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Dokumentenidentifikation DE102005025247B3 08.03.2007
Titel Verfahren zur Herstellung von Durchbrüchen in thermoplastischen Komponenten
Anmelder Forschungszentrum Karlsruhe GmbH, 76133 Karlsruhe, DE
Erfinder Rapp, Bastian, 76133 Karlsruhe, DE;
Worgull, Matthias, 76297 Stutensee, DE;
Heckele, Mathias, 76351 Linkenheim-Hochstetten, DE
DE-Anmeldedatum 02.06.2005
DE-Aktenzeichen 102005025247
Veröffentlichungstag der Patenterteilung 08.03.2007
Veröffentlichungstag im Patentblatt 08.03.2007
IPC-Hauptklasse B81C 5/00(2006.01)A, F, I, 20050602, B, H, DE
IPC-Nebenklasse B26F 1/14(2006.01)A, L, I, 20050602, B, H, DE   
Zusammenfassung Verfahren zur Herstellung von Durchgangsöffnungen in thermoplastische Komponenten. Aufgabe ist es, ein derartiges, speziell für die Mikrosystemtechnik konzipiertes Stanzverfahren. Die Aufgabe wird durch ein Verfahren, umfassend ein flächiges Auflegen einer ersten thermoplastischen Platte (1) mit einer ersten Erweichungstemperatur T1 auf eine Substratplatte (2), Eindrücken eines mit einer Temperatur oberhalb T1 temperierten Werkzeugs (3) in die erste thermoplastische Platte, wobei in dieser sich Strukturen (6) mit Strukturhöhen H1 bilden, Abheben des Werkzeugs, Auflegen eines thermoplastischen Werkstücks (8) mit einer zweiten Erweichungstemperatur T2 kleiner T1 und mit einer Dicke D2 kleiner H1 auf die zuvor unter T2 abgekühlten Strukturen, erneutes Eindrücken des mit einer Temperatur zwischen T1 und T2 temperierten Werkzeugs unter Bildung von Durchgangsöffnungen durch das Werkstück hindurch in die Strukturen, wobei ausgestanzte Werkstücksegmente des Werkstücks mit dem Werkzeug in Vertiefungen der Strukturen hineingedrückt werden, Abheben des Werkzeugs sowie Entnahme des Werkstücks gelöst.

Beschreibung[de]

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von Durchgangsöffnungen in thermoplastischen Komponenten gemäß den Merkmalen des ersten Patentanspruchs.

Durchgangsöffnungen wie Bohrungen, Aussparungen oder sonstige Durchbrüche in thermoplastischen Komponenten kleiner Abmessungen werden in der Regel bereits bei der Herstellung vorgesehen, beispielsweise über eine Abformung entsprechend gestalteter Negativformen während eines Spritzgussvorgangs.

Alternativ sind Vorgänge bekannt, bei denen Durchgangsöffnungen in thermoplastischen Komponenten auch nachträglich durch Bohren, Stanzen, Lochen oder Herausdrücken von Komponententeilen an Sollbruchstellen hergestellt werden. Für ein wirtschaftliches nachträgliches Schaffen einer größeren Zahl von Durchgangsöffnungen in unstrukturierten thermoplastischen Kunststoffkomponenten kleiner Abmessungen eignen sich besonders Stanz- und Lochverfahren.

In der DE 197 30 859 A1 werden beispielhaft ein Stanzverfahren und eine Vorrichtung zum Lochen von Werkstücken aus einem thermoplastischen Kunststoff beschrieben. Das Lochwerkzeug umfasst einen Lochstempel, der durch das Werkstück formschlüssig in eine Bohrung in einer Schneidplatte eingedrückt wird, wobei ein Werkstücksegment zwischen Lochwerkzeug und Bohrungskante unter Bildung einer Durchgangsöffnung im Werkstück abgeschert wird. Wichtig bei dieser Vorrichtung ist daher eine exakte axiale Führung des Lochstempels vor und beim Eindringen in die Bohrung, die im Rahmen der vorgeschlagenen Lösung durch eine seitlich zum Lochstempel angeordnete separate Stiftführung sowie durch eine Führung des Lochstempels in einer Führungsbohrung bereits vor dem Eindringen in das Werkstück realisiert wird.

Ferner wird in der DE 199 31 774 A1 im Rahmen einer Verfahrensalternative zur Erhöhung der Präzision die Herstellung einer Schneidplatte für eine Mikrostanzvorrichtung durch galvanisches Abformen eines Lochstempels offenbart.

Die vorgenannte Lösung ist jedoch nicht oder nur eingeschränkt auf Loch- oder Stanzverfahren in der Mikrosystemtechnik übertragbar. Insbesondere die offenbarten Stempelführungen lassen sieh mit den erforderlichen Führungsgenauigkeiten nur eingeschränkt oder mit einem vergrößerten Aufwand herunterskalieren.

Davon ausgehend liegt die Aufgabe der Erfindung darin, ein speziell für die Mikrosystemtechnik konzipiertes Stanzverfahren zur Herstellung von Durchgangsöffnungen in thermoplastischen Komponenten vorzuschlagen.

Die Aufgabe wird durch ein Verfahren gemäß den Merkmalen des ersten Patentanspruchs gelöst. Unteransprüche geben vorteilhafte Ausführungsformen wieder.

Die Erfindung wird wie folgt im Rahmen von Ausführungsbeispielen mit Figuren näher erläutert. Es zeigen

1a bis g in prinzipieller Darstellung die einzelnen Verfahrensschritte des vorgenannten Verfahrens sowie

2a und b Gestaltungsoptionen für weitere Ausführungsbeispiele.

Das Verfahren dient zur Herstellung von Durchgangsöffnungen in thermoplastischen Komponenten. In einem ersten Verfahrensschritt wird hierzu eine erste Platte 1 aus einem thermoplastischen Material flach auf einer Substratplatte 2 aufgelegt (1a). Diese erste Platte, vorzugsweise aus einem Kunststoff, weist eine erste Erweichungstemperatur T1 auf. In einem zweiten Schritt erfolgt ein Eindrücken eines mit einer Temperatur oberhalb T1 temperierten Prägewerkzeugs 3 mit Stempeln 17 in die erste thermoplastische Platte 1, dargestellt in 1b mit einem Pfeil für die Eindrückbewegung 4. Durch diesen Heißprägevorgang werden durch die Stempel 17 in die erste Platte 1 Strukturen 6 mit vorzugsweise einer Strukturhöhe H1 eingeprägt. Während oder vor einem Abheben des Prägewerkzeugs aus der Struktur 6 im Rahmen eines dritten Verfahrensschritts (Hub 5 als Pfeil in 1c) erfolgt eine Abkühlung der ersten Platte 1 mit den Strukturen 6 unter die Erweichungstemperatur T1. In einem vierten Verfahrensschritt erfolgt ein flaches Einlegen (vgl. Einschiebebewegung 7 als Pfeil in 1d) einer thermoplastischen Komponente 8 oder eines Komponentensegments (nachfolgend im Begriff Komponente mit enthaltend) mit einer zweiten Erweichungstemperatur T2, die unterhalb der ersten Erweichungstemperatur T1 liegt. Es folgt in einem fünften Verfahrensschritt ein erneutes Eindrücken (vgl. Eindrückbewegung 4 in 1e) des mit einer Temperatur zwischen T1 und T2 temperierten Prägewerkzeugs 3 durch die Komponente hindurch in die Strukturen 6, wobei ausgestanzte Teile als Werkstücksegmente 9 der Komponente 8 mit dem Prägewerkzeug 3 in die Vertiefungen der Strukturen hineingedrückt werden (1e). Hierfür ist es erforderlich, dass die Komponente 8, zumindest die Bereiche der Komponente, die auf den eingeprägten Strukturen 6 positioniert sind und durch das Verfahren mit einer Durchgangsöffnung 10 (vgl. 1f) versehen werden, eine Dicke D2 (vgl. 1d) kleiner als die Strukturhöhe H1 der zuvor unter T2 abgekühlten Struktur aufweisen. In einem weiteren Verfahrensschritt erfolgen dann ein Abheben (Hub 5) des Prägewerkzeugs sowie die Entnahme (Entnahmebewegung 11) der durchbrochenen Komponente (1f).

Das Verfahren stellt somit eine Kombination aus einem Heißprägeverfahren, bei dem aus der vorgenannten ersten Platte 1 durch ein Eindrücken des erwärmten Stanzwerkzeug 3 eine Negativform mit den vorgenanten Strukturen 6 als Schneidplatte hergestellt wird, sowie aus einem anschließenden Stanzverfahren, bei dem das Stanzwerkzeug durch das auf die Schneidplatte aufgelegte Komponente erneut und formschlüssig in die Negativform in einer Schneidplatte eingedrückt wird, wobei ein oder mehrere Werkstücksegmente 9 zwischen Stanzwerkzeug und gegenüberliegenden Strukturkanten unter Bildung von Durchgangsöffnungen 10 im Werkstück 8 abgeschert wird. Dabei sind das Stanzwerkzeug und die Schneidplatte linear zueinander und in Ausrichtung des Stanzwerkzeugs geführt, wobei die gesamte Durchführung des Verfahrens in einer Einspannung, d.h. ohne eine Umrüstung von Stanzwerkzeug und erster Platte bzw. Schneidplatte erfolgt.

Für eine Durchführung des Verfahrens eignen sich insbesondere Werkstoff- oder Komponentenprüfmaschinen (z.B. spindelgetrieben, servohydraulisch etc.), mechanische oder hydraulische Pressen oder Vorrichtungen (z.B. Hebelpressen), modifizierte Präge- und Stanzmaschinen) oder andere Maschinen Apparate und Vorrichtungen, die die vorgenannte exakte Führung von Stanzwerkzeug und Schneidplatte gewährleisten. Vorzugsweise umfasst die Vorrichtung eine Führung für das Werkstück sowie Mittel zum reproduzierbaren Einstellen der Höhe des Hubs 5 und der Eindrückbewegung 4.

Der Vorteil dieses vorgenannten kombinierten Verfahrens liegt darin, dass durch das Heißprägen die vorgenannte Schneidplatte geschaffen wird, die dann ohne Umrüstung der Stanzvorrichtung exakt ausgerichtet für den anschließenden Stanzvorgang herangezogen wird, und zwar ohne Genauigkeitseinbußen auch für die Schaffung von komplexen Durchgangsöffnungsmustern (Lochmustern) und/oder kleinen Abmessungen. Die Aufwärmung während des Stanzens bewirkt in vorteilhafter Weise eine selektive Schwächung des Werkstückmaterials während der Abscherung der Werkstücksegmente.

Ohne einen erneuten Heißprägevorgang lässt sich die Schneidplatte (strukturierte erste Platte) für mehrere aufeinander folgende Stanzvorgänge unter Verwendung jeweils eines anderen Werkstücks bei jeder Wiederholung nutzen, wobei je Stanzvorgang eine Entfernung der ausgestanzten Werkstücksegmente aus der Struktur erforderlich ist (vgl. 1g).

Eine Entfernung der ausgestanzten Werkstücksegmente 9 aus den Strukturen 6, in 1g mit einem eine Auswurfbewegung 12 symbolischen Pfeil dargestellt, ist auf mehreren Arten möglich:

  • – Einerseits bietet es sich an, gezielt eine formschlüssige Verbindung im Bereich zwischen Stanzwerkzeug und Werkstücksegment vorzusehen, die ein Anhaften und Herausziehen der Werkstücksegmente mit dem Stanzwerkzeug ermöglicht. Durch ein erneutes Aufheizen des herausgezogenen Stanzwerkzeuges auf eine Temperatur oberhalb T2 lassen sich die Werkstücksegmente auf einfache Weise z.B. mit einem Abstreifer auf einfache Weise wieder entfernen.
  • – Ausblasen der Schneidplatte mit Druckluft
  • – Einlegen einer Zwischenschicht sowie Aufschmelzen oder Verschmelzen dieser Schicht mit den Werkstücksegmenten in der Schneidplatte mit anschließenden Entfernen Zwischenschicht mit den anhaftenden Werkstücksegmenten

Ein gutes Stanzergebnis, vor allem bei einer vorgenannten Wiederholung der Stanzvorgänge mit gleichem Schneidwerkzeug, ist direkt abhängig von den Materialeigenschaften der Schneidplatte. Insbesondere ist eine hohe Formstabilität bei der Erweichungstemperatur T2 der zur stanzenden Komponente (Werkstücks) sicherzustellen. Mit einer zunehmenden Anzahl von Wiederholungen gewinnt zudem die Verschleißfestigkeit bei T2 zunehmend an Bedeutung. Bei diesen Rahmenbedingungen erwiesen sich bestimmte thermoplastische Kunststoffe als geeignet. Bevorzugte Materialpaarungen für das Werkstück sowie der thermoplastischen Platte (Schneidplatte) sind einerseits Polycarbonat (PC), Polysulfon (PSU), Polymethylmethacrylat (PMMA), Cycloolefines Copolymer (COC) oder Polyoxymethylen (POM) für das Werkstück sowie PSU für die erste Platte und andererseits PSU, PC, PMMA oder COC für das Werkstück sowie Polyetheretherketon (PEEK) oder Flüssigkristalline Polymere (LCP) für die erste Platte. LCP und PEEK sind hart, spröde und hochtemperaturbeständig, damit besonders formstabil und als Schneidplatte besonders geeignet. PSU ist zwar ebenfalls vergleichsweise temperaturbeständig, wenn auch nicht so wie LCP und PEEK, ist aber im Vergleich zu diesen duktiler und nicht so spröde. Es eignet sich daher ebenfalls als Schneidplatte. Grundsätzlich eignen sich, wenn auch aufgrund der Materialeigenschaften nicht so gut, aber auch PC und COC als Schneiplattenmaterial.

2a und b geben Gestaltungsoptionen für weitere Ausführungsbeispiele wieder. Beide Figuren repräsentieren einen Verfahrenszustand entsprechend der 1a, d.h. vor dem Einprägen von Strukturen in die erste Platte. Um die Standfestigkeit der Schneidplatte (strukturierte erste Platte) auch für vorgenannte vielfach aufeinander folgende Stanzvorgänge zu verbessern, ist es vorteilhaft, die erste Platte in den unstrukturierten Bereichen mit Einlegestrukturen 13 zu verstärken, wobei diese insbesondere im Rahmen einer Serienfertigung an das Werkzeug 3 und die eingeprägten Strukturen 6 anpassbar ist (Vgl. 2a). Vorzugsweise sind diese Einlegstrukturen aus einem fleißfesten Material wie z.B. ein Metall. Hierdurch wird in vorteilhafter Weise eine grundsätzlich bei einem thermoplastischen Material der ersten Platte vorhandene Fließneigung erheblich behindert und damit die Formstabilität der Schneidplatte verbessert. Alternativ oder ergänzend ist ein Nachgeben der strukturierten ersten Platte durch Fließen oder sonstiger plastischer Verformung auch durch einen steifen Ringzuganker 14 als Rahmen für die Platte insgesamt reduzierbar (vgl. 2b).

2b gibt auch Ausführungsvarianten für eine vereinfachte Entfernung der ausgestanzten Werkstücksegmente in einer Auswurfbewegung wieder (vgl. 1g). Hohlstempel, vorzugsweise beheizt, realisiert durch Bohrungen 15 im Stempel 17 des Stanzwerkzeugs, ermöglichen ein Absaugen von ausgestanzten Werkstücksegmenten, die durch die Erwärmung auf die Erweichungstemperatur T2 oder darüber noch plastische Eigenschaften aufweisen. Alternativ lassen sich durch Aussparungen 16 in der Substratplatte 2 pneumatische oder mechanische Auswurfmechanismen für die Auswurfbewegung von unten an die erste Platte ansetzen, wobei die Platzierung der Aussparungen auf der Substratplatte vorzugsweise an die Stempelpositionen auf dem Werkzeug 3 angeglichen sind (vgl. 2b)

1
erste Platte
2
Substratplatte
3
Prägewerkzeug
4
Eindrückbewegung
5
Hub
6
Einschiebebewegung
7
thermoplastische Komponente
8
Komponente
9
Werkstücksegmente
10
Durchgangsöffnung
11
Entnahmebewegung
12
Auswurfbewegung
13
Einlegestruktur
14
Ringzuganker
15
Bohrung
16
Aussparung
17
Stempel


Anspruch[de]
Verfahren zur Herstellung von Durchgangsöffnungen in thermoplastischen Komponenten, umfassend die folgenden Verfahrensschritte:

a) Flächiges Auflegen einer ersten thermoplastischen Platte (1) mit einer ersten Erweichungstemperatur T1 auf eine Substratplatte (2),

b) Eindrücken eines mit einer Temperatur oberhalb T1 temperierten Werkzeugs (3) in die erste thermoplastische Platte, wobei in dieser sich Strukturen (6) mit Strukturhöhen H1 bilden,

c) Abheben des Werkzeugs,

d) Auflegen eines thermoplastischen Werkstücks (8) mit einer zweiten Erweichungstemperatur T2 kleiner T1 und mit einer Dicke D2 kleiner H1 auf die zuvor unter T2 abgekühlten Strukturen,

e) Erneutes Eindrücken des mit einer Temperatur kleiner T2 temperierten Werkzeugs unter Bildung von Durchgangsöffnungen durch das Werkstück hindurch in die Strukturen, wobei ausgestanzte Werkstücksegmente (9) des Werkstücks mit dem Werkzeug in Vertiefungen der Strukturen hineingedrückt werden,

f) Abheben des Werkzeugs (3) vom Werkstück (8) sowie

g) Entnahme des thermoplastischen Werkstücks (8) mit den Durchgangsöffnungen.
Verfahren nach Anspruch 1, umfassend die folgenden nachgeschalteten Verfahrensschritte:

h) Entfernung der ausgestanzten Werkstücksegmente (9) aus den Strukturen (6) sowie

i) Einmaliges oder mehrmaliges Wiederholen der Schritte d) bis h) ohne Austausch der ersten thermoplastischen Platte (1) mit den Strukturen (6) und unter Verwendung jeweils eines anderen Werkstücks (8) bei jeder Wiederholung.
Verfahren nach Anspruch 2, wobei das Entfernen der Werkstücksegmente (9) aus den Strukturen (6) durch Druckluft oder durch Anschmelzen oder Verschmelzen der Werkstücksegmente an einen Festkörper erfolgt. Verfahren nach Anspruch 3, wobei der Festkörper durch Stempel (17) oder durch eine Zwischenschicht zwischen der thermoplastischen Platte (1) und dem Werkzeug (3) gebildet ist. Verfahren nach einem der vorgenannten Ansprüche 1 bis 4, wobei das Werkstück (8) aus einem Polycarbonat (PC), Polysulfon (PSU), Polymethylmethacrylat (PMMA), Cycloolefines Copolymer (COC) oder Polyoxymethylen (POM) sowie die erste Platte (1) aus Polysulfon (PSU) besteht. Verfahren nach einem der vorgenannten Ansprüche 1 bis 4, wobei das Werkstück (8) aus einem Polysulfon (PSU), Polycarbonat (PC), Polymethylmethacrylat (PMMA) oder Cycloolefines Copolymer (COC) sowie die erste Platte (1) aus Polyetheretherketon (PEEK) oder Flüssigkristallinen Polymeren (LCP) besteht. Verfahren nach einem der vorgenannten Ansprüche, wobei das Werkstück (8) im Bereich der Durchgangsöffnungen auf beiden Seiten eine ebene Oberfläche aufweist. Verfahren nach einem der vorgenannten Ansprüche, wobei das Werkstück (8) ein platten- oder folienförmiges Bauteil ist.






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