Verfahrensentwicklungen beim Mehrkomponenten-Spritzgießen zur Herstellung von keramischen und metallischen Mikrobauteilen

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.

Author dc:creator

• Finnah, Guido

Contributors dc:contributor

• Haußelt, Jürgen

• Mehrkomponenten-Spritzgießen
• Pulverspritzgießen
• Galvanoformung
• two-component injection moulding
• powder injection moulding
• electroplating

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