs können mit herkömmlichen Herstellungsverfahren gemäß ISO 2768-1 sowie ISO 2768-2 insbesondere „fein“ beziehungsweise „hoch“ klassifiziert ausgelegt werden. Das Werkzeug beinhaltet zumindest einen Einsatz. Der mindestens eine Einsatz kann mittels eines Prägeverfahrens zumindest auf der abzuformenden Oberfläche des Einsatzes beschichtet und somit funktionalisiert werden.
Der mindestens eine Einsatz mit höheren Anforderungen an Oberflächenbeschaffenheit, Funktionalisierung wie insbesondere mikrostrukturierte periodische Oberflächenstrukturen wird bevorzugt mit sogenannten Mikroreplikation, insbesondere mikro- oder nanolithographischen Prägeverfahren, hergestellt und im Werkzeug als zumindest teilelastischer Einsatz ins Werkzeug integriert. Durch diese Oberflächenbeschichtung mittels der Prägeverfahren können die zumindest teilelastischen Strukturen auf dem mindestens einen Einsatz vorteilhaft individuell und genau auf die Spritzgussartikel abgeformt werden.
Die Oberflächenstrukturen des mindestens einen Einsatzes werden beispielsweise mittels lithographischen Imprinttechnologie auf dem jeweiligen Einsatz hergestellt, insbesondere wie die Technologie, die in der Schrift EP2870510B1 im Detail beschrieben ist.
Der mindestens eine Einsatz, welcher beispielsweise anorganische Träger, vorzugsweise Halbleitermaterialien, und/oder besonders bevorzugt Siliziumnitrid (S13N4) und/oder Siliziumcarbid (SiC) und/oder Diamant und/oder technisches Glas beinhalten kann, wird im Werkzeug bevorzugt ausrichtbar befestigt. Der mindestens eine Einsatz ist folglich örtlich fixiert, kann jedoch gezielt bewegt werden und somit an einer anderen Position fixiert gelagert werden. Es ist auch denkbar, dass mit einer bekannten Imprintlithographietechnologie eine insbesondere elastische Struktur zunächst auf einem Träger erzeugt wird, welche anschließend auf die Oberfläche des mindestens einen Einsatzes übertragen wird. Zur Strukturübertragung können insbesondere Plasmaaktivierung und/oder Kleber verwendet werden. Vorzugsweise werden die elastischen Strukturen allerdings direkt auf der Oberfläche des mindestens einen Einsatzes hergestellt. Für die Ausrichtung und/oder Vorfixierung der Strukturierung auf der Oberfläche des mindestens einen Einsatzes kann ein Aligner verwendet werden. Dabei kann beispielsweise ein Bearbeitungslaser zur Befestigung des Trägers auf dem mindestens einen Einsatz verwendet werden beziehungsweise im Werkzeug integriert sein.
In einer besonders bevorzugten vorteilhaften Ausführungsform des Werkzeugs ist es möglich den mindestens einen Einsatz mit einem, aus der Halbleitertechnik bekannten Aligner, im Werkzeug auszurichten und zu befestigen. Die Ausrichtungsgenauigkeit des mindestens einen Einsatzes im Werkzeug ist in dem Fall besser 5 Mikrometer, bevorzugt besser 1 Mikrometer, besonders bevorzugt besser 500 Nanometer, ganz besonders bevorzugt besser 250 nm, insbesondere in der lateralen Ebene des Werkzeugs. Dieselbe Ausrichtungsgenauigkeit kann durch den Aligner oder weitere Aligner in andere Bewegungsrichtungen des Werkzeugs bereitgestellt werden.
Bevorzugt wird die Ausrichtungsgenauigkeit des mindestens einen Einsatzes im Werkzeug am hergestellten Spritzgussartikel gemessen. In einem Serienherstellungsprozess können also der erste beziehungsweise die ersten hergestellten Spritzgussartikel vermessen werden und somit, durch einen Vergleich der vermessenen Ist-Werte mit vorgegebenen Soll-Werten, die Ausrichtungsgenauigkeit bestimmt werden. Bevorzugt ist ein Aligner als Ausrichtungsmodul in der Spritzgießvorrichtung integriert. Demnach können mit einer modularen Bauweise die Vorrichtungen mit Modulen wie Messmodule zur Vermessung des Spritzgussartikels, Materialaufbereitungsmodul flexibel und nach Anwendungsbedürfnissen der Spritzgieß Vorrichtung zugefügt werden.
Es ist insbesondere denkbar, einen sogenannten Maskaligner der Halbleiterindustrie zu modifizieren, sodass bestehende optische Systeme, welche monochromatische UV-Strahlung erzeugen, eingesetzt werden können. So ist es auch denkbar, dass die Spritzgießvorrichtung einen Aligner und Imprinter für die Herstellung einer insbesondere elastischen mikro- oder nanostrukturierten Oberfläche auf einem Einsatz beinhaltet.
Es ist weiterhin bevorzugt denkbar, den mindestens einen Einsatz im Werkzeug in einem kombinierten Aligner auszurichten und insbesondere mit hochenergetischer Strahlung, insbesondere mit Laser oder Heizung im Werkzeug vor zu befestigen, sodass der Einsatz mit elastischer Oberflächenbeschichtung positionstreu im Werkzeug befestigt wird und das Werkzeug bewegt werden kann.
Die Befestigung stellt eine Verbindung des mindestens einen Einsatzes mit dem Werkzeug her, welche auf die Betriebsbedingungen (Überdruck bis über 2000 bar, bevorzugt über 2400 bar, Temperaturen der Prägemasse sowie des Werkzeugs bis über 150 Grad Celsius, bevorzugt bis über 200 Grad Celsius) angepasst beziehungsweise ausgelegt ist. Durch die Befestigung wird der mindestens eine Einsatz im Werkzeug läge- und positionstreu, insbesondere zwangsfrei, fixiert.
Die zwangsfreie Befestigung des mindestens einen Einsatzes im Werkzeug bedeutet, dass genau sechs Bewegungsfreiheitsgrade dem mindestens einen Einsatz genommen werden. Damit werden vorteilhaft Verformungen wegen parasitären Kräften am Einsatz vermieden.
Die Ausrichtungsgenauigkeit der Einsätze zueinander, wiederum gemessen am
Spritzgussartikel, bezeichnet der Fachmann als den resultierenden Ausrichtungsfehler. Der Ausrichtungsfehler besteht also relativ zwischen einem Einsatz und einem zweiten Bauteil, insbesondere einem weiteren Einsatz.
Der Ausrichtungsfehler, insbesondere relativ gemessen für zwei mit ihren jeweiligen Abformflächen zugewandten Einsätzen, am Spritzgussartikel ist bevorzugt kleiner 10 Mikrometer, bevorzugt kleiner 5 Mikrometer, besonders bevorzugt kleiner 1 Mikrometer, ganz besonders bevorzugt kleiner 500 Nanometer, am aller bevorzugtesten kleiner 200 Nanometer.
Für spezielle, insbesondere optische, Anwendungen sind geringere Ausrichtungsfehler notwendig. Also ist der Ausrichtungsfehler am Spritzgussartikel kleiner 150 Nanometer, bevorzugt kleiner 100 Nanometer, besonders bevorzugt kleiner 50 Nanometer.
In Fällen, in welchen in den Spritzgussartikel periodische, bevorzugt identische beziehungsweise sich periodisch widerholende, Strukturen abgeformt werden, ist es für die Funktionalität wichtig, dass die Perioden zueinander ausgerichtet werden.
Ob die Perioden zueinander als „Berg zu Berg“ oder „Tal zu Tal“ oder „Tal zu Berg“ ausgerichtet werden, ist für die Betrachtung des Periodenfehlers am Spritzgussartikel nicht von Relevanz. So ist der Periodenfehler als Abweichung vom idealen, vorgegebenen- Ausrichtungszustand zu betrachten. · μ Es zählt lediglich die Abweichung, also der Fehler des Spritzgussartikels. Somit ist es vorteilhaft möglich, den Ausrichtungszustand der Perioden zueinander als Qualitätsmerkmal anzugeben. Ein Ausrichtungsfehler, welcher genau eine Periode ist, verursacht lediglich einen Fehler am Rand der Prägestrukturen des Spritzgussartikels, mit anderen Worten einen Versatzfehler um die Länge einer Periode.
Der Ausrichtungsfehler, insbesondere Periodenfehler, soll hier weniger betragen als 0,25 Periode, bevorzugt weniger als 0,1 Periode, besonders bevorzugt weniger als 0,05 Periode, gemessen am Spritzgussartikel.
Der Ausrichtungsfehler muss auch in Bezug zur Rotation minimal sein. Über eine Distanz von 50mm sollten die Strukturen nicht weiter als 1.0 μ m abweichen. Das entspricht einem maximalen Winkel von 2* 10-5 °. Der Ausrichtungsfehler bezüglich des Winkels ist daher kleiner als 2* 10-5 °, vorzugsweise kleiner als 10-5 °, noch bevorzugter kleiner als 5* 10-6 °, am bevorzugtesten kleiner als 2* 10-6 °, am allerbevorzugtesten kleiner als 2* 10-7
Mit anderen Worten wird ein Rotationsfehler bei einer Referenzlänge von 50 mm kleiner 1 μ m, bevorzugt kleiner 500nm, besonders bevorzugt kleiner 250nm, ganz besonders bevorzugt kleiner lOOnm, am allerbevorzugtesten kleiner lOnm gemessen am Umfang und/oder Rand des Artikels betragen.
In einer bevorzugten Ausführungsform der Spritzgießvorrichtung kann die Spritzgießmasse eine lichtempfindlich härtende, insbesondere UV-härtende Komponente beinhalten. Bei der Verwendung einer solchen Spritzgießmasse findet keine thermisch bedingte Aushärtung beziehungsweise Phasenumwandlung von einer Flüssigkeit in den Feststoff der Spritzgussmasse statt, sondern eine auf UV-Strahlung basierte Phasenumwandlung.
Das Werkzeug in dieser Ausführungsform der Spritzgieß Vorrichtung beinhaltet integrierte Strahlungsquellen und/oder für die Aushärtungsstrahlung transparente Bestrahlungsfenster, durch welche die Aushärtungsstrahlung die Spritzgussmasse bestrahlt, um eine Aushärtung zu initiieren. In einer bevorzugten Ausführungsform ist das Werkzeug transparent.
Es können technische Polymere und/oder sogenannte commodity plastics, mit anderen Worten Polymere aus Massenproduktion, als Spritzgussmasse verwendet werden. Die Materialauswahl richtet sich dabei an den Verwendungszweck des Spritzgussartikels.
Es können Polymere und/oder deren Mischungen und/oder Blends mit oder ohne Füllstoffen verwendet werden, welche insbesondere folgende Werkstoffe beinhalten können:
-POSS
-Polyethylene (LDPE, HDPE) und/oder -Polypropylene (PP, auch chlorierte, PVC), und/oder -Polystyrole, und/oder -Methacrylate (PMMA), und/oder -Terephtalate (PET), und/oder -fluorierte Polymere (PTFE), und/oder
-TPO, CAB, ABS, PA-66, POM, PC, PPS, PES, LCP, PEEK, PF, UF, UP, EP, PIB und/oder PIM. Die Schrumpfung des verwendeten Spritzgussmasse beträgt bevorzugt weniger als 5%, besonders bevorzugt weniger als 3%, noch bevorzugter weniger als 1 ,7%, am aller bevorzugtesten weniger als 0,7%.
Eine zweite Ausführungsform einer Spritzgieß Vorrichtung beinhaltet zumindest ein modifiziertes Werkzeug mit zwei, zueinander auszurichtenden Einsätzen, welche mit insbesondere elastischen, bevorzugt mikrostrukturierten und/oder nanostrukturierten Oberflächen die Funktionalisierung des Spritzgussartikels durchführen.
In dieser Ausführungsform der Spritzgussvorrichtung können zumindest zwei Einsätze mit insbesondere elastischen mikrostrukturierten und/oder nanostrukturierten Einsatzoberflächen im Werkzeug zueinander ausgerichtet und befestigt werden.
Die Ausrichtungsgenauigkeit der Einsätze zueinander im Werkzeug beträgt so viel, wie die Ausrichtungsgenauigkeit eines Einsatzes im Werkzeug.
Es ist möglich, die Einsätze im Werkzeug so anzuordnen, dass sie auf unterschiedliche Werkzeughälften der Teilungsebene des Werkzeugs fallen. Auf diese Weise kann die Vorrichtung und das Verfahren zum Spritzgießen besonders flexibel bezüglich der Position der Einsätze im Werkzeug gestaltet werden.
Um den Ausrichtungsvorgang der Einsätze zueinander mit hoher Genauigkeit durchzuführen ist es möglich, dass das Werkzeug zumindest teilweise transparent ausgeführt ist. Mit anderen Worten kann das Werkzeug herausnehmbare Stützteile, welche zur Kraftübertragung und gleichmäßigen Kraftverteilung des Anpressdrucks dienen, besitzen, sowie Sichtfenster oder Ausrichtungsfenster, mit deren Hilfe eine Ausrichtung der Einsätze beziehungsweise der strukturierten Oberflächen der Einsätze in einem vollständig geschlossenen Zustand des Werkzeugs erfolgen kann. Um die Kräfte sowie Temperaturschwankungen des Spritzguss Vorgangs mit den insbesondere elastischen, mikrostrukturierten Einsätzen sowie Sichtfenstern und/oder Ausrichtungsfenster aufnehmen zu können, kann das Werkzeug entsprechende Stützstrukturen beinhalten. Die Sichtfenster können insbesondere auch zum Aushärten der Spritzgussmasse mit UV-Strahlung ausgebildet sein.
Um eine präzise Ausrichtung des Einsatzes/der Einsätze in den zumindest zwei Werkzeughälften des Werkzeugs durchzuführen ist es nötig, dass die Einsätze im geschlossenen Werkzeug zueinander ausgerichtet werden. Auf diese Weise ist es möglich Ausrichtungsfehler des Einsatzes beziehungsweise der Einsätze zueinander, welche während dem Schließen oder in dem geschlossenen Zustand des Werkzeugs entstehen oder bereits bei der Befestigung im Werkzeug vorhanden sind, auszugleichen beziehungsweise zu korrigieren.
Die Ausrichtung kann beispielsweise durch sogenannte Ausrichtungsmarken beziehungsweise Markierungen erfolgen. Diese sind auf dem Einsatz oder auf den Einsätzen angebracht. Vorzugsweise ist auf jedem Einsatz, welcher im geschlossenen Zustand des Werkzeugs ausrichtbar ist, mindestens eine Markierung.
Die Ausrichtung erfolgt vorzugsweise durch eine optische Ausrichtung zumindest einer Markierung, welche auf der Rückseite eines Einsatzes angeordnet ist, zu einer Ausrichtungsmarke, welche auf der Rückseite eines weiteren Einsatzes angeordnet ist. Somit kann eine Ausrichtung vorteilhaft über die den jeweiligen Abformflächen abgewandten Rückseiten der Einsätze erfolgen.
Die Markierungen beziehungsweise Ausrichtungsmarken können in der Halbleiterindustrie übliche Kreuze, propellerartige Ausrichtungsmarken.
Kreise, polygone Muster, Linienmuster zur optischen Interferenz, QR-Codes, beinhalten.
Vorzugsweise sind die Ausrichtungsmarken in einem Markenfeld angeordnet, wobei die einzelnen Ausrichtungsmarken einen Informationsgehalt aufweisen, sodass die Position im Markenfeld, und damit die Position des entsprechenden Einsatzes relativ zu einem optischen Ausrichtungsmittel, bekannt ist. Eine Ausrichtung kann dann vorteilhaft relativ, aufgrund der bekannten Position der einzelnen Marke im Markenfeld, erfolgen.
Es ist besonders vorteilhaft, wenn ein Einsatz auf zwei, einander gegenüberliegenden Oberflächen Ausrichtungsmarken beziehungsweise Markierungen beinhaltet. Vorzugsweise befinden sich diese auf der jeweiligen Rückseite des Einsatzes und auf der jeweiligen Seite der Abformflächen des Einsatzes. Auf diese Weise kann vorteilhaft von beiden Seiten des Einsatzes eine Ausrichtung erfolgen.
Ganz besonders bevorzugt ist, dass die Spritzgussvorrichtung einen Aligner und Fixierung für zwei Einsätze aufweist, wobei der Aligner eine Korrelation einer Oberflächenstrukturierung, welche dann insbesondere als Ausrichtungsmarken fungieren, auf der Abformfläche, zu Ausrichtungsmarken auf der Rückseite des Einsatzes vornimmt, wobei die Korrelation insbesondere auf Bildauswertung basiert. Mittels der korrelierten Daten kann eine Rückseite zu Rückseite-Ausrichtung von zumindest zwei Einsätzen durchgeführt werden. Die optischen Ausrichtungsmittel für die Erfassung der jeweiligen Ausrichtungsmarken auf der Rückseite können dabei innerhalb des Werkzeugs angeordnet sein. Die Ausrichtung der Einsätze zueinander kann somit vorteilhaft beim geschlossenen Zustand des Werkzeugs stattfinden.
Auch ist denkbar, dass die Ausrichtung durch außerhalb des Werkzeugs angeordnete Ausrichtungsmittel erfolgt, welche durch beispielsweise Kanäle oder Ausrichtungsfenster die Ausrichtungsmarken beziehungsweise Markierungen der Einsätze erfassen können.
Eine Oberflächenstrukturierung des Einsatzes kann auf der Einsatzoberfläche beziehungsweise der Abformoberfläche insbesondere ausgerichtet erfolgen, sodass die Position und Lage der insbesondere weichen Oberflächenstrukturen vermessen werden kann. In diesem Fall können vorteilhaft die Oberflächenstrukturen als Ausrichtungsmarken beziehungsweise Markierungen dienen. Insbesondere ist denkbar, dass die Einsätze auf der Rückseite weitere Markierungen beziehungsweise Ausrichtungsmarken aufweisen, welche relativ zu den Oberflächenstrukturen vermessen werden können. Auf diese Weise ist bei dem Vermessen einer Markierung ebenfalls die Position der gegenüberliegenden Oberflächenstrukturen bekannt und umgekehrt.
Der Einsatz kann unterschiedliche Regionen oder unterschiedliche Schichten der Oberflächenstrukturen aufweisen. Diese können abzuformende Oberflächenstrukturen und/oder nicht abzuformende Oberflächenstrukturen, insbesondere Ausrichtungsmarken beinhalten. Die Oberflächenstrukturen können in einem sogenannten „first print“ oder in einer sequenziellen Herstellung erstellt werden.
In einer vorteilhaften Ausführungsform der Vorrichtung können auf der, insbesondere mit weichen, abzuformenden Strukturen versehene, Oberfläche des Einsatzes sowie auf der dazu gegenüberliegenden Oberfläche des Einsatzes Markierungen, insbesondere Ausrichtungsmarken angebracht und/oder aufgebracht und/oder eingebracht werden. Mit anderen Worten kann der Einsatz auf beiden Oberflächen Ausrichtungsmarken und/oder Ausrichtungsmarkenfelder beinhalten, welche insbesondere mittels Lithographie oder Elektronenstrahl den Einsatz für die Ausrichtung in einem Aligner qualifizieren.
Vorzugsweise werden die Ausrichtungsmarken der Oberflächenstrukturierung im Bezug zur gleichen Oberfläche des Einsatzes vermessen um die Position der Oberflächenstrukturen auf dem Einsatz verifizieren zu können.
Besonders vorteilhaft ist die Vermessung und das Referenzieren der Ausrichtungsmarken der Oberflächenstrukturierung zu den Ausrichtungsmarken der nicht oberflächenstrukturierten (geprägten) Seite des Einsatzes vorgesehen. Mit anderen Worten wird eine Korrelation der Oberflächenstrukturierung (insbesondere deren Position und/oder Lage) zur Rückseite des Einsatzes hergestellt. Somit ist es möglich, die Oberflächenstrukturen der Einsätze zueinander so auszurichten, dass sie nicht direkt optisch für einen Aligner zugängig sind. Mit der Korrelation der Vorderseite des Einsatzes zur Rückseite können die Einsätze anhand der nicht oberflächenstrukturierten (geprägten) Rückseiten zueinander ausgerichtet werden, als ob die Oberflächenstrukturierungen direkt zueinander ausgerichtet wären.
Ganz besonders bevorzugt wird die Ausrichtung der Einsätze zueinander im geschlossenen Werkzeug durchgeführt.
Da alle oberflächenstrukturierten Einsätze vermessen und in sich korreliert werden können, können die gemessenen Ausrichtungsfehler der Spritzgussartikel anhand von Fehlerkorrekturvektoren, welche aus den Ausrichtungsfehlern der Spritzgussartikel abgeleitet werden, korrigiert werden, indem die Einsätze zueinander verbessert ausgerichtet werden.
Die Überprüfung des Ausrichtungserfolgs resultiert aus der Vermessung der hergestellten Spritzgussartikel beziehungsweise dem Ermitteln des Ausrichtungsfehlers anhand eines hergestellten Spritzgussartikels.
Es ist insbesondere vorgesehen, dass die Einsätze im geschlossenen Werkzeug eine Zustellbewegung von weniger als 1000 Mikrometer, bevorzugt weniger 500 Mikrometer, besonders bevorzugt weniger 250 Mikrometer, insbesondere mittels Festkörpergelenke, insbesondere spielfrei, positionierbar beziehungsweise ausrichtbar sind.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform können im Werkzeug integrierte Luftlager die Beweglichkeit des Einsatzes fördern. Auf diese Weise wird ein leichtes und sehr genaues Ausrichten ermöglicht.
Die Zustellbewegung bedeutet mit anderen Worten den maximal möglichen Verfahrweg des Einsatzes im Werkzeug bei der Ausrichtung.
Aus dem maximalen Verfahrweg beziehungsweise der maximal möglichen Zustellbewegung folgt, dass die Ausrichtungsmarken zumindest eine Fläche, welche größer ist, als die Vektorsumme der Verfahrvektoren der Positioniervorrichtung beziehungsweise Ausrichtungsvorrichtung abdeckt. Beispielsweise soll in x-Richtung 1 mm verfahren werden können sowie in y- Richtung ebenfalls 1 mm verfahren werden können, dann sollten die Ausrichtungsmarken auf einer Fläche größer 1 mm˄2 im Blickfeld des Aligners vorhanden sein. Es ist vorgesehen, dass die Einsätze mittels Feinpositionierer, insbesondere mit Piezoantrieben und/oder Differenzialgewinde- Stell mittein positionierbar sind.
Beispielsweise können Piezoantriebe, lineare Piezoantriebe, Gewindeantriebe o.ä. verwendet werden.
Es ist zudem vorgesehen, dass die Einsätze nach der Ausrichtung zueinander im Werkzeug so befestigt werden, dass die Herstellung einer Serie von Spritzgussartikeln oder zumindest die Herstellung einer zumindest statisch relevanter Probe von Spritzgussartikeln die Position und die Lage der Einsätze um weniger als 1 % verstellt, bevorzugt um weniger als 50 ppm verstellt, besonders bevorzugt um weniger als 100 ppb verstellt. Die Verstellung bezieht sich auf den Idealwert der hergestellten Spritzgussartikel. Mit anderen Worten wird die Streuung der Herstellungsfehler bezüglich der Lage und/oder Position der Einsätze in einem schmalen Toleranzfeld unter 1 %, bevorzugt weniger 50ppm, besonders bevorzugt unter 100 ppb gehalten.
Nachdem die iterativen Korrekturen in der Position und Lage der Einsätze im Werkzeug abgeschlossen sind, welche als Effekt die Minimierung des Herstellungsfehlers am Spritzgussartikel mit sich bringt, können die Einsätze für eine insbesondere Serienfertigung im Werkzeug befestigt werden.
Unter Befestigung wird in diesem Falle verstanden, dass ein Ablösen des Einsatzes vom Werkzeug nicht ohne Schädigung des Einsatzes (insbesondere wegen der hohen Adhäsion zum Werkzeug) möglich ist. Es ist denkbar, dass ein Tausch eines befestigten Einsatzes notwendig wird. In dem Fall kann ein Einsatz zerstört werden, die Funktionalität des Werkzeugs soll jedoch bis auf eine notwendige Reinigung erhalten bleiben und ohne Nachbearbeitung des Werkzeugs einen weiteren Einsatz aufnehmen können.
In einer bevorzugten Ausführungsform des Werkzeugs in der Spritzgießvorrichtung ist es vorteilhaft vorgesehen, dass insbesondere die Form- und Lagetoleranzen des Spritzgussartikels mit dem offenbarten Verfahren insbesondere mittels Nachbearbeitung der elastischen Oberflächenstrukturen zumindest einer der Einsätze und/oder mittels Nachbearbeitung zumindest eines der Einsätze erhöht werden. Insbesondere kann die Planparallelität des Spritzgussartikels erhöht werden.
Es ist weiterhin vorgesehen, dass das Werkzeug beziehungsweise die Anordnung des Einsatzes beziehungsweise der Einsätze in einem iterativen, insbesondere approximierenden Validierungsverfahren, eingestellt werden.
Es wird ein Werkzeug erstellt, mit welchem eine insbesondere statistisch relevante Menge von Spritzgussartikeln, insbesondere einer Serie, hergestellt wird.
Die Spritzgussartikel werden vermessen und insbesondere statistisch ausgewertet. Auf diese Weise kann vorteilhaft ein durchschnittlicher Ausrichtungsfehler ermittelt werden.
Auf dieser Grundlage kann dann eine Korrektur des Werkzeugs, insbesondere eine Justierung des Einsatzes durchgeführt werden. Diese Korrektur kann beispielsweise darin bestehen, dass Material abgetragen oder hinzugefügt wird und/oder die Orientierung geändert wird und/oder die Lage des Einsatzes angepasst wird.
Es werden korrigierte Spritzgussartikel in einer insbesondere statistisch relevanten Menge hergestellt und ausgewertet. Es wird entweder iterativ eine weitere Approximation des idealen Spritzgussartikels durchgeführt oder die Produktion des Spritzgussartikels gestartet.
Für die weitere Fehlerkorrektur kann eine statistische Auswertung von Stichproben des Spritzgussartikels durchgeführt werden, um weitere notwendige Anpassungen durchführen zu können. Insbesondere ist vorgesehen, dass Alterungseinflüsse sowie Abnutzung des Werkzeugs frühzeitig erkannt werden können.
Mit anderen Worten findet eine, für jedes Werkzeug der Spritzgießvorrichtung individuelle Anpassung und Justierung vor einer Serienfertigung der Spritzgussartikel statt, welche die Qualität des Spritzgussartikels verbessert und engere Toleranzen des Spritzgussartikels insbesondere an den mikrotechnisch hergestellten Regionen ermöglicht.
Ein erstes bevorzugtes beispielhaftes Verfahren zum Spritzgießen wird mit insbesondere den folgenden Schritten, vorzugsweise mit dem folgenden Ablauf durchgeführt.
- Das Werkzeug wird mit zumindest einem elastischen, mikrostrukturierten oder nanostrukturierten Einsatz bestückt.
Das Werkzeug wird geschlossen. - Insbesondere im integrierten Aligner (Ausrichtungsmodul) werden die der Einsatz zum Werkzeug und/oder die Einsätze zueinander insbesondere Rückseite zu Rückseite ausgerichtet und im Werkzeug befestigt.
Das Werkzeug wird in der Spritzgussvorrichtung eingebaut.
Es wird zumindest ein Spritzgussartikel insbesondere mittels Spritzgussverfahren hergestellt.
- Der Spritzgussartikel wird aus dem Werkzeug herausgenommen und insbesondere in einer 3D-Koordinatenmessmaschine vermessen. Die Daten werden dem Datenspeicher und Datenanalysevorrichtung weitergegeben.
- Der Spritzgussartikel wird in einem optionalen Verfahrensschritt auf Funktion überprüft und/oder getestet.
Es wird vom Rechner ein Fehler-Vektorfeld erstellt, welche aus den Messwerten sowie aus den Sollwerten abgeleitet wurde. Die Korrekturfaktoren und Korrekturmaßnahmen werden ermittelt.
- Die gezielten Korrekturen werden angewendet.
Die gezielten Korrekturen beinhalten die Veränderung der Position und Lage des zumindest einen Einsatzes im Werkzeug. - Es wird optional eine weitere Iteration der Einstellung des Werkzeugs und des Einsatzes durchgeführt.
Ein weiteres bevorzugtes beispielhaftes Verfahren zum Spritzgießen weist insbesondere die folgenden Verfahrensschritte auf, insbesondere mit dem folgenden Ablauf.
In vorbereitenden Verfahrensschritten wird das Werkzeug bereitgestellt. Dazu ist es notwendig, die Einsätze mit Oberflächenstrukturen zu funktionalisieren. Es wird die Korrelation eines jeden Einsatzes von den Oberflächenstrukturen zu der Rückseite des Einsatzes vermessen und insbesondere in einem Rechner als Datenspeicher und Datenanalysiervorrichtung verarbeitet.
Das Werkzeug wird mit insbesondere elastischen, mikrostrukturierten oder nanostrukturierten Einsätzen bestückt.
Das Werkzeug wird geschlossen.
Insbesondere im in der Spritzgießvorrichtung integrierten Aligner (Ausrichtungsmodul) werden die Einsätze zueinander insbesondere Rückseite zu Rückseite ausgerichtet und im Werkzeug befestigt.
Das Werkzeug wird in der Spritzgussvorrichtung eingebaut.
Es wird zumindest ein Spritzgussartikel insbesondere mittels Spritzgussverfahren hergestellt. - Der Spritzgussartikel wird aus dem Werkzeug herausgenommen und insbesondere in einer 3D-Koordinatenmessmaschine vermessen. Die Daten werden dem Datenspeicher und Datenanalysevorrichtung weitergegeben.
Der Spritzgussartikel wird in einem optionalen Verfahrensschritt auf Funktion überprüft und/oder getestet.
Es wird vom Rechner ein Fehler-Vektorfeld erstellt, welche aus den Messwerten sowie aus den Sollwerten abgeleitet wurde. Die Korrekturfaktoren und Korrekturmaßnahmen werden ermittelt.
Die gezielten Korrekturen werden angewendet.
Die Korrekturen können als zumindest lokaler Materialaufbau oder zumindest lokaler Materialabbau oder eine Modifikation der Oberflächenstrukturierung beinhalten. Insbesondere die Dickenvariationen des Spritzgussartikels oder Welligkeiten können mit gezielter Materialabtragung oder Materialaufbau der Rückseite des Einsatzes geändert werden.
Beim Spritzgießen vorhandener Einpressdruck kann verwendet werden, um die auftretende Verformung des Einsatzes gezielt auszunutzen und die Form des Spritzgussartikels zumindest lokal zu beeinflussen.
Wird Material von der Rückseite des Einsatzes zumindest lokal abgetragen, vergrößert sich das Volumen des Spritzgussartikels. Somit können lokale Vertiefungen des Spritzgussartikels korrigiert werden. Wird Material zumindest lokal an die Rückseite des Einsatzes aufgebaut, vermindert sich das Volumen des Spritzgussartikels.
Dem Fachmann kann die gezielten Bearbeitungsmethoden zum Schichtaufbau wie Aufdampfen oder PVD oder CVD oder Molekularstrahl-Epitaxie verwenden oder diskrete Unterlegfolien nehmen. Zum Schichtabtrag sind Elektronenstrahlenabtragung oder Laserabtragung oder Abflammen oder Läppen oder Schleifen oder Sandstrahlen oder Plasmabehandlung oder Behandlung mit einer Ionenkanone denkbar. Im Sinne der Ausrichtung kann der Fachmann alle bekannte Bearbeitungsverfahren verwenden.
Der modifizierte Einsatz wird ins Werkzeug eingebaut und eine weitere Iteration der Herstellung eines Spritzgussartikels beginnt, bis ein Abbruchkriterium erreicht wird.
Ein mögliches Abbruchskriterium ist das Erreichen der qualitativen, funktionalen Kriterien des Spritzgussartikels. Ein weiteres Abbruchkriterium kann eine irreparable Verschlechterung des Spritzgussartikels, sodass das Werkzeug und/oder der Einsatz überprüft und ausgetauscht werden.
Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele sowie anhand der Zeichnung. Die zeigt schematisch in:
Fig. 1 ein Werkzeug für eine erfindungsgemäßen Vorrichtung zum
Spritzgießen.
In der Figur sind gleiche Bauteile oder Bauteile mit der gleichen Funktion mit den gleichen Bezugszeichen gekennzeichnet. Das Werkzeug 1 besteht aus einer ersten Werkzeughälfte 2 und einer zweiten
Werkzeughälfte 3. welche durch die Formteilungsebene E voneinander getrennt werden können. Die technologische Auslegung des Werkzeugs 1 bestimmt die Anzahl der notwendigen Werkzeugteile und die Anzahl der
Formteilungsebenen. Die notwendigen, vom Fachmann bekannten Führungen, Passkegel, sowie Ausstoßbolzen, Medienzufuhr für Kühlung und/oder Heizung, elektronische Baugruppen für eine Heizung, Entgräter, Schneidwerkzeug für das Abschneiden des Einfüllkanals werden nicht bildlich dargestellt.
Das Werkzeug 1 weist einen ersten Einsatz 5 und einen zweiten Einsatz 5‘ auf. Erfindungsgemäß weisen die Einsätze 5,5‘ ein Polymer auf.
In der zweiten Werkzeughälfte 3 ist ein Sichtfenster 4 dargestellt, welches die zweite Werkzeughälfte 3 von einem Spritzgussraum 10 sowie vom Einsatz 5‘, insbesondere druckfest, trennt. Durchs Sichtfenster 4 sind die Ausrichtungsmarken 5m‘ des Einsatzes 5 insbesondere mit einem nicht dargestellten Aligner zu beobachten und mittels Positioniermechanismus 6 zu justieren.
Die Druckverteiler 7 ermöglichen, das Sichtfenster 4 und/oder die Rückseite des Einsatzes 5b‘ mit den Ausrichtungsmarken 5m‘ beim Spritzgussvorgang zu verdecken, um den Betriebsdruck beim Spritzgießen bis beispielsweise 2500 bar Überdruck halten zu können, ohne dass die nicht dargestellte Spritzgießmasse aus dem Werkzeug 1 , insbesondere unkontrolliert, entweichen kann. Die Einsätze 5,5 ‘ werden mit strukturierten Abformoberfläche 5s, 5s‘ in Richtung des Spritzgussraumes 10 im Werkzeug 1 , insbesondere in den Werkzeughälften 2,3 ausrichtbar und justierbar positioniert.
Die Einsätze 5,5 ‘ können Ausrichtungsmarken 5m,5m‘ sowohl auf der strukturierten Abformfläche 5s,5s‘ als auch auf der Rückseite des Einsatzes 5b,5b‘ aufweisen, insbesondere als Markencluster ausgebildet, um insbesondere eine Referenzierung beziehungsweise Korrelation der Abformoberfläche 5s,5s‘ der Einsätze 5,5‘ mit der Rückseite 5b‘5b‘ der Einsätze 5,5‘ durchführen zu können. Die Messung erfolgt nicht zwangsmäßig im Werkzeug 1.
In einer nicht dargestellten, insbesondere bevorzugten Ausführungsform, kann eine Bearbeitung der Rückseite 5b,5b‘ des Einsatzes 5,5‘ für das Erreichen von Ebenheitsanforderungen erfolgen, wobei die Abformoberfläche 5s,5s‘ des Einsatzes 5,5 ‘ ohne Strukturierung verwendet werden kann. In besonderen Fällen kann die Abformoberfläche 5s,5s‘ des Einsatzes 5,5‘ unabhängig von der Bearbeitung oder Bearbeitbarkeit der Rückseite 5b,5b‘ des Einsatzes 5,5 ‘ ohne Strukturierung vorliegen.
Das Werkzeug 1 wird in der Einfüllöffnung 8 mit der nicht dargestellten Spritzgussmasse befüllt, sodass sie in den Spritzgussraum 10 gelangt und die Kavitäten des Spritzgussraums 10 insbesondere vollständig füllt. Um den Spritzgussraum 10 des Werkzeug 1 vollständig, ohne Luftblasen oder Lunker oder Einschlüsse füllen zu können, werden insbesondere Entlüftungskanäle 9 im Werkzeug 1 ausgebildet.
In der ersten Werkzeughälfte 2 wird der Einsatz 5 ohne Sichtfenster symbolisch abgebildet. Im Werkzeug 1 werden entsprechend Kanäle ausgebildet, um insbesondere die Rückseite 5b des Einsatzes 5 mit optischen - 46 -
Mitteln zu beobachten und die Einsätze 5,5‘ miteinander ausrichten zu können. Die Druckverteiler 7 stützen in dieser Ausführungsform den Einsatz 5,5\ um ihn gegen Bruch wegen Überlastung mit der Spritzgussmasse zu schützen.
Überlastungen des Einsatzes 5,5‘ können eine thermische Überlastung und mechanische Überlastung beinhalten, welche durch zwangsfreie Klemmung und eine insbesondere vollflächige Unterstützung des Einsatzes 5,5‘ im Werkzeug 1 vermieden werden kann.
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1 Werkzeug zum Spritzgießen
2 Erste Werkzeughälfte
3 Zweite Werkzeughälfte
4 Sichtfenster
5, 5‘ Einsatz
5s,5s‘ strukturierte Abformoberfläche des Einsatzes
5b,5b‘ Rückseite des Einsatzes
5m,5m‘ Ausrichtungsmarken des Einsatzes
6 Positioniermechanismus
7 Druckverteiler
8 Einfüllöffnung
9 Entlüftungskanal
10 Spritzgussraum
E Formteilungsebene

Claims

-48- P at ent an s p rü c he
1. Vorrichtung zum Spritzgießen, insbesondere zum Mikrospritzgießen, mindestens aufweisend:
- ein Werkzeug (1) mit einer ersten Werkzeughälfte (2) und einer zweiten Werkzeughälfte (3), wobei die erste Werkzeughälfte (2) und die zweite Werkzeughälfte (3) in einem geschlossenen Zustand des Werkzeugs (1) einen Spritzgussraum (10) definieren und
- mindestens einen in dem Spritzgussraum (10) angeordneten Einsatz (5), dadurch gekennzeichnet, dass der mindestens eine Einsatz (5) zumindest teilweise ein Polymer aufweist.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1 , aufweisend mindestens einen weiteren in dem Spritzgussraum (10) angeordneten Einsatz (5‘), wobei der mindestens eine Einsatz (5) und/oder der mindestens eine weitere Einsatz (5 ‘) im geschlossenen Zustand des Werkzeugs (1 ) ausrichtbar ist/sind.
3. Vorrichtung nach wenigstens einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der mindestens eine Einsatz (5) und/oder der mindestens eine weitere Einsatz (5‘) jeweils eine Abformoberfläche (5s,5s‘) mit elastischen Strukturen aufweist/aufweisen.
4. Vorrichtung nach wenigstens einem der vorhergehenden Ansprüchen, wobei die Abformoberfläche (5s) des mindestens einen Einsatzes (5) und die Abformoberfläche (5s‘) des mindestens einen weiteren Einsatzes (5‘) im geschlossenen Zustand des Werkzeuges (1) zueinander ausrichtbar sind.
5. Vorrichtung nach wenigstens einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Strukturen der Abformoberfläche (5s) des mindestens einen Einsatzes (5) und die Strukturen der Abformoberfläche (5s ) des mindestens einen weiteren Einsatzes (5‘) im geschlossenen Zustand des Werkzeuges (1) zueinander ausrichtbar sind.
6. Vorrichtung nach wenigstens einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei in den mindestens einen Einsatz (5), in den mindestens einen weiteren Einsatz (5‘) und/oder in die jeweiligen Strukturen mindestens eine Heizung integriert ist/sind, so dass der Spritzgussraum (10), insbesondere eine durch eine Einfüllöffnung (8) in den Spritzgussraum (10) einleitbare Spritzgussmasse, gezielt durch die mindestens eine Heizung erhitzbar ist.
7. Vorrichtung nach wenigstens einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der mindestens eine Einsatz (5) und/oder der mindestens eine weitere Einsatz (5‘), insbesondere auf der jeweiligen Abformoberfläche (5s,5s‘) und/oder auf einer jeweiligen Rückseite (5b,5b‘), eine Vielzahl von Ausrichtungsmarken (5m,5m‘) aufweist/aufweisen.
8. Vorrichtung nach wenigstens einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die erste Werkzeughälfte (2) und/oder die zweite Werkzeughälfte (3) Sichtfenster (4) aufweist/aufweisen, so dass der mindestens eine Einsatz (5) und/oder der mindestens eine weitere Einsatz (5‘) anhand der Vielzahl von Ausrichtungsmarken (5m,5m‘) im geschlossenen Zustand des Werkzeuges (1) ausrichtbar ist und/oder zueinander ausrichtbar ist/sind.
9. Vorrichtung nach wenigstens einem der vorhergehenden Ansprüchen, wobei die erste Werkzeughälfte (2) und/oder die zweite Werkzeughälfte (3) jeweils mindestens einen Positioniermechanismus (6) aufweist/aufweisen, so dass der mindestens eine Einsatz (5) und/oder der mindestens eine weitere Einsatz (5‘) anhand der Vielzahl von Ausrichtungsmarken (5m,5m‘) im geschlossenen Zustand des Werkzeugs (1) ausrichtbar ist/sind.
10. Vorrichtung nach wenigstens einem der vorhergehenden Ansprüchen, wobei anhand der Vielzahl von Ausrichtungsmarken (5m,5m‘) auf der Rückseite (5b) des mindestens einen Einsatzes (5) und/oder auf der Rückseite (5b‘) des mindestens einen weiteren Einsatzes (5‘), die Strukturen der Abformoberfläche (5s) des mindestens einen Einsatzes (5) und die Strukturen der Abformoberfläche (5s‘) des mindestens einen weiteren Einsatzes (5‘) im geschlossenen Zustand des Werkzeuges (1 ) zueinander ausrichtbar sind.
1 1 . Verfahren zum Spritzgießen, insbesondere zum Mikrospritzgießen, wobei durch ein Werkzeug mit einer ersten Werkzeughälfte (2) und einer zweiten Werkzeughälfte (3) in einem geschlossenen Zustand des Werkzeuges (1 ) ein Spritzgussraum (10) definiert wird, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein in dem Spritzgussraum (10) angeordneter Einsatz (5) zumindest teilweise ein Polymer aufweist.
12. Verfahren nach Anspruch 11 , wobei der mindestens eine Einsatz (5) und mindestens ein weiterer in dem Spritzgussraum (10) angeordneter Einsatz (5‘), insbesondere eine Abformoberfläche (5s) des mindestens einen Einsatzes (5) und/oder eine Abformoberfläche (5s‘) des mindestens einen weiteren Einsatzes (5‘), im geschlossenen Zustand des Werkzeuges (1) in dem Spritzgussraum (10) zueinander ausgerichtet werden.
13: Verfahren nach wenigstens einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der mindestens eine Einsatz (5) und/oder der mindestens eine weitere Einsatz (5‘) anhand von einer auf dem mindestens einen Einsatz (5) und/oder dem mindestens einen weiteren Einsatz (5‘) angebrachten Vielzahl von Ausrichtungsmarken (5m,5m‘) ausgerichtet wird/werden.
14. Verfahren nach wenigstens einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei ein Ausrichten des mindestens einen Einsatzes (5) und/oder des mindestens einen weiteren Einsatzes (5 ‘) auf Grundlage einer Vermessung eines Spritzgussartikels, hergestellt nach einem Verfahren nach wenigstens einem der vorhergehenden Ansprüche, durchgeführt wird.
15. Verfahren nach wenigstens einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei ein Ausrichten durch ein Nachbearbeiten des mindestens einen Einsatzes (5) und/oder des mindestens einen weiteren Einsatzes (5‘) durchgeführt wird.
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