{"id":{"repo_id":"freiburg-diss","oai_identifier":"oai:freidok.uni-freiburg.de:2087"},"canonical_url":"https://search.dev.ndltd.org/etd/freiburg-diss/oai:freidok.uni-freiburg.de:2087","repository":{"repo_id":"freiburg-diss","name":"University of Freiburg","base_url":"https://freidok.uni-freiburg.de/oai/oai2.php"},"display":{"title":"Verfahrensentwicklungen beim Mehrkomponenten-Spritzgießen zur Herstellung von keramischen und metallischen Mikrobauteilen","abstract":"Miniaturisierung, Mikrosystemtechnik und Nanotechnologie sind in aller Munde. Der Wettlauf zu Bauteilen und Baugruppen mit immer kleineren Abmessungen ist in vollem Gang. Interessante Anwendungen in der Automobil-, Elektro-, Medizin- und Verfahrenstechnik existieren bereits - weitere innovative Applikationen werden erwartet. Vorteile liegen vor allem in den kleinen Abmessungen, dem geringen Gewicht, der Energie- und Materialeinsparung, so dass weiteres Wachstum für die Mikrosystemtechnik zu erwarten ist.
Die Mikrosystemtechnik hat den Sprung von der Forschung in die industrielle Umsetzung vielfach geschafft. Häufig ist hierzu ein nicht unerheblicher Aufwand für die Material- und Prozessentwicklung erforderlich. Um das Potenzial der Mikrosystemtechnik auszuschöpfen, besteht dringender Bedarf an der Erforschung und Entwicklung neuer Werkstoffe und Fertigungsverfahren.
Das Spritzgießen mit seiner hohen Serientauglichkeit und den vielseitigen Anwendungsmöglichkeiten stellt ein Verfahren dar, das vor allem im Bereich der Thermoplastverarbeitung in der Industrie eine breite Akzeptanz besitzt. Innovationen können daher schnell in die industrielle Umsetzung überführt werden. Es erlaubt die Verarbeitung unterschiedlichster Werkstoffe. Neben Thermoplasten können keramische und metallische Werkstoffe durch das Pulverspritzgießen verarbeitet werden. Mit ihrer charakteristischen hohen chemischen und thermischen Resistenz eignen sich Keramiken vor allem für Anwendungen in der Verfahrenstechnik.
Multifunktionalität wird durch die Kombination unterschiedlicher Werkstoffe in einem Bauteil durch das Mehrkomponenten-Spritzgießen erreicht. Neben der Geometrie können weitere Funktionen wie z.B. Abdichtung, bewegliche Elemente, Einfärbung, Leitung von elektrischem Strom, u.v.m. ausgeführt werden. Fertigungs- bzw. Montageschritte können eingespart und ein hoher Automatisierungsgrad erzielt werden. Des Weiteren erlaubt das Spritzgießen die endkonturnahe Formgebung von komplexen Geometrien bis hinab zu Mikrodimensionen [1]. Wird das Zweikomponenten-Spritzgießen in Mikrodimensionen betrieben, so können multifunktionale Mikrobauteile mit hoher Integrationsdichte hergestellt werden.
Bei den zwei erarbeiteten Verfahrensentwicklungen, sollen die Vorteile des Zweikomponenten-Spritzgießens in Mikrodimensionen gezielt genutzt werden:
1. Zweikomponenten-Pulverspritzgießen
Das 2K-PIM (two-component powder injection moulding) ermöglicht die Herstellung keramischer oder metallischer Klein- oder Mikrobauteile. Diese Arbeiten wurden im Rahmen eines BMBF-Institutverbundprojektes (Förderkennzeichen: 03 N 1080 A-B) in Zusammenarbeit mit dem IFAM (Fraunhofer Institut für Fertigungstechnik und angewandte Materialforschung, Bremen) durchgeführt. Dabei hat das IFAM den Bereich der Herstellung metallischer 2K-Mikrobauteile übernommen.
Die Sonderverfahren Zweikomponenten-, Mikro- und Pulverspritzgießen stellen jedes für sich Technologien mit besonderen Anforderungen dar. In dieser Arbeit sollen diese Verfahren miteinander kombiniert werden und als Demonstrator ein keramisches, korrosionsbeständiges, miniaturisiertes Heizelement mit partiell unterschiedlichen elektrischen Leitfähigkeiten hergestellt werden. Hierzu wurden keramische Feedstocks mit unterschiedlichen Werkstoffeigenschaften durch Variation der Mischungsanteile entwickelt. Der keramischen Matrix Aluminiumoxid wird als elektrisch leitfähige Komponente Titannitrid zugemischt. Die Formgebung erfolgt durch das Zweikomponenten-Spritzgießen. Nach dem Entbindern und Sintern entsteht ein kompaktes Bauteil.
2. Zweikomponenten-Thermoplast-Spritzgießen für die galvanische Replikation
Der Durchbruch in der Mikrosystemtechnik mit dreidimensionalen Bauteilen aus Keramiken, Metallen und Polymeren gelang am Forschungszentrum Karlsruhe mit der Entwicklung der LIGA-Technik, bei der Formeinsätze durch Röntgentiefenlithographie und Galvanoformung gefertigt werden. Es konnten in der Vergangenheit zahlreiche Mikrosysteme durch Kombination von Mikrofertigungsverfahren hergestellt werden, z.B. Beschleunigungssensoren, Mikropumpen, -spektrometer oder -ventile [2, 3]. Durch Spritzgießen können LIGA-Formeinsätze abgeformt und eine große Stückzahl an Mikrobauteilen gewonnen werden. Jedoch beschränken sich die derzeitigen Replikationsverfahren zumeist auf Polymere. Für Keramiken und Metalle etablieren sich zunehmend Verfahren wie das Pulverspritzgießen. Aufgrund der hohen Abrasion beim Abformen von hochwertigen Formeinsätzen mit pulvergefüllten Formmassen weisen die Formeinsätze gemessen am makroskopischen Industriestandard nur geringe Standzeiten auf. Aufgrund des Herstellungsaufwands für LIGA-Formeinsätze wäre es wünschenswert, diese durch ein schonendes Replikationsverfahren preisgünstig zu vervielfältigen.
Des Weiteren soll der Mangel an großserientauglichen Herstellungsverfahren für hochwertige metallische Mikrobauteile verringert werden, die ansonsten nur durch konventionelle, mechanische Einzelteilfertigung oder durch Lithographieverfahren und nachfolgende Galvanoformung erzeugt werden.
Eine perfekte galvanische Invertierung erfordert elektrisch leitfähige Oberflächen. Für Oberflächen mit niedrigem Aspektverhältnis eignen sich Beschichtungsverfahren wie z.B. Sputtern oder stromloses Beschichten. Auch die Herstellung der Primärstrukturen aus leitfähigen Polymeren hat sich bewährt.
Mit zunehmenden Aspektverhältnissen führt eine gleichförmige elektrisch leitfähige Oberfläche jedoch zu erheblichen Problemen. So tritt bei gleichmäßigem Aufwachsen von galvanisch abgeschiedenen Schichten in tiefen und schmalen Gräben ein Zuwachsen der Strukturen auf und Hohlräume verbleiben in den abgeschiedenen Strukturen. Auf Polymerstrukturen mit einem Leitfähigkeitsgradienten wachsen die galvanisch abgeschiedenen Schichten hingegen vornehmlich in Bereichen hoher Leitfähigkeit auf. Folglich sind höhere Leitfähigkeiten in tieferen Bereichen der polymeren Mikrostrukturen vorzusehen.
Der gewählte Lösungsansatz hierfür beruht auf dem Zweikomponenten-Spritzgießen, mit Hilfe dessen verlorene Formen für die anschließende Galvanoformung zur Verfügung gestellt werden. Somit wird das Urmodell in eine negative 2K-Kunststoffform und schließlich wieder in eine metallische Positivform umgewandelt. Für diesen wiederholten Kopiervorgang wurde der Begriff galvanische Replikation gewählt. Neben LIGA-Formeinsätzen können auch erodierte oder gefräste Strukturen reproduziert werden.
Durch die galvanische Replikation auf Vorformen, die durch das 2K-TIM (two-component thermoplastic injection moulding) erzeugt werden, sollen metallische Klein- oder Mikrobauteile hergestellt werden. Neben der Zeitersparnis bei der Formeinsatzfertigung ist ein weiterer Vorteil der galvanischen Replikation die hohe Abformtreue der Einzelschritte, die eine hohe Qualität der Replikate erwarten lässt. Die galvanische Replikation polymerer Mikrostrukturen ist ein Verfahren zur Herstellung hochpräziser metallischer Mikrokomponenten mit exzellenten Oberflächenqualitäten. Dies gilt insbesondere für nach dem LIGA-Verfahren hergestellte Polymerstrukturen. Als Probestruktur wurde ein UV LIGA-Formeinsatz mit einer Zahnradstruktur sowie ein gefräster Formeinsatz mit Versuchsstrukturen ausgewählt, aus denen durch galvanische Replikation z.B. vereinzelte metallische Zahnräder gewonnen werden.
Die vorgestellte Verfahrensentwicklung zur galvanischen Replikation mit dem Ziel der serienmäßigen Reproduktion von Mikrostrukturen beruht auf einer Patentanmeldung des Forschungszentrums Karlsruhe [4]. Prinzipiell sind auch keramische Mikroteile durch elektrophoretische Abscheidung in 2K-Kunststoffformen denkbar.
Ziel der Arbeit ist es, die Werkzeug- und formgebende Prozesstechnik zum Zweikomponenten-Spritzgießen für dreidimensionale keramische Mikrobauteile bzw. für mikrostrukturierte thermoplastische verlorene Formen zu entwickeln.
Angesichts der Besonderheiten der beiden vorgestellten Verfahren ist es erforderlich, die zu verarbeitenden Materialien und die Prozessabläufe intensiv zu erforschen. Geeignete Prozesskenngrößen sind zu identifizieren. Die Materialien, die maßgeblichen Einflussfaktoren des Spritzgießens und ausgewählte Qualitätsmerkmale der Bauteile sind ausgiebig zu untersuchen. Die Ergebnisse der Untersuchungen sind Grundlage für die Werkzeugauslegung und Prozessoptimierungen, um auch zukünftig einen erfolgreichen Einsatz der vorgestellten Techniken zu ermöglichen.
Die Verbundfestigkeit ist für die Qualität von 2K-Bauteilen von entscheidender Bedeutung. Daher ist diese eingehend an Probekörpern zu untersuchen. Die Auswahl einer geeigneten Materialkombination, die Berücksichtigung der Verbundflächengeometrie sowie die Prozessbedingungen während des Fügens spielen für einen guten Zusammenhalt der 2K Bauteile eine entscheidende Rolle.
Um aussagekräftige Erkenntnisse der neuartigen Verfahren zu sammeln, mit dem Ziel, die Technologien zu etablieren und die gewonnenen Erfahrungen vorteilhaft anzuwenden, sind umfassende Untersuchungen aller Prozessschritte und deren Resultate durchzuführen.","abstract_html":"Miniaturisierung, Mikrosystemtechnik und Nanotechnologie sind in aller Munde. Der Wettlauf zu Bauteilen und Baugruppen mit immer kleineren Abmessungen ist in vollem Gang. Interessante Anwendungen in der Automobil-, Elektro-, Medizin- und Verfahrenstechnik existieren bereits - weitere innovative Applikationen werden erwartet. Vorteile liegen vor allem in den kleinen Abmessungen, dem geringen Gewicht, der Energie- und Materialeinsparung, so dass weiteres Wachstum für die Mikrosystemtechnik zu erwarten ist. <br>Die Mikrosystemtechnik hat den Sprung von der Forschung in die industrielle Umsetzung vielfach geschafft. Häufig ist hierzu ein nicht unerheblicher Aufwand für die Material- und Prozessentwicklung erforderlich. Um das Potenzial der Mikrosystemtechnik auszuschöpfen, besteht dringender Bedarf an der Erforschung und Entwicklung neuer Werkstoffe und Fertigungsverfahren. <br>Das Spritzgießen mit seiner hohen Serientauglichkeit und den vielseitigen Anwendungsmöglichkeiten stellt ein Verfahren dar, das vor allem im Bereich der Thermoplastverarbeitung in der Industrie eine breite Akzeptanz besitzt. Innovationen können daher schnell in die industrielle Umsetzung überführt werden. Es erlaubt die Verarbeitung unterschiedlichster Werkstoffe. Neben Thermoplasten können keramische und metallische Werkstoffe durch das Pulverspritzgießen verarbeitet werden. Mit ihrer charakteristischen hohen chemischen und thermischen Resistenz eignen sich Keramiken vor allem für Anwendungen in der Verfahrenstechnik. <br>Multifunktionalität wird durch die Kombination unterschiedlicher Werkstoffe in einem Bauteil durch das Mehrkomponenten-Spritzgießen erreicht. Neben der Geometrie können weitere Funktionen wie z.B. Abdichtung, bewegliche Elemente, Einfärbung, Leitung von elektrischem Strom, u.v.m. ausgeführt werden. Fertigungs- bzw. Montageschritte können eingespart und ein hoher Automatisierungsgrad erzielt werden. Des Weiteren erlaubt das Spritzgießen die endkonturnahe Formgebung von komplexen Geometrien bis hinab zu Mikrodimensionen [1]. Wird das Zweikomponenten-Spritzgießen in Mikrodimensionen betrieben, so können multifunktionale Mikrobauteile mit hoher Integrationsdichte hergestellt werden. <br>Bei den zwei erarbeiteten Verfahrensentwicklungen, sollen die Vorteile des Zweikomponenten-Spritzgießens in Mikrodimensionen gezielt genutzt werden: <br>1. Zweikomponenten-Pulverspritzgießen <br>Das 2K-PIM (two-component powder injection moulding) ermöglicht die Herstellung keramischer oder metallischer Klein- oder Mikrobauteile. Diese Arbeiten wurden im Rahmen eines BMBF-Institutverbundprojektes (Förderkennzeichen: 03 N 1080 A-B) in Zusammenarbeit mit dem IFAM (Fraunhofer Institut für Fertigungstechnik und angewandte Materialforschung, Bremen) durchgeführt. Dabei hat das IFAM den Bereich der Herstellung metallischer 2K-Mikrobauteile übernommen. <br>Die Sonderverfahren Zweikomponenten-, Mikro- und Pulverspritzgießen stellen jedes für sich Technologien mit besonderen Anforderungen dar. In dieser Arbeit sollen diese Verfahren miteinander kombiniert werden und als Demonstrator ein keramisches, korrosionsbeständiges, miniaturisiertes Heizelement mit partiell unterschiedlichen elektrischen Leitfähigkeiten hergestellt werden. Hierzu wurden keramische Feedstocks mit unterschiedlichen Werkstoffeigenschaften durch Variation der Mischungsanteile entwickelt. Der keramischen Matrix Aluminiumoxid wird als elektrisch leitfähige Komponente Titannitrid zugemischt. Die Formgebung erfolgt durch das Zweikomponenten-Spritzgießen. Nach dem Entbindern und Sintern entsteht ein kompaktes Bauteil. <br>2. Zweikomponenten-Thermoplast-Spritzgießen für die galvanische Replikation <br>Der Durchbruch in der Mikrosystemtechnik mit dreidimensionalen Bauteilen aus Keramiken, Metallen und Polymeren gelang am Forschungszentrum Karlsruhe mit der Entwicklung der LIGA-Technik, bei der Formeinsätze durch Röntgentiefenlithographie und Galvanoformung gefertigt werden. Es konnten in der Vergangenheit zahlreiche Mikrosysteme durch Kombination von Mikrofertigungsverfahren hergestellt werden, z.B. Beschleunigungssensoren, Mikropumpen, -spektrometer oder -ventile [2, 3]. Durch Spritzgießen können LIGA-Formeinsätze abgeformt und eine große Stückzahl an Mikrobauteilen gewonnen werden. Jedoch beschränken sich die derzeitigen Replikationsverfahren zumeist auf Polymere. Für Keramiken und Metalle etablieren sich zunehmend Verfahren wie das Pulverspritzgießen. Aufgrund der hohen Abrasion beim Abformen von hochwertigen Formeinsätzen mit pulvergefüllten Formmassen weisen die Formeinsätze gemessen am makroskopischen Industriestandard nur geringe Standzeiten auf. Aufgrund des Herstellungsaufwands für LIGA-Formeinsätze wäre es wünschenswert, diese durch ein schonendes Replikationsverfahren preisgünstig zu vervielfältigen. <br>Des Weiteren soll der Mangel an großserientauglichen Herstellungsverfahren für hochwertige metallische Mikrobauteile verringert werden, die ansonsten nur durch konventionelle, mechanische Einzelteilfertigung oder durch Lithographieverfahren und nachfolgende Galvanoformung erzeugt werden. <br>Eine perfekte galvanische Invertierung erfordert elektrisch leitfähige Oberflächen. Für Oberflächen mit niedrigem Aspektverhältnis eignen sich Beschichtungsverfahren wie z.B. Sputtern oder stromloses Beschichten. Auch die Herstellung der Primärstrukturen aus leitfähigen Polymeren hat sich bewährt. <br>Mit zunehmenden Aspektverhältnissen führt eine gleichförmige elektrisch leitfähige Oberfläche jedoch zu erheblichen Problemen. So tritt bei gleichmäßigem Aufwachsen von galvanisch abgeschiedenen Schichten in tiefen und schmalen Gräben ein Zuwachsen der Strukturen auf und Hohlräume verbleiben in den abgeschiedenen Strukturen. Auf Polymerstrukturen mit einem Leitfähigkeitsgradienten wachsen die galvanisch abgeschiedenen Schichten hingegen vornehmlich in Bereichen hoher Leitfähigkeit auf. Folglich sind höhere Leitfähigkeiten in tieferen Bereichen der polymeren Mikrostrukturen vorzusehen. <br>Der gewählte Lösungsansatz hierfür beruht auf dem Zweikomponenten-Spritzgießen, mit Hilfe dessen verlorene Formen für die anschließende Galvanoformung zur Verfügung gestellt werden. Somit wird das Urmodell in eine negative 2K-Kunststoffform und schließlich wieder in eine metallische Positivform umgewandelt. Für diesen wiederholten Kopiervorgang wurde der Begriff galvanische Replikation gewählt. Neben LIGA-Formeinsätzen können auch erodierte oder gefräste Strukturen reproduziert werden. <br>Durch die galvanische Replikation auf Vorformen, die durch das 2K-TIM (two-component thermoplastic injection moulding) erzeugt werden, sollen metallische Klein- oder Mikrobauteile hergestellt werden. Neben der Zeitersparnis bei der Formeinsatzfertigung ist ein weiterer Vorteil der galvanischen Replikation die hohe Abformtreue der Einzelschritte, die eine hohe Qualität der Replikate erwarten lässt. Die galvanische Replikation polymerer Mikrostrukturen ist ein Verfahren zur Herstellung hochpräziser metallischer Mikrokomponenten mit exzellenten Oberflächenqualitäten. Dies gilt insbesondere für nach dem LIGA-Verfahren hergestellte Polymerstrukturen. Als Probestruktur wurde ein UV LIGA-Formeinsatz mit einer Zahnradstruktur sowie ein gefräster Formeinsatz mit Versuchsstrukturen ausgewählt, aus denen durch galvanische Replikation z.B. vereinzelte metallische Zahnräder gewonnen werden. <br>Die vorgestellte Verfahrensentwicklung zur galvanischen Replikation mit dem Ziel der serienmäßigen Reproduktion von Mikrostrukturen beruht auf einer Patentanmeldung des Forschungszentrums Karlsruhe [4]. Prinzipiell sind auch keramische Mikroteile durch elektrophoretische Abscheidung in 2K-Kunststoffformen denkbar. <br>Ziel der Arbeit ist es, die Werkzeug- und formgebende Prozesstechnik zum Zweikomponenten-Spritzgießen für dreidimensionale keramische Mikrobauteile bzw. für mikrostrukturierte thermoplastische verlorene Formen zu entwickeln. <br>Angesichts der Besonderheiten der beiden vorgestellten Verfahren ist es erforderlich, die zu verarbeitenden Materialien und die Prozessabläufe intensiv zu erforschen. Geeignete Prozesskenngrößen sind zu identifizieren. Die Materialien, die maßgeblichen Einflussfaktoren des Spritzgießens und ausgewählte Qualitätsmerkmale der Bauteile sind ausgiebig zu untersuchen. Die Ergebnisse der Untersuchungen sind Grundlage für die Werkzeugauslegung und Prozessoptimierungen, um auch zukünftig einen erfolgreichen Einsatz der vorgestellten Techniken zu ermöglichen. <br>Die Verbundfestigkeit ist für die Qualität von 2K-Bauteilen von entscheidender Bedeutung. Daher ist diese eingehend an Probekörpern zu untersuchen. Die Auswahl einer geeigneten Materialkombination, die Berücksichtigung der Verbundflächengeometrie sowie die Prozessbedingungen während des Fügens spielen für einen guten Zusammenhalt der 2K Bauteile eine entscheidende Rolle. <br>Um aussagekräftige Erkenntnisse der neuartigen Verfahren zu sammeln, mit dem Ziel, die Technologien zu etablieren und die gewonnenen Erfahrungen vorteilhaft anzuwenden, sind umfassende Untersuchungen aller Prozessschritte und deren Resultate durchzuführen.","abstract_has_math":false,"creators":["Finnah, Guido"],"institution":null,"degree_name":null,"degree_level":null,"degree_discipline":null,"degree_department":null,"school":null,"contributors":["Haußelt, Jürgen"],"advisors":[],"committee_chairs":[],"committee_members":[],"year":null,"date_issued":"","date_published":null,"updated_at":"2026-07-24T02:22:33Z","subjects":["Mehrkomponenten-Spritzgießen","Pulverspritzgießen","Galvanoformung","two-component injection moulding","powder injection moulding","electroplating"],"languages":[],"rights":[],"rights_urls":[],"identifier_entries":[]},"links":{"outbound_url":"https://freidok.uni-freiburg.de/data/2087","outbound_label":"Repository record","outbound_source":"source_url"},"metadata_groups":[{"id":"people","label":"People","entries":[{"key":"dc:contributor","label":"Contributor","values":["Haußelt, Jürgen"]},{"key":"dc:creator","label":"Author","values":["Finnah, Guido"]}]},{"id":"academic_context","label":"Academic Context","entries":[{"key":"dc:type","label":"Dc Type","values":["DoctoralThesis"]}]},{"id":"subjects_keywords","label":"Subjects and Keywords","entries":[{"key":"dc:subject","label":"Dc Subject","values":["Mehrkomponenten-Spritzgießen","Pulverspritzgießen","Galvanoformung","two-component injection moulding","powder injection moulding","electroplating"]}]},{"id":"additional","label":"Additional Metadata","entries":[{"key":"dc:description.abstract","label":"Abstract","values":["Miniaturisierung, Mikrosystemtechnik und Nanotechnologie sind in aller Munde. 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Die Mikrosystemtechnik hat den Sprung von der Forschung in die industrielle Umsetzung vielfach geschafft. Häufig ist hierzu ein nicht unerheblicher Aufwand für die Material- und Prozessentwicklung erforderlich. Um das Potenzial der Mikrosystemtechnik auszuschöpfen, besteht dringender Bedarf an der Erforschung und Entwicklung neuer Werkstoffe und Fertigungsverfahren.
Das Spritzgießen mit seiner hohen Serientauglichkeit und den vielseitigen Anwendungsmöglichkeiten stellt ein Verfahren dar, das vor allem im Bereich der Thermoplastverarbeitung in der Industrie eine breite Akzeptanz besitzt. Innovationen können daher schnell in die industrielle Umsetzung überführt werden. Es erlaubt die Verarbeitung unterschiedlichster Werkstoffe. Neben Thermoplasten können keramische und metallische Werkstoffe durch das Pulverspritzgießen verarbeitet werden. Mit ihrer charakteristischen hohen chemischen und thermischen Resistenz eignen sich Keramiken vor allem für Anwendungen in der Verfahrenstechnik.
Multifunktionalität wird durch die Kombination unterschiedlicher Werkstoffe in einem Bauteil durch das Mehrkomponenten-Spritzgießen erreicht. Neben der Geometrie können weitere Funktionen wie z.B. Abdichtung, bewegliche Elemente, Einfärbung, Leitung von elektrischem Strom, u.v.m. ausgeführt werden. Fertigungs- bzw. Montageschritte können eingespart und ein hoher Automatisierungsgrad erzielt werden. Des Weiteren erlaubt das Spritzgießen die endkonturnahe Formgebung von komplexen Geometrien bis hinab zu Mikrodimensionen [1]. Wird das Zweikomponenten-Spritzgießen in Mikrodimensionen betrieben, so können multifunktionale Mikrobauteile mit hoher Integrationsdichte hergestellt werden.
Bei den zwei erarbeiteten Verfahrensentwicklungen, sollen die Vorteile des Zweikomponenten-Spritzgießens in Mikrodimensionen gezielt genutzt werden:
1. Zweikomponenten-Pulverspritzgießen
Das 2K-PIM (two-component powder injection moulding) ermöglicht die Herstellung keramischer oder metallischer Klein- oder Mikrobauteile. Diese Arbeiten wurden im Rahmen eines BMBF-Institutverbundprojektes (Förderkennzeichen: 03 N 1080 A-B) in Zusammenarbeit mit dem IFAM (Fraunhofer Institut für Fertigungstechnik und angewandte Materialforschung, Bremen) durchgeführt. Dabei hat das IFAM den Bereich der Herstellung metallischer 2K-Mikrobauteile übernommen.
Die Sonderverfahren Zweikomponenten-, Mikro- und Pulverspritzgießen stellen jedes für sich Technologien mit besonderen Anforderungen dar. In dieser Arbeit sollen diese Verfahren miteinander kombiniert werden und als Demonstrator ein keramisches, korrosionsbeständiges, miniaturisiertes Heizelement mit partiell unterschiedlichen elektrischen Leitfähigkeiten hergestellt werden. Hierzu wurden keramische Feedstocks mit unterschiedlichen Werkstoffeigenschaften durch Variation der Mischungsanteile entwickelt. Der keramischen Matrix Aluminiumoxid wird als elektrisch leitfähige Komponente Titannitrid zugemischt. Die Formgebung erfolgt durch das Zweikomponenten-Spritzgießen. Nach dem Entbindern und Sintern entsteht ein kompaktes Bauteil.
2. Zweikomponenten-Thermoplast-Spritzgießen für die galvanische Replikation
Der Durchbruch in der Mikrosystemtechnik mit dreidimensionalen Bauteilen aus Keramiken, Metallen und Polymeren gelang am Forschungszentrum Karlsruhe mit der Entwicklung der LIGA-Technik, bei der Formeinsätze durch Röntgentiefenlithographie und Galvanoformung gefertigt werden. Es konnten in der Vergangenheit zahlreiche Mikrosysteme durch Kombination von Mikrofertigungsverfahren hergestellt werden, z.B. Beschleunigungssensoren, Mikropumpen, -spektrometer oder -ventile [2, 3]. Durch Spritzgießen können LIGA-Formeinsätze abgeformt und eine große Stückzahl an Mikrobauteilen gewonnen werden. Jedoch beschränken sich die derzeitigen Replikationsverfahren zumeist auf Polymere. Für Keramiken und Metalle etablieren sich zunehmend Verfahren wie das Pulverspritzgießen. Aufgrund der hohen Abrasion beim Abformen von hochwertigen Formeinsätzen mit pulvergefüllten Formmassen weisen die Formeinsätze gemessen am makroskopischen Industriestandard nur geringe Standzeiten auf. Aufgrund des Herstellungsaufwands für LIGA-Formeinsätze wäre es wünschenswert, diese durch ein schonendes Replikationsverfahren preisgünstig zu vervielfältigen.
Des Weiteren soll der Mangel an großserientauglichen Herstellungsverfahren für hochwertige metallische Mikrobauteile verringert werden, die ansonsten nur durch konventionelle, mechanische Einzelteilfertigung oder durch Lithographieverfahren und nachfolgende Galvanoformung erzeugt werden.
Eine perfekte galvanische Invertierung erfordert elektrisch leitfähige Oberflächen. Für Oberflächen mit niedrigem Aspektverhältnis eignen sich Beschichtungsverfahren wie z.B. Sputtern oder stromloses Beschichten. Auch die Herstellung der Primärstrukturen aus leitfähigen Polymeren hat sich bewährt.
Mit zunehmenden Aspektverhältnissen führt eine gleichförmige elektrisch leitfähige Oberfläche jedoch zu erheblichen Problemen. So tritt bei gleichmäßigem Aufwachsen von galvanisch abgeschiedenen Schichten in tiefen und schmalen Gräben ein Zuwachsen der Strukturen auf und Hohlräume verbleiben in den abgeschiedenen Strukturen. Auf Polymerstrukturen mit einem Leitfähigkeitsgradienten wachsen die galvanisch abgeschiedenen Schichten hingegen vornehmlich in Bereichen hoher Leitfähigkeit auf. Folglich sind höhere Leitfähigkeiten in tieferen Bereichen der polymeren Mikrostrukturen vorzusehen.
Der gewählte Lösungsansatz hierfür beruht auf dem Zweikomponenten-Spritzgießen, mit Hilfe dessen verlorene Formen für die anschließende Galvanoformung zur Verfügung gestellt werden. Somit wird das Urmodell in eine negative 2K-Kunststoffform und schließlich wieder in eine metallische Positivform umgewandelt. Für diesen wiederholten Kopiervorgang wurde der Begriff galvanische Replikation gewählt. Neben LIGA-Formeinsätzen können auch erodierte oder gefräste Strukturen reproduziert werden.
Durch die galvanische Replikation auf Vorformen, die durch das 2K-TIM (two-component thermoplastic injection moulding) erzeugt werden, sollen metallische Klein- oder Mikrobauteile hergestellt werden. Neben der Zeitersparnis bei der Formeinsatzfertigung ist ein weiterer Vorteil der galvanischen Replikation die hohe Abformtreue der Einzelschritte, die eine hohe Qualität der Replikate erwarten lässt. Die galvanische Replikation polymerer Mikrostrukturen ist ein Verfahren zur Herstellung hochpräziser metallischer Mikrokomponenten mit exzellenten Oberflächenqualitäten. Dies gilt insbesondere für nach dem LIGA-Verfahren hergestellte Polymerstrukturen. Als Probestruktur wurde ein UV LIGA-Formeinsatz mit einer Zahnradstruktur sowie ein gefräster Formeinsatz mit Versuchsstrukturen ausgewählt, aus denen durch galvanische Replikation z.B. vereinzelte metallische Zahnräder gewonnen werden.
Die vorgestellte Verfahrensentwicklung zur galvanischen Replikation mit dem Ziel der serienmäßigen Reproduktion von Mikrostrukturen beruht auf einer Patentanmeldung des Forschungszentrums Karlsruhe [4]. Prinzipiell sind auch keramische Mikroteile durch elektrophoretische Abscheidung in 2K-Kunststoffformen denkbar.
Ziel der Arbeit ist es, die Werkzeug- und formgebende Prozesstechnik zum Zweikomponenten-Spritzgießen für dreidimensionale keramische Mikrobauteile bzw. für mikrostrukturierte thermoplastische verlorene Formen zu entwickeln.
Angesichts der Besonderheiten der beiden vorgestellten Verfahren ist es erforderlich, die zu verarbeitenden Materialien und die Prozessabläufe intensiv zu erforschen. Geeignete Prozesskenngrößen sind zu identifizieren. Die Materialien, die maßgeblichen Einflussfaktoren des Spritzgießens und ausgewählte Qualitätsmerkmale der Bauteile sind ausgiebig zu untersuchen. Die Ergebnisse der Untersuchungen sind Grundlage für die Werkzeugauslegung und Prozessoptimierungen, um auch zukünftig einen erfolgreichen Einsatz der vorgestellten Techniken zu ermöglichen.
Die Verbundfestigkeit ist für die Qualität von 2K-Bauteilen von entscheidender Bedeutung. Daher ist diese eingehend an Probekörpern zu untersuchen. Die Auswahl einer geeigneten Materialkombination, die Berücksichtigung der Verbundflächengeometrie sowie die Prozessbedingungen während des Fügens spielen für einen guten Zusammenhalt der 2K Bauteile eine entscheidende Rolle.
Um aussagekräftige Erkenntnisse der neuartigen Verfahren zu sammeln, mit dem Ziel, die Technologien zu etablieren und die gewonnenen Erfahrungen vorteilhaft anzuwenden, sind umfassende Untersuchungen aller Prozessschritte und deren Resultate durchzuführen.","For the manufacturing of innovative microparts readjusted process developments are necessary and new materials have to be applied. The use of specific process combinations can originate new process chains, which do not only aim at higher product quality but above all offer savings potentials. The two introduced production techniques for ceramic or metallic microparts extend the variety of technologies and possess advantages founded on the process.
Two-component injection moulding allows economic mass production - extensive assembly steps are not applied. The high automation grade of injection moulding allows the manufacturing of parts with a complex designed applying sophisticated mould techniques.
For the simultaneous development of two processes for multi-component injection moulding the common ground and thematic overlaps are useful. Synergies result in particular from the technical realisation of the experimental equipment, the experimental implementation, the optimisation and the analysis of the parts. Parallels also exist for the choice of the components, which have to be joined, and the suitable process techniques for the bonding of a solid composite.
A defect-free bonding in micro dimensions was shown to be possible. Occurring stresses prove to be less critical in comparison to macroscopic bond interfaces. For large-area applications high weld-seam strength can be achieved by high compatibility of the material combination so that internal stresses, for instance induced by a different shrinkage, can be compensated. Adaptations of the sintering shrinkage by variation of the filling grade of the Feedstocks conduce to a stress-free bond.
On the one hand, microstructures of powder-filled moulding compounds with different physical properties can be manufactured by two-component injection moulding. A dense ceramic part with partial different electrical conductivity remains after the process steps of debinding and sintering.
On the other hand, fine microstructures can be shaped by two-component injection moulding so that the front surfaces of the microstructures are built up with a thermoplastic resin of high electrical conductivity and the flanks with a non-conductive material. The subsequent electro deposition and separation allow the manufacturing of metallic microparts.
The aims of miniaturization and function integration were achieved. It was possible to produce, among other things, heating elements of two different ceramic feedstocks and micro gearwheels of electrodeposited nickel.
First experiences of how microparts have to be manufactured by the process development have been gathered. Auxiliary means like, for example, flow simulation of injection moulding or insights of process optimisation by cause variables influencing the part quality can be considered to apply the new process technologies successfully."]},{"key":"dc:format.medium","label":"Dc Format Medium","values":["unknown"]},{"key":"dc:title","label":"Title","values":["Verfahrensentwicklungen beim Mehrkomponenten-Spritzgießen zur Herstellung von keramischen und metallischen Mikrobauteilen","Process developments for the manufacturing of ceramic or metallic microparts by two-component injection moulding"]}]}],"canonical_facts":{"dc:contributor":["Haußelt, Jürgen"],"dc:creator":["Finnah, Guido"],"dc:description.abstract":["Miniaturisierung, Mikrosystemtechnik und Nanotechnologie sind in aller Munde. Der Wettlauf zu Bauteilen und Baugruppen mit immer kleineren Abmessungen ist in vollem Gang. Interessante Anwendungen in der Automobil-, Elektro-, Medizin- und Verfahrenstechnik existieren bereits - weitere innovative Applikationen werden erwartet. Vorteile liegen vor allem in den kleinen Abmessungen, dem geringen Gewicht, der Energie- und Materialeinsparung, so dass weiteres Wachstum für die Mikrosystemtechnik zu erwarten ist.
Die Mikrosystemtechnik hat den Sprung von der Forschung in die industrielle Umsetzung vielfach geschafft. Häufig ist hierzu ein nicht unerheblicher Aufwand für die Material- und Prozessentwicklung erforderlich. Um das Potenzial der Mikrosystemtechnik auszuschöpfen, besteht dringender Bedarf an der Erforschung und Entwicklung neuer Werkstoffe und Fertigungsverfahren.
Das Spritzgießen mit seiner hohen Serientauglichkeit und den vielseitigen Anwendungsmöglichkeiten stellt ein Verfahren dar, das vor allem im Bereich der Thermoplastverarbeitung in der Industrie eine breite Akzeptanz besitzt. Innovationen können daher schnell in die industrielle Umsetzung überführt werden. Es erlaubt die Verarbeitung unterschiedlichster Werkstoffe. Neben Thermoplasten können keramische und metallische Werkstoffe durch das Pulverspritzgießen verarbeitet werden. Mit ihrer charakteristischen hohen chemischen und thermischen Resistenz eignen sich Keramiken vor allem für Anwendungen in der Verfahrenstechnik.
Multifunktionalität wird durch die Kombination unterschiedlicher Werkstoffe in einem Bauteil durch das Mehrkomponenten-Spritzgießen erreicht. Neben der Geometrie können weitere Funktionen wie z.B. Abdichtung, bewegliche Elemente, Einfärbung, Leitung von elektrischem Strom, u.v.m. ausgeführt werden. Fertigungs- bzw. Montageschritte können eingespart und ein hoher Automatisierungsgrad erzielt werden. Des Weiteren erlaubt das Spritzgießen die endkonturnahe Formgebung von komplexen Geometrien bis hinab zu Mikrodimensionen [1]. Wird das Zweikomponenten-Spritzgießen in Mikrodimensionen betrieben, so können multifunktionale Mikrobauteile mit hoher Integrationsdichte hergestellt werden.
Bei den zwei erarbeiteten Verfahrensentwicklungen, sollen die Vorteile des Zweikomponenten-Spritzgießens in Mikrodimensionen gezielt genutzt werden:
1. Zweikomponenten-Pulverspritzgießen
Das 2K-PIM (two-component powder injection moulding) ermöglicht die Herstellung keramischer oder metallischer Klein- oder Mikrobauteile. Diese Arbeiten wurden im Rahmen eines BMBF-Institutverbundprojektes (Förderkennzeichen: 03 N 1080 A-B) in Zusammenarbeit mit dem IFAM (Fraunhofer Institut für Fertigungstechnik und angewandte Materialforschung, Bremen) durchgeführt. Dabei hat das IFAM den Bereich der Herstellung metallischer 2K-Mikrobauteile übernommen.
Die Sonderverfahren Zweikomponenten-, Mikro- und Pulverspritzgießen stellen jedes für sich Technologien mit besonderen Anforderungen dar. In dieser Arbeit sollen diese Verfahren miteinander kombiniert werden und als Demonstrator ein keramisches, korrosionsbeständiges, miniaturisiertes Heizelement mit partiell unterschiedlichen elektrischen Leitfähigkeiten hergestellt werden. Hierzu wurden keramische Feedstocks mit unterschiedlichen Werkstoffeigenschaften durch Variation der Mischungsanteile entwickelt. Der keramischen Matrix Aluminiumoxid wird als elektrisch leitfähige Komponente Titannitrid zugemischt. Die Formgebung erfolgt durch das Zweikomponenten-Spritzgießen. Nach dem Entbindern und Sintern entsteht ein kompaktes Bauteil.
2. Zweikomponenten-Thermoplast-Spritzgießen für die galvanische Replikation
Der Durchbruch in der Mikrosystemtechnik mit dreidimensionalen Bauteilen aus Keramiken, Metallen und Polymeren gelang am Forschungszentrum Karlsruhe mit der Entwicklung der LIGA-Technik, bei der Formeinsätze durch Röntgentiefenlithographie und Galvanoformung gefertigt werden. Es konnten in der Vergangenheit zahlreiche Mikrosysteme durch Kombination von Mikrofertigungsverfahren hergestellt werden, z.B. Beschleunigungssensoren, Mikropumpen, -spektrometer oder -ventile [2, 3]. Durch Spritzgießen können LIGA-Formeinsätze abgeformt und eine große Stückzahl an Mikrobauteilen gewonnen werden. Jedoch beschränken sich die derzeitigen Replikationsverfahren zumeist auf Polymere. Für Keramiken und Metalle etablieren sich zunehmend Verfahren wie das Pulverspritzgießen. Aufgrund der hohen Abrasion beim Abformen von hochwertigen Formeinsätzen mit pulvergefüllten Formmassen weisen die Formeinsätze gemessen am makroskopischen Industriestandard nur geringe Standzeiten auf. Aufgrund des Herstellungsaufwands für LIGA-Formeinsätze wäre es wünschenswert, diese durch ein schonendes Replikationsverfahren preisgünstig zu vervielfältigen.
Des Weiteren soll der Mangel an großserientauglichen Herstellungsverfahren für hochwertige metallische Mikrobauteile verringert werden, die ansonsten nur durch konventionelle, mechanische Einzelteilfertigung oder durch Lithographieverfahren und nachfolgende Galvanoformung erzeugt werden.
Eine perfekte galvanische Invertierung erfordert elektrisch leitfähige Oberflächen. Für Oberflächen mit niedrigem Aspektverhältnis eignen sich Beschichtungsverfahren wie z.B. Sputtern oder stromloses Beschichten. Auch die Herstellung der Primärstrukturen aus leitfähigen Polymeren hat sich bewährt.
Mit zunehmenden Aspektverhältnissen führt eine gleichförmige elektrisch leitfähige Oberfläche jedoch zu erheblichen Problemen. So tritt bei gleichmäßigem Aufwachsen von galvanisch abgeschiedenen Schichten in tiefen und schmalen Gräben ein Zuwachsen der Strukturen auf und Hohlräume verbleiben in den abgeschiedenen Strukturen. Auf Polymerstrukturen mit einem Leitfähigkeitsgradienten wachsen die galvanisch abgeschiedenen Schichten hingegen vornehmlich in Bereichen hoher Leitfähigkeit auf. Folglich sind höhere Leitfähigkeiten in tieferen Bereichen der polymeren Mikrostrukturen vorzusehen.
Der gewählte Lösungsansatz hierfür beruht auf dem Zweikomponenten-Spritzgießen, mit Hilfe dessen verlorene Formen für die anschließende Galvanoformung zur Verfügung gestellt werden. Somit wird das Urmodell in eine negative 2K-Kunststoffform und schließlich wieder in eine metallische Positivform umgewandelt. Für diesen wiederholten Kopiervorgang wurde der Begriff galvanische Replikation gewählt. Neben LIGA-Formeinsätzen können auch erodierte oder gefräste Strukturen reproduziert werden.
Durch die galvanische Replikation auf Vorformen, die durch das 2K-TIM (two-component thermoplastic injection moulding) erzeugt werden, sollen metallische Klein- oder Mikrobauteile hergestellt werden. Neben der Zeitersparnis bei der Formeinsatzfertigung ist ein weiterer Vorteil der galvanischen Replikation die hohe Abformtreue der Einzelschritte, die eine hohe Qualität der Replikate erwarten lässt. Die galvanische Replikation polymerer Mikrostrukturen ist ein Verfahren zur Herstellung hochpräziser metallischer Mikrokomponenten mit exzellenten Oberflächenqualitäten. Dies gilt insbesondere für nach dem LIGA-Verfahren hergestellte Polymerstrukturen. Als Probestruktur wurde ein UV LIGA-Formeinsatz mit einer Zahnradstruktur sowie ein gefräster Formeinsatz mit Versuchsstrukturen ausgewählt, aus denen durch galvanische Replikation z.B. vereinzelte metallische Zahnräder gewonnen werden.
Die vorgestellte Verfahrensentwicklung zur galvanischen Replikation mit dem Ziel der serienmäßigen Reproduktion von Mikrostrukturen beruht auf einer Patentanmeldung des Forschungszentrums Karlsruhe [4]. Prinzipiell sind auch keramische Mikroteile durch elektrophoretische Abscheidung in 2K-Kunststoffformen denkbar.
Ziel der Arbeit ist es, die Werkzeug- und formgebende Prozesstechnik zum Zweikomponenten-Spritzgießen für dreidimensionale keramische Mikrobauteile bzw. für mikrostrukturierte thermoplastische verlorene Formen zu entwickeln.
Angesichts der Besonderheiten der beiden vorgestellten Verfahren ist es erforderlich, die zu verarbeitenden Materialien und die Prozessabläufe intensiv zu erforschen. Geeignete Prozesskenngrößen sind zu identifizieren. Die Materialien, die maßgeblichen Einflussfaktoren des Spritzgießens und ausgewählte Qualitätsmerkmale der Bauteile sind ausgiebig zu untersuchen. Die Ergebnisse der Untersuchungen sind Grundlage für die Werkzeugauslegung und Prozessoptimierungen, um auch zukünftig einen erfolgreichen Einsatz der vorgestellten Techniken zu ermöglichen.
Die Verbundfestigkeit ist für die Qualität von 2K-Bauteilen von entscheidender Bedeutung. Daher ist diese eingehend an Probekörpern zu untersuchen. Die Auswahl einer geeigneten Materialkombination, die Berücksichtigung der Verbundflächengeometrie sowie die Prozessbedingungen während des Fügens spielen für einen guten Zusammenhalt der 2K Bauteile eine entscheidende Rolle.
Um aussagekräftige Erkenntnisse der neuartigen Verfahren zu sammeln, mit dem Ziel, die Technologien zu etablieren und die gewonnenen Erfahrungen vorteilhaft anzuwenden, sind umfassende Untersuchungen aller Prozessschritte und deren Resultate durchzuführen.","For the manufacturing of innovative microparts readjusted process developments are necessary and new materials have to be applied. The use of specific process combinations can originate new process chains, which do not only aim at higher product quality but above all offer savings potentials. The two introduced production techniques for ceramic or metallic microparts extend the variety of technologies and possess advantages founded on the process.
Two-component injection moulding allows economic mass production - extensive assembly steps are not applied. The high automation grade of injection moulding allows the manufacturing of parts with a complex designed applying sophisticated mould techniques.
For the simultaneous development of two processes for multi-component injection moulding the common ground and thematic overlaps are useful. Synergies result in particular from the technical realisation of the experimental equipment, the experimental implementation, the optimisation and the analysis of the parts. Parallels also exist for the choice of the components, which have to be joined, and the suitable process techniques for the bonding of a solid composite.
A defect-free bonding in micro dimensions was shown to be possible. Occurring stresses prove to be less critical in comparison to macroscopic bond interfaces. For large-area applications high weld-seam strength can be achieved by high compatibility of the material combination so that internal stresses, for instance induced by a different shrinkage, can be compensated. Adaptations of the sintering shrinkage by variation of the filling grade of the Feedstocks conduce to a stress-free bond.
On the one hand, microstructures of powder-filled moulding compounds with different physical properties can be manufactured by two-component injection moulding. A dense ceramic part with partial different electrical conductivity remains after the process steps of debinding and sintering.
On the other hand, fine microstructures can be shaped by two-component injection moulding so that the front surfaces of the microstructures are built up with a thermoplastic resin of high electrical conductivity and the flanks with a non-conductive material. The subsequent electro deposition and separation allow the manufacturing of metallic microparts.
The aims of miniaturization and function integration were achieved. It was possible to produce, among other things, heating elements of two different ceramic feedstocks and micro gearwheels of electrodeposited nickel.
First experiences of how microparts have to be manufactured by the process development have been gathered. Auxiliary means like, for example, flow simulation of injection moulding or insights of process optimisation by cause variables influencing the part quality can be considered to apply the new process technologies successfully."],"dc:format.medium":["unknown"],"dc:subject":["Mehrkomponenten-Spritzgießen","Pulverspritzgießen","Galvanoformung","two-component injection moulding","powder injection moulding","electroplating"],"dc:title":["Verfahrensentwicklungen beim Mehrkomponenten-Spritzgießen zur Herstellung von keramischen und metallischen Mikrobauteilen","Process developments for the manufacturing of ceramic or metallic microparts by two-component injection moulding"],"dc:type":["DoctoralThesis"]},"updated_at":"2026-07-24T02:22:33Z"}