Forschungszentrum Karlsruhe - Wissenschaftliche Berichte – FZKA 7058

Werkzeugentwicklung für das Heißprägen beidseitig mikrostrukturierter Formteile

H. Dittrich, M. Heckele, W.K. Schomburg

Zusammenfassung
In der vorliegenden Arbeit wurde ein Werkzeug- und Verfahrenskonzept für das beidseitige Heißprägen mikrostrukturierter Formteile vorgestellt. Der Fokus der Untersuchung war dabei auf die Herstellung großflächiger beidseitig mikrostrukturierter Kunststoffsubstrate mit dünnen Restschichten gerichtet, wie sie für Anwendungen in der Mikrooptik und Mikrofluidik in Betracht kommen. Der Bedarf an Einwegkomponenten, zum Beispiel für mikrofluidische Analysechips, erforderte die Entwicklung eines kosteneffizienten Verfahrens mit kurzen Zykluszeiten.

Gegenstand des Werkzeug- und Verfahrenskonzepts war daher die Entwicklung geeigneter Mechanismen für die präzise Ausrichtung der Werkzeughälften, die defektfreie Entformung der großflächigen und in der Regel biegeweichen Formteile sowie die effiziente Temperierung der Werkzeuge zur Minimierung der Zykluszeiten.

Aufbauend auf der Untersuchung der prozesstechnologischen Anforderungen wurde ein Werkzeugaufbau entwickelt und realisiert, der aus zwei symmetrisch aufgebauten Werkzeughälften und einem Positioniertisch besteht. Die Werkzeughälften bestehen jeweils aus einem konstant temperierten Werkzeugrahmen, einem zyklisch temperierten Werkzeugeinsatz minimierter Masse sowie einem konstant temperierten Kühlblock. Der Werkzeugeinsatz wird während der Heizphase von dem Kühlblock thermisch getrennt, so dass kurze Aufheizzeiten erreicht werden. Während der Präge- und Abkühlphase wird der Werkzeugeinsatz mit dem Kühlblock thermisch gekoppelt, so dass ihm die Wärme schnell entzogen wird. Aufgrund der Zeitanteile für das Heizen und Kühlen des Werkzeugs im Prägeprozess, wird durch diese Maßnahme eine maßgebliche Verkürzung der Zykluszeit erzielt. Die Werkzeughälften verfügen darüber hinaus über Halbzeugspannplatten, welche das Halbzeug während des Erwärmungs- und Abkühlvorganges fixieren und somit Schrumpf und Schwindung verhindern. Mittels eines Entformantriebs können die Halbzeugspannplatten präzise und unabhängig von der Werkzeugöffnungsbewegung verfahren werden. Hierdurch kann das Halbzeug an die Formeinsätze angelegt werden bzw. zur Entformung von diesen getrennt werden. Separate Vakuum- und Druckluftanschlüsse in Ober- und Unterwerkzeug erlauben in der Kavität die unabhängige Evakuierung und getrennt regelbare Druckgasbeaufschlagung der Ober- und Unterseite des Halbzeugs, so dass eine druckluftunterstützte Entformung realisiert werden kann. Auf diese Weise können die genannten großflächigen beidseitig mikrostrukturierten Formteile entformt werden.

Der Positioniertisch verfügt über eine Luftlagerung und Biegegelenkführungen, wodurch reibungs- und führungsspielbedingte Einflüsse auf den Positioniervorgang vermieden werden. Die Piezoaktorik des Tisches erlaubt in Verbindung mit einer in den Werkzeugrahmen integrierten hochauflösenden Sensorik die präzise Ausrichtung der Werkzeughälften.

Das Werkzeug und der Positioniertisch wurden in einer Versuchsanlage in Betrieb genommen. Es ist gelungen, Mikrotiterplatten als Demonstratoren für großflächige beidseitig mikrostrukturierte Formteile durch Heißprägen herzustellen. Die hierbei erzielten Zykluszeiten betrugen 4 Minuten.

Tool Development for Hot Embossing of Double-sided Microstructured Molded Parts

Abstract
In the present dissertation, a tool and process concept for double-sided hot embossing of microstructured molded parts was described. Studies focused on the manufacture of plastic substrates with large surface areas and thin residual layers, which are microstructured on both sides and considered for use in microoptics and microfluidics. Development of a costefficient process with short cycle times was deemed necessary to meet the demand for disposable components e.g. for microfluidic analysis chips.

The tool and process concept covered the development of appropriate mechanisms for precise orientation of the tool halves, defect-free demolding of the large-area and usually flexible molded parts, and efficient temperature control of the tools to minimize cycle times.

Based on the process technology requirements determined, a tool setup of two symmetrical tool halves and a positioning table was developed and implemented. The tool halves each consist of a tool frame of constant temperature, a tool insert of minimum mass that is subjected to thermal cycling, and a cooling block kept at constant temperature. During heating, the tool insert is thermally insulated from the cooling block. In this way, short heating times are reached. During the embossing and cooling phase, the tool insert is coupled thermally to the cooling block such that heat can be removed rapidly. As a result of the short times needed for heating and cooling the tool during embossing, cycle time is reduced considerably.

The tool halves are additionally provided with plates, by means of which the semi-finished product is fixed during heating and cooling and shrinkage is avoided. By a demolding drive, the fixing plates can be moved precisely and independently of the tool opening movement. This allows to apply the semi-finished product to the mold inserts or to separate it from them for demolding. Via separate vacuum and pressurized air connections in the upper and lower tool, independent evacuation of the cavity or controlled separate pressurized gas supply to the upper or lower side of the semi-finished product is ensured. In this way, the large-area molded parts that have been microstructured on both sides can be demolded easily.

The positioning table is equipped with an air bearing and flexible joints. Consequently, positioning is not influenced by friction or play of the joints. Precise orientation of the tool halves is achieved by piezoactuators driving the table and high-resolution sensors integrated in the tool frame.

The tool and positioning table were taken into operation in a test facility. Microtiter plates were produced to demonstrate double-sided hot embossing of large-area microstructured molded parts. Cycle times of 4 minutes were reached.

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