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Bitte beziehen Sie sich beim Zitieren dieses Dokumentes immer auf folgende
URN: urn:nbn:de:bsz:25-opus-79870
URL: http://www.freidok.uni-freiburg.de/volltexte/7987/


Prokop, Jürgen

Entwicklung von Spritzgießsonderverfahren zur Herstellung von Mikrobauteilen durch galvanische Replikation

Development of special injection moulding processes for fabrication of micro parts by electroplating

Dokument1.pdf (17.798 KB) (md5sum: c931f006416cfa2cdc3eb091a4717c74)

Kurzfassung in Deutsch

Gegenstand der vorliegenden Arbeit ist die Entwicklung eines Verfahrens, bei dem über das Mehrkomponenten-Spritzgießen, kombiniert mit der Galvanoformung(MSG-Prozess), metallische Mikrobauteile mit Oberflächenrauheiten von Rz < 1 µm hergestellt werden können. In dem Verfahren wird die hohe Abformgenauigkeit des Kunststoffspritzgießens genutzt, um LIGA-Strukturen über die galvanische Replikation hochgenau zu kopieren. Dadurch entstehen metallische Bauteile mit zur LIGA-Technik vergleichbar guten Oberflächenqualitäten. Für die Umsetzung der Verfahrensentwicklung mussten verschiedene Entwicklungsschritte durchlaufen werden:
Um die notwendigen homogen elektrisch leitfähigen Bauteile aus rußgefülltem Polymer herzustellen, wurde anhand von Versuchsserien aufgezeigt, dass durch eine gestufte Einspritzgeschwindigkeit Oberflächenwiderstandswerte von ca. 30 Ohm reproduzierbar eingestellt werden können. Anschließend wurden die hergestellten Spritzgussbauteile galvanisch beschichtet. Basierend auf Messungen des elektrischen Oberflächenwiderstands konnte durch Simulationsrechnungen (MOLDFLOW) gezeigt werden, dass ein linearer Zusammenhang zwischen Oberflächenwiderstand und der errechneten Scherrate besteht.
In einem weiteren Entwicklungsschritt wurden als Voraussetzung für nachbearbeitungsfreie Mikrobauteile über die galvanische Replikation die notwendigen Prozessparameter zur Herstellung von spaltfreien mikrostrukturierten Zweikomponentenbauteilen optimiert. Zur Bestätigung der Verbundqualität zwischen der elektrisch leitfähigen und der isolierenden Komponente wurde ein spezielles auf dem Röntgenkontrast basierendes Verfahren entwickelt. Hiermit kann die Spaltgröße in diesen speziellen Zweikomponentenbauteilen sichtbar gemacht werden, was für die statistische Versuchsauswertung notwendig ist. Als Ergebnis ließen sich durch die Vermeidung der Spaltbildung fehlerfreie Mikrobauteile mit hoher Oberflächenqualität herstellen.
Die Qualifizierung des Verfahrens wurde anhand der Herstellung zweier Demonstratoren nachgewiesen. Dabei handelt es sich um Spulenkerne einer Mikrozange und um Mikroermüdungsproben für die Bestimmung mechanischer Kennwerte von galvanisch abgeschiedenen Materialien. Die Realisierung des Demonstrators „Mikrozange“ und die erfolgreiche Replikation der Mikroermüdungsproben, deren originäre Struktur über das LIGA-Verfahren hergestellt wurde, mit nahezu identischen Oberflächeneigenschaften der Replikate, zeigt das Potential dieses Verfahrens für die Mikrotechnik. Ausgehend von den im Laufe des Entwicklungsprozesses gewonnenen Erfahrungen, wird eine erweiterte Werkzeugtechnik vorgestellt, Ausblicke zur zukünftigen Anwendung des MSG-Verfahrens und allgemein zur Herstellung mehrkomponentiger Mikrobauteile dargestellt und diskutiert.


Kurzfassung in Englisch

This thesis deals with the development of a process combining multi-component injection moulding with electroplating, the so-called MSG process (German acronym for multi-component [MS] and electroplating [G]). By means of this process, metallic microparts can be produced with a surface roughness better than Rz - 1 µm. Accurate reproduction of surface details by the injection moulding process and micro electroplating allows for the production of copies of LIGA structures in high-precision quality. This technique shall be applied to manufacture metallic microparts with surface qualities comparable to the LIGA process.
To meet these requirements, several development steps were made:
In order to produce homogeneous, electrically conductive parts from carbon blackfilled polymers, the injection rate was analysed. It was found that a staged injection rate allows for the highly reproducible moulding of structures with a surface resistance of 30 Ohm. These structures were subjected to electroplating. Comparison of the measured and simulated results (MOLDFLOW) revealed a linear correlation between the surface resistance and the calculated shear rate. In a next development step, the necessary optimisation of injection moulding parameters accomplished to produce two-component micro parts that do not require any secondary finishing. In particular, two-component parts without any layer gaps were produced. In order to confirm the bonding quality between the insulating and the electrically conductive component, a special X-ray method was developed. Using this technology, the layer gap size between these two component parts can be analysed. This is necessary for the design of experiments. By avoiding the layer gaps, defect-free micropart with high surface qualities could be produced.
Qualification of this MSG process was verified by replicating two demonstrators, micro coil cores of a microgripper and a microspecimen for fatigue analyses of electroplated materials. Manufacture of the “microgripper” demonstrator and the successful replication of the microspecimen, whose original structure had been produced by the LIGA process, demonstrated the potential of this process cycle for microengineering. The replicated microparts showed surface characteristics which were nearly identical to the original ones.
Based on the experience gained, an extended tool technique is presented and further development of the MSG process and the production of multi-component microparts are illustrated and discussed.


SWD-Schlagwörter: LIGA-Verfahren , Spritzgießen , Galvanotechnik , Abformung , Bauteil
Freie Schlagwörter (deutsch): MSG-Prozess, Röntgenschattenuntersuchung, Galvanoformung, 2. Galvanik, Mikrobauteile, Mehrkomponentenspritzgießen
Freie Schlagwörter (englisch): msg-process , x-pattern analysis , electroplating , 2. electroplating , microparts , multi-component injection moulding
Institut: Institut für Mikrosystemtechnik
Fakultät: Technische Fakultät (bisher: Fak. f. Angew. Wiss.)
DDC-Sachgruppe: Technik
Dokumentart: Dissertation
Erstgutachter: Haußelt, Jürgen (Prof. Dr.)
Sprache: Deutsch
Tag der mündlichen Prüfung: 20.12.2010
Erstellungsjahr: 2010
Publikationsdatum: 08.03.2011
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