Forschungszentrum Karlsruhe - Wissenschaftliche Berichte - FZKA 6922

Analyse des Mikro-Heißprägeverfahrens

M. Worgull, M. Heckele, W. K. Schomburg

Zusammenfassung
Im Rahmen dieser Arbeit wurden der Heißprägeprozeß zur Herstellung von Mikrostrukturen analysiert, Wirkzusammenhänge aufgezeigt und daraus Verbesserungspotentiale für das Verfahren abgeleitet.

Da ein Simulationswerkzeug, das den Heißprägeprozeß beschreibt, nicht existiert, wurden die für eine Analyse notwendigen Simulationen mit zwei Simulationswerkzeugen durchgeführt. Der Umformvor-gang wurde aufgrund der Parallelen zum Spritzprägevorgang mit der kommerziellen Simulationssoft-ware MOLDFLOW MPI simuliert, das Entformverhalten wurde unter der FEM-Software ANSYS model-liert. Exemplarisch für die Untersuchungen wurde das Material PMMA Lucryl G77Q11 der Firma BASF verwendet. Der Schwerpunkt der theoretischen und praktischen Analysen bezog sich auf den Ent-formprozeß, da während dieses Prozeßschrittes die größte Gefahr der Zerstörung von Mikrostrukturen besteht. Auf der Basis von Simulationsmodellen wurden Parameterstudien durchgeführt, die es erlau-ben, Aussagen zu optimierten Prozeßparametern, insbesondere zur Reduzierung von Entformkräften, zu liefern.

Die Simulation mit MOLDFLOW MPI lieferte qualitative Ergebnisse zur Reduzierung der verfahrens-bedingt notwendigen Restschichtdicke, der typischen Druckverteilung innerhalb eines geprägten Formteils und daraus abgeleitet Aussagen zur Befüllung von Mikrokavitäten. Es zeigte sich, daß auf Grund der parabelförmigen Druckverteilung innerhalb eines typischen Formteils die Befüllung von Mikrokavitäten vom Zentrum des Formteils ausgeht. Die Druckverteilung bewirkt Schwindungsdiffe-renzen innerhalb der Restschicht und verursacht einen Verzug des Formteils. In der Simulation konnte gezeigt werden, daß sich der Verzug, hervorgerufen durch Schwindungsanisotropie, mit einfachen konstruktiven Maßnahmen reduzieren läßt.

Schwerpunkte der Arbeit bildeten die Simulation der prozeßspezifischen Eigenschaften des Heißprä-geverfahrens, wie typische Werkzeugverformung während des Prägens, Einfluß der Substrathaftung auf das Entformverhalten sowie der eigentliche Entformvorgang. Mit dem Ziel der Prozeßoptimierung wurde zusätzlich der Einfluß der Prozeßparameter und der Heißprägemaschine auf die Entformkräfte untersucht. Es wurde ein Modell erstellt, das es erlaubt, Prozeßparameter und Einflußgrößen zu vari-ieren, um damit die Bedingungen zu ermitteln, unter denen die Entformkräfte auf ein Minimum redu-ziert werden können. Voraussetzungen für die Beschreibung des Entformverhaltens waren die Cha-rakterisierung des verwendeten Materials durch die Thermoanalyse und die Erstellung eines viskoe-lastischen Materialmodells.

Auf der Basis der Simulation konnte das typische Entformverhalten einer freistehenden Mikrostruktur gezeigt werden, der Einfluß von Hinterschnitten bewertet und die Grenzen der Entformbarkeit ermittelt werden. Die Einflüsse der Prozeßparameter auf die Entformkräfte wurden im Rahmen von Parameter-studien ermittelt. Es zeigte sich, daß insbesondere die Umformtemperatur, die Entformtemperatur und die Restschichtdicke entscheidend die Entformkräfte und damit das Potential der Zerstörung der Mik-rostrukturen beeinflussen.

Mit den Ergebnissen der Simulation des Entformvorgangs konnte gezeigt werden, daß eine Randfixie-rung der Restschicht die Schwindung verringert und die Entformkräfte auf ca. 25 % reduziert. Im Rahmen der Arbeit wurden abschließend einzelne konstruktive Lösungsvorschläge zur Schwindungs-reduzierung aufgezeigt.

Analysis of the micro hot embossing process

Abstract
In the present dissertation, the hot embossing process for the fabrication of microstructures was ana-lyzed, relationships were identified, and improvement potentials of the process derived.

As a simulation tool describing the hot embossing process does not exist, the simulations required for analysis were carried out with two other simulation tools. Due to its parallels to injection compression molding, molding as such was simulated using the commercial simulation software MOLDFLOW MPI, while demolding was modeled with the FEM software ANSYS. The material used was PMMA Lucryl G77Q11 by BASF. Theoretical and practical analyses focused on the demolding process, as during this process step the risk of destroying microstructures is highest. Based on simulation models, pa-rameter studies were carried out to optimize process parameters and, in particular, to reduce demold-ing forces.

Simulation with MOLDFLOW MPI yielded qualitative results for the reduction of the residual layer thickness required for the process and the typical pressure distribution in the embossed part. Thus, conclusions could be drawn with respect to the filling of microcavities. It was found that due to the parabolic pressure distribution in a typical molded part, filling of the microcavities starts from the center of the part. Pressure distribution causes shrinkage differences in the residual layer and results in a distortion of the molded part. It was demonstrated by simulation that distortion caused by shrinkage anisotropy may be reduced by simple constructive measures.

Particular emphasis was put on the simulation of process-specific properties of the hot embossing process, such as typical deformation of the tool during embossing, influence of substrate adhesion on the demolding behavior, and actual demolding. To optimize the process, influence of the process pa-rameters and the hot embossing machine on the demolding forces was studied in addition. A model was generated, which allows to vary process parameters and influencing factors so as to determine the conditions, under which demolding forces can be reduced to a minimum. As prerequisites for the description of the demolding behavior, the material used was characterized by thermoanalysis and a viscoelastic material model was generated.

Simulation revealed the typical demolding behavior of a free microstructure, the influence of under-cuts, and the limits of demolding. The effect of the process parameters on the demolding forces was determined by parameter studies. The molding temperature, demolding temperature, and residual layer thickness turned out to have a decisive influence on the demolding forces and, hence, on the potential damage of the microstructures.

The results of demolding simulation demonstrated that shrinkage could be reduced and demolding forces decreased to about 25% by edge fixation of the residual layer. Based on the simulation results, practical solutions to reduce shrinkage were presented.

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