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Dokumentenidentifikation DE202006005302U1 20.07.2006
Titel Anlage zur Herstellung von Polymerverbindungen mittels Lösungsmitteln
Anmelder Forschungszentrum Karlsruhe GmbH, 76133 Karlsruhe, DE
DE-Aktenzeichen 202006005302
Date of advertisement in the Patentblatt (Patent Gazette) 20.07.2006
Registration date 14.06.2006
Application date from patent application 01.04.2006
IPC-Hauptklasse C08J 5/12(2006.01)A, F, I, 20060401, B, H, DE
IPC-Nebenklasse C08J 5/18(2006.01)A, L, I, 20060401, B, H, DE   

Beschreibung[de]

Die Neuerung betrifft eine Anlage zur Herstellung von Polymerverbindungen mittels Lösungsmittel gemäß des ersten Schutzanspruchs.

Anlagen dieser Art dienen insbesondere der zuverlässigen Verbindung von gleichartigen flächigen Polymerkomponenten in der Mikrostrukturtechnik bevorzugt in größerer Stückzahl. Sie basieren auf der sog. Lösungsmittelverbindungstechnologie oder Lösungsmittelschweißtechnik, d.h. in diesen werden in einem ersten Schritt die Kontaktbereiche zwischen zwei Komponenten angelöst, um sie in einem zweiten Schritt aneinanderzupressen. Nach einem Verflüchtigen des Lösungsmittels verbleibt eine dauerhafte stoffschlüssige Polymerverbindung zwischen den Polymerkomponenten.

Bei einer Serienfertigung von Mikrokomponenten stoßen diese Verfahren schnell an ihre Grenzen. Insbesondere werden Mikrostrukturen bereits nach kurzer Einwirkungszeit durch das Lösungsmittel verändert und ab einem bestimmten Grad auch zerstört oder büßen oftmals dabei ihre Funktionsfähigkeit ein.

Davon ausgehend liegt die Aufgabe der Neuerung darin, eine Anlage zur Herstellung von Polymerverbindungen vorzuschlagen, die für die Montage von Mikrokomponenten oder mikrostrukturierten Funktionskomponenten geeignet ist und die vorgenannten Nachteile nicht aufweist. Insbesondere soll die Neuerung das Problem lösen, dünne mikroporöse Folien oberflächlich mit einem anderen thermoplastischen Polymermaterial effizient und sicher ohne ein Verschluss einer offenen Mikroporosität zu verbinden, mit dem Ziel der Massenfertigung von Zellkulturträger (Cellchips) für Bioreaktoren, wie sie z.B. in der WO 93/07258 beschrieben sind.

Die Aufgabe wird durch eine Anlage mit den Merkmalen aus Anspruch 1 gelöst. Unteransprüche geben vorteilhafte Ausgestaltungen der Neuerung wider.

Die Neuerung umfasst eine Anlage zur Herstellung von Polymerverbindungen mittels Lösungsmittel. Sie weist eine vorzugsweise über abnehmbaren Kammerteil öffenbare und wieder fluiddicht verschließbare Fügekammer mit einer Zufuhr und eine Absaugung für ein Lösungsmittel auf. Dabei ist die Absaugung vorzugsweise nicht nur für eine reine Ableitung von Fluiden oder Gasen ausgelegt, sondern auch zur Erzeugung eines Unterdrucks in der Fügekammer vorzugsweise bis hin zu einem Vakuum. Ein Unterdruck senkt in vorteilhafter Weise den Siedepunkt des Lösungsmittels und fördert so dessen Entfernung aus der Fügekammer. Die Geschwindigkeit und die Vollständigkeit dieser Entfernung lassen sich durch eine zusätzliche Heizung des Innenraums der Fügekammer zusätzlich beschleunigen bzw. optimieren. In der Fügekammer ist eine Auflage für eine erste zu fügende Polymerkomponente sowie eine gegen die Auflage wirkende bewegliche Platte zum Anpressen einer zweiten zu fügenden Polymerkomponente gegen die erste Polymerkomponente vorgesehen. Für das Anpressen sind Anpressmittel, vorzugsweise eine pneumatische oder hydraulische Linearkolben vorgesehen. Vorzugsweise wirkt die vorgenannte Heizung direkt auf die Auflage und die Platte, wodurch diese in vorteilhafter Weise die eingespeiste Wärme unmittelbar und über eine große Kontaktfläche verteilt auf die zu fügenden Komponenten weiterleiten können. Die vorgenannten Anpressmittel für die Platte gegen die Auflage sind vorzugsweise im Kammeroberteil angeordnet, sodass die die Auflage vorzugsweise ortsfest in einen kontinuierlichen Produktionsprozess einbindbar ist.

Vorzugsweise wird die Fügekammer konstruktiv ähnlich einer Dose aus einem Kammeroberteil und einem Kammerunterteil gebildet, die gegen Fluide dichtend aufeinander setzbar sind. Kammeroberteil und Kammerunterteil sind vorzugsweise über einen Fluidzylinderantrieb oder einen selbst hemmenden mechanischen Antrieb gegeneinander bewegbar.

Die unten liegende Auflage weist eine Führung für die zu fügenden Komponenten auf. Für eine zuverlässige flächige Fixierung einer zu fügenden Polymerkomponente ist die Auflage vorzugsweise als Saugfixierung mit Unterdruckanschluss gestaltet, d.h. sie weist im Bereich der Auflagefläche Saugöffnungen oder eine offene Porosität auf, wobei die Führung, ggf. eine separate Komponente (Rahmen o.Ä.) auch als seitliche Abdichtung heranziehbar ist.

Es liegt im Rahmen der Neuerung, dass die Auflage und die Platte in ihrer Oberfläche an die Form der ersten bzw. zweiten Polymerkomponente angepasst sind, wobei die Form nicht unbedingt eben sein muss. Vielmehr sind auch dreidimensionale Formen möglich, wobei die Auflage und die Platte jeweils als formschlüssige Führung für die erste bzw. zweite Polymerkomponente dienen können.

Optional weisen sowohl die Auflage als auch die Platte einen Sauganschluss für eine Saugfixierung auf.

Während des Fügevorgangs erfolgt sowohl die Zuführung als auch die Absaugung des Lösungsmittels bei geschlossener Fügekammer. Der Lösungsmittelfluss ist somit vollständig von der Umgebung getrennt, wobei nur noch Lösungsmittelreste auf dem gefügten Bauteil mit diesem in die Atmosphäre gelangen können. Dadurch geht nur eine minimale Menge des Acetons durch Verdunstung in die Umgebung verloren, was in vorteilhafter Weise einerseits eine Rückgewinnung eines möglichst großen Anteils Lösungsmittels durch Rekondensation ermöglicht und andererseits aufwendige Absaugungs- oder Schutzvorrichtung zum Schutz eines Bedienungspersonals um die Anlage einspart.

Weitere wesentliche Vorteile liegen im einfachen und kostengünstigen Aufbau, in der zuverlässigen und schnellen Arbeitsweise, sowie in der guten und reproduzierbaren Produktqualität. Ferner bedürfen die gefügten Teile keiner Nacharbeit. Aus umwelttechnischer Sicht kann das Lösungmittel (Aceton) zum großen Teil rückgewonnen werden.

Die Neuerung wird mit Ausführungsbeispielen anhand der folgenden Figuren näher erläutert. Es zeigen

1 eine schematische Darstellung der Anlage inklusive der Versorgungseinheiten und Peripheriegeräte,

2 eine prinzipielle Seitenansicht der zu fügenden Komponenten eines Containments zur Züchtung von Zellkulturen,

3a und b eine detaillierte Schnittdarstellung der Fügekammer (a) sowie der Aufsicht des Rahmens zum Einlegen der in 2 dargestellten Komponenten in der Fügekammer (b),

4a bis c die in 3a dargestellte Fügekammer mit eingelegten Komponenten gemäß 2 während des Bestückens (a), beim Evakuieren (b) sowie beim Fügen (c) sowie

5 ein Flussdiagramm der einzelnen Verfahrensschritte während des Fügens der in 2 dargestellten Komponenten.

Zentrales Element der in 1 dargestellten Ausführungsform ist die auch in 3 detailliert wiedergegebene Fügekammer 1, die sich aus einem Kammeroberteil 2 und einem Kammerunterteil 3 zusammensetzt. Der obere Kammerteil 2 ist fest in einer nicht weiter dargestellten Anordnung fixiert, der untere Kammerteil 3 wird mit einem Pneumatikzylinder 4 geöffnet und geschlossen. In der unteren Kammer 3 befindet sich ein poröser Körper 5, auf dem die Fügeteile in der Reihenfolge der Komponenten Folie 6 – Gegenstück 7 aufgesetzt werden (vgl. auch 2). In einer bevorzugten Variante weist die Folie 6 eine offene Porosität auf, während das Gegenstück 7 als eine siebförmige Struktur mit einer Anzahl vorzugsweise gleichartiger Durchgangsöffnungen oder Kanäle (Durchbrüche 21) gestaltet ist. Fügt man die Strukturen z.B. durch Kleben oder Schmelzen dauerhaft zusammen, erhält man ein z.B. Containment zur Züchtung von Zellkulturen, wie es z.B. in der WO 93/07258 im Grundsatz offenbart ist. Der Rahmen 8 dient dabei zur gleichzeitigen Positionierung von vier der vorgenannten Komponenten (Fügeteile gem. 2). Im oberen Kammerteil 2 befindet sich ein weiterer Pneumatikzylinder 9, der mit der Platte 10 einen Andruckstempel bildet. Die gesamte Kammer wird über Heizelemente 11 angewärmt (30–32 °C) um unerwünschte Kondensation insbesondere an den Kammerwänden und im Bereich des porösen Körpers 5 zu vermeiden. Zu den externen Gasanschlüssen zählt der Lösungsmittelanschluss 12, der Absaug- und Kondensationsanschluss 13, sowie der Stickstoff (N2)- Spülanschluss 14.

Die Funktionsweise der vorgenannten Ausführungsform lässt sich anhand der 4a bis c und 5 beschreiben. In einem ersten Schritt wird bei auseinander gefahrenen Kammeroberteil 2 und Kammerunterteil 3 vorzugsweise in jede Aussparung des in 3b dargestellen Rahmens eine Folie 6 eingesetzt und mittels Unterdruck an den porösen Körper 5 angesaugt (vgl. 4a). Die Ansaugung erfolgt mittels Vakuumpumpe 15 nach Öffnen des Ventil V1 (vgl. 1). Anschließend wird je ein Gegenstück 7 auf jede Folie 6 aufgelegt, das Unterteil 3 mit dem Oberteil 2 verschlossen (vgl. 4b) und die Platte 10 mit dem oberen Pneumatikzylinder 9 bei geringem Anpressdruck über R1 gegen das Gegenstück 7 gedrückt (vgl. 4c und 1). Die vorgeschlagene Reihenfolge dient insbesondere der bevorzugten Vermeidung von unerwünschtem Verzug der dünnen Folie 6 während des Fügeprozesses.

Die folgenden Schritte lassen sich anhand der 1 darstellen. Durch Öffnen der Ventile V2 und V3 wird nun die Kammer 1 und die Leitung bis V4 zügig evakuiert. Anschließend wird V1 und V3 geschlossen und V4 geöffnet. Aufgrund des vorherrschenden Unterdrucks in der Leitung wird hierbei eine, auf das Kammervolumen abgestimmte Menge flüssigen Acetons aus dem Vorratsbehälter 16 in den Vorwärmer 17 gesaugt. Nach dem Schließen von V4 und Öffnen von V3 gelangt das noch flüssige Aceton durch den Verdampfer 18 über V2 in die Kammer 1 und verdampft bis der Sättigungsdampfdruck erreicht ist. Von diesem Zeitpunkt an beginnt das Anlösen beider Fügeteile (Folie 6 und Gegenstück 7 gem. 2), wobei durch besondere Maßnahmen eine bevorzugt möglichst kurze Anlösezeit realisierbar ist. Diese Maßnahmen umfassen im Wesentlichen eine leichte Temperaturanhebung der Kammer 1 auf eine Temperatur unterhalb der Erweichungstemperatur von Folie und Gegenstück bei gleichzeitiger oder alternativer Erhöhung des Kammerdruckes durch Hinzuführung kleiner Mengen Stickstoff über den Anschluss 14. Ziel war es, die Anlösezeit in soweit zu verringern, dass die Fügeteile einerseits lediglich soweit oberflächlich angelöst werden wie es für eine zuverlässige Fügung aneinander erforderlich ist, andererseits aber die Mikrostruktur der Fügeteile, insbesondere die offene Porosität der Folie 6 durch einen möglichst kurzen Kontakt mit dem Lösungsmittel nicht oder nur unwesentliche verändert wird. Die Parameter ließen sich dabei in der Weise optimieren, dass die Prozesszeit für das Fügen unterhalb von 10 Sekunden liegt und ein Anhaften der Folie 6 am Untergrund vermieden wird. Nach Beendigung der Einwirkzeit drückt die Platte 10 mit einem höheren Druck über R2 gegen die Fügeteile, womit der eigentliche Fügeprozess eingeleitet wird, der aber auch nur wenige Sekunden dauert. Anschließend wird in einem abwechselnden Saug- und Spülvorgang (unter Zugabe von Stickstoff) das Lösungsmittel aus der Kammer 1 wieder entfernt, wobei eine möglichst vollständige umweltschonende und damit bevorzugte Rückgewinnung des Lösungsmittels durch Kondensation im Kondensator 19 mit Auffangbehälter 20 stattfindet. Eine Entnahme der gefügten Teile kann nach Öffnen des unteren Kammerteils 3 erfolgen.

Die Anlagen weist folgende Besonderheiten und Vorteile auf:

  • – Die vorgenannte Rückgewinnung des Lösungsmittels durch einen nachgeschalteten Kondensationsprozess ist nicht nur umweltfreundlich, sondern ermöglicht einen sparsamen Verbrauch des Lösungsmittel und reduziert den Mengenstrom einer Lüftung der Anlage während des laufenden Betriebs.
  • – Der eigentliche Fügeprozess wird durch eine erhöhte Temperatur (bevorzugt 30–32 °C) und einen erhöhten Druck unter Stickstoff in der Kammer enorm beschleunigt, eine Entfernung des Lösungsmittels durch eine wieder Absenkung der Temperatur und Druck ebenfalls beschleunigt, was den Erfordernissen einer batchweisen Serienfertigung vorzugsweise auch in einem automatisierten Prozess sehr entgegenkommt. Ferner wird durch diese Prozessführung auch ein Anheften der Folie an der Folienauflage in der Kammer vermieden.
  • – Ein Anpressen des Stempels auf die Folie in 2 Stufen (0,4 bar/5 bar den Pneumatikzylindern) reduziert zusätzlich ein Verziehen der Folie.
  • – Eine Nachbearbeitung des fertigen Bauteils (Folie mit Gegenstück) ist nicht erforderlich.
  • – Das Verfahren eignet sich auch zum Fügen unterschiedlicher Kunststoffe (vernetzbar z.B. PMMA auf PC).
  • – Die Fügequalität ist im hohen Maße reproduzierbar, da die Prozessparameter (Pressdruck, Temperatur, Druck, Lösungsmittelmenge, Zeitablauf) gut regel- und kontrollierbar sind.
  • – Einfacher Aufbau der Anlage, wobei ein Großteil der Komponenten kommerziell ohne Änderungen einsetzbar ist. Dadurch sind geringe Herstellungskosten der Anlage realisierbar.
  • – Einfache und schnelle Handhabung der Anlage.

Die Anlage arbeitet grundsätzlich nach einem Verfahren zum dauerhaften Verbinden von Polymerkomponenten, umfassend eine die folgenden Verfahrensschritten (vgl. 5):

  • – Einlegen einer ersten zu fügenden Polymerkomponente auf die Auflage in der geöffneten Fügekammer, vorzugsweise flächig und durch eine Führung geführt formschlüssig (Teilzuführung 22)
  • – Optionales Fixieren, vorzugsweise Ansaugen der ersten Polymerkomponente auf der Auflage,
  • – Einlegen einer zweiten zu fügenden Polymerkomponente in die Fügekammer zwischen die erste Polymerkomponenten und einer gegen die Auflage beweglichen Platte,
  • – Schließen der Fügekammer,
  • – Evakuieren der Fügekammer,
  • – Einleitung eines Lösungsmittels in die Fügekammer, wobei es zu einem Anlösen der Polymerkomponenten kommt,
  • – Aneinanderpressen der beiden Polymerkomponenten in der Fügekammer durch ein Zusammenfahren der Platte und der Auflage, wobei die Polymerkomponenten optional erwärmt werden,
  • – Entfernung des Lösungsmittels aus der Fügekammer durch Absaugen, Evakuieren und einer optionalen Erwärmung,
  • – Belüften und Öffnen der Fügekammer und Entnahme der zusammengefügten Polymerkomponenten als Bauteil.

Optionale Verfahrensschritte umfassen folgende Ausgestaltungen:

  • – Ein exakt positioniertes Auflegen einer zweiten zu fügenden Polymerkomponente auf die erste Polymerkomponente, vorzugsweise flächig aufeinander, wobei die exakte Positionierung ebenfalls durch die die vorgenannte Führung realisiert wird,

Die Verfahrensschritte lassen sich in eine automatische Fertigungskette für eine automatisierbare Fertigungskette für Zellchips integrieren (vgl. 5). In einem ersten Schritt dieser Kette erfolgt eine Teilezuführung 22 der zu fügenden Komponenten 6 und 7 in die Anlage (z.B. Einlegen), gefolgt durch eine Vorbereitung 23 der Teile in der Anlage (z.B. optionales Fixieren der Komponenten, Schließen und Evakuieren der Fügekammer), einer Einleitung des Lösungsmittels 24, der eigentlichen Fügung 25 (z.B. durch Aneinanderpressen der Komponenten), der Entfernung des Lösungsmittels 26 sowie des Ablegens 27 des Bauteils (z.B. Belüften und Öffnen der Fügekammer und Entnahme der zusammengefügten Polymerkomponenten als Bauteil) in der Anlage. Schließlich erfolgt der Abtransport 28 der Bauteile zu einer weiterführenden Bearbeitung in der Fertigungskette.

1Fügekammer 2Kammeroberteil 3Kammerunterteil 4Pneumatikzylinder unten 5Poröser Körper 6Folie 7Gegenstück 8Rahmen 9Pneumatikzylinder oben 10Platte 11Heizelement (e) 12Lösungsmittelzufuhr 13Absaugung 14N2-Spülanschluß 15Vakuumpumpe 16Vorratsbehälter 17Vorwärmer 18Verdampfer 19Kondensator 20Lösungsmittel-Auffangbehälter 21Durchbrüche 22Teilezuführung 23Vorbereitung 24Einleitung des Lösungsmittels 25Fügung 26Entfernung des Lösngsmittels 27Ablegen 28Abtransport R1,R2Druckregelstufen V1–V8Steuerventile PManometer TThermoelement

Anspruch[de]
  1. Anlage zur Herstellung von Polymerverbindungen mittels Lösungsmittel umfassend

    a) eine fluiddicht verschließbare Fügekammer (1) mit mindestens einem abnehmbares Kammerteil (2) mit einer geführten Auflage (5) für erste zu fügende Polymerkomponente (6),

    b) eine Zufuhr (12) und eine Absaugung (13) für ein Lösungsmittel in die Fügekammer, wobei durch Absaugung in der Fügekammer ein Unterdruck erzeugbar ist,

    c) ein gegen die Auflage wirkende bewegliche Platte (10) mit Antriebsmittel (9) zum Anpressen einer zweiten zu fügenden Polymerkomponente (7) gegen die erste Polymerkomponente (6).
  2. Anlage nach Anspruch 1, umfassend mindestens ein Heizelement (11) in der Fügekammer.
  3. Anlage nach Anspruch 2, wobei je ein Heizelement in der Auflage (5) und in der Platte (10) angeordnet ist.
  4. Anlage nach einem der vorgenannten Ansprüche, umfassend eine Steuerungseinheit für wobei die erste zu fügende Polymerkomponente eine Folie ist und die Auflage (5) eine Ansaugvorrichtung für ein flächiges Anliegen der Folie umfasst.
Es folgen 2 Blatt Zeichnungen






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