F&E1-NM

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Funktionsbereich F&E 1-NM: Replikation

Leitung: PD Dr. Matthias Worgull

Das Forschungsgebiet widmet sich der Replikation von Mikro- und Nanostrukturen in Kunststoffen und hat die

• Nano- und Mikroabformung

und das

• Mikrothermoformen

als Hauptthemen.

Grundlage der Forschungs- und Entwicklungsarbeiten bilden die eingesetzten Replikationsverfahren

• Mikro-Heißprägen
• Nanoimprint
• Mikrothermoformen
• Ultraschallstrukturierung
• Rolle zu Rolle Strukturierung

Ein Teil der Arbeiten ist in das EU-Projekt COTECH (Converging Technologies) integriert mit dem Ziel, effiziente Abformtechniken zu entwickeln.

Die Technologie des Heißprägens steht im Rahmen der KNMF (Karlsruher Nano Micro Facility) und EUMINAfab auch externen Anwendern zur Verfügung.

Aktuelles Team

• PD Dr. Matthias Worgull (Funktionsbereichsleitung)
• Heinz Dinglreiter (Gruppenleitung Mikrothermoformen)
• Marc Schneider (Anlagen- und Prozessverantwortlicher)
• Alexander Kolew (Post-Doc)
• Norbert Schneider (Doktorand)
• Andreas Striegel (Doktorand)
• Michael Hartmann
• Julia Bur (Diplomandin)
• Raschid Ezzat (Diplomand)
• Christoph Herrmann (HiWi)
• Ludmilla Popp (HiWi)
• Gerlinde Utsch (HiWi)

Nano- und Mikroabformung

Zur Replikation von Mikro- und Nanostrukturen in Kunststoffen durch Heißprägen und Nanoimprint stehen insgesamt 5 Heißprägemaschinen zur Verfügung, auf denen Formeinsätze bis zu 8 Zoll Durchmesser abgeformt werden können. Diese Verfahren zeichnen sich durch eine hohe Flexibilität und eine große Bandbreite an Prozessvariationen aus, wie z. B. das doppelseitige positionierte Abformen oder das Prägen von Durchlochstrukturen. Die Abformungen von Prototypen bis hin zur Kleinserie können auch im Rahmen von Aufträgen durchgeführt werden.

Die Bandbreite der für die Abformung geeigneten Formeinsätze erstreckt sich u.a. über die am IMT vorhandenen lithographischen Verfahren Röntgentiefenlithographie (LIGA), UV-Lithographie und Elektronenstrahllithografie. Darüber hinaus werden Werkzeuge auch durch mechanische Verfahren wie Mikrofräsen oder Laserstrukturierung hergestellt. Bereits vorhandene Strukturen können auch durch Mikrogalvanik in Nickel-Formeinsätze kopiert werden.

Ein Vorteil des Heißprägens besteht im schnellen und einfachen Wechsel des Polymers durch Austausch des verwendeten Halbzeugs. Dadurch kann theoretisch jeder Abformzyklus mit einem anderen Polymer durchgeführt werden. Die Bandbreite der abformbaren Materialien umfasst nicht nur die Palette der thermoplastischen Polymere:

• Amorphe Polymere: z. B. PMMA, PS, SAN, COC, PC, PSU, ...
• Teilkristalline Polymere: z. B. PP, POM, PET, LCP, PEEK, ...
• Niedrigschmelzende Gläser
• Metallisches Glas, amorphe Metalle
• Feedstock für keramische oder metallische Bauteile
• Metallische Folien und Duromere
• Nachwachsende und biodegradierbare Polymere: Flüssiges Holz, Polylaktid, ...

Mikrothermoformen

Das mikrotechnische Thermoformen ist ein am IMT entwickeltes Verfahren zur Low-Cost-Herstellung von flexiblen, dünnwandigen Mikrohohlstrukturen aus Kunststofffolien.

Innerhalb einer Heißprägemaschine wird eine ungefähr 10 – 50 μm dünne thermoplastische Folie über Werkzeugkontakt in ihren thermo-elastischen Zustandsbereich erhitzt und durch ein Druckgas unter derzeit bis zu 50 bar in die evakuierten Mikrokavitäten eines plattenförmigen Formwerkzeugs eingeformt.

Forschungsschwerpunkte sind

• Entwicklung der Maschinentechnologie von der Labormaschine zur serienreifen Thermoformmaschine (in Zusammenarbeit mit der Firma Wickert / Landau)

• Entwicklung und Konstruktion von Werkzeugen für das Thermoformen

• Prozessentwicklung zur Herstellung von CellChips® durch Mikrothermoformen für das 3-D Tissue Engineering (Kooperation mit TU Ilmenau und IBG / KIT )

• Thermoformen von vorstrukturierten Folien zur Herstellung großflächiger dreidimensionaler Bauteile mit strukturierten Oberflächen. Durch Heißprägen oder Nanoimprintverfahren strukturierte Folien werden in einem zweiten Schritt durch Mikrothermoformen dreidimensional verstreckt, ohne jedoch die Nanostrukturierung zu zerstören. Mit diesem Verfahren lassen sich z. B. fluidische Kanäle mit nanostrukturierten, hydrophilen oder hydrophoben Oberflächen herstellen. Ein Vorteil des Verfahrens liegt in der Strukturierung von Boden und Seitenwänden fluidischer Kanäle

• Prozessentwicklung Mikroblasformen zur Herstellung 3 dimensionaler Mikro-Hohlkörper. Aufbauend auf den Prozess des Thermoformens wird durch die Entwicklung des Mikroblasformens die Herstellung von Hohlkörpern wie z. B. Mikro-Schläuche mit innen- oder außenliegender Nanostrukturierung ermöglicht.

Ultraschallstrukturierung

Die Ultraschall-Technologie zeichnet sich durch hervorragende Eigenschaften wie kurze Prozesszeiten, geringer Energieverbrauch oder Reproduzierbarkeit der Schweiß- und Stanzergebnisse aus. Darüber hinaus können mit Ultraschall auch besonders hochwertige Kunststoffe, wie sie in der Automobilindustrie häufig vorkommen, effizient und äußerst schonend bearbeitet werden.

Eine neuartige Anwendung des Ultraschallprägens ist der Bereich des Tissue Engineerings. Dieses sehr junge Feld basiert auf einem stark interdisziplinären Ansatz aus den Bereichen der Biologie, Material- und Ingenieurwissenschaften. Der am Forschungszentrum Karlsruhe entwickelte CellChip® ist eine mikrostrukturierte Gerüststruktur für die dreidimensionale Kultivierung von Zellen. Die planare Anordnung von gleich großen und identisch geformten Mikrocontainern mit porösem Boden dient dazu, möglichst alle Zellen, die in den Containern kultiviert werden, gleichmäßig mit Nährmedium versorgen zu können.

Im Rahmen der Forschungsarbeiten wird gezeigt, dass Prägen mit Ultraschall für die Herstellung von Mikrostrukturen und ganzen Mikrosystemen aus Kunststoff geeignet ist. Mikrostrukturen können hierbei in wenigen Sekunden erzeugt werden. Ähnlich wie beim Heißprägen wird ein Polymerfilm durch Erhitzen erweicht und die Mikrostruktur wird von einem Metallwerkzeug abgeformt. Die thermische Energie wird allerdings mit einem Ultraschallschweißgerät erzeugt, das mechanische Schwingungen mit bis zu einigen 10 μm Amplitude und einer Frequenz von 20 bis 70 kHz ausführt. Diese Schwingungen werden auf die Folie übertragen, indem die Sonotrode des Ultraschallgerätes die Folie auf das Werkzeug presst. Die zyklischen Deformationen der Folie erzeugen lokale Erwärmungen und bewirken ein lokales Erweichen der Folie an den Stellen, an denen sie mit erhabenen Mikrostrukturen auf dem Werkzeug in Berührung stehen. Nach dem Abkühlvorgang, der innerhalb weniger Sekunden vollzogen ist, kann die Mikrostruktur aus dem Werkstück entnommen werden.

Zur Herstellung von ultraschallgeprägten Mikrostrukturen werden handelsübliche Maschinen verwendet. Die Prägewerkzeuge bestehen aus galvanisch hergestellten Nickelformeinsätzen oder aus Edelstahlformelementen. Als Prägematerial kann die Bandbreite der thermoplastischen Kunststoffe verwendet werden, vorzugsweise die Kunststoffe mit hoher Formstabilität.

Der Vorteil dieses Verfahrens liegt in der lokalen Mikrostrukturierung von bereits bestehenden Bauteilen, z. B. Mikrotiterplatten, ohne deren Form zu beeinflussen. Ultraschallprägen ist daher eine ausgezeichnete Ergänzung zu den etablierten Prozessen Spritzgießen, Heißprägen, und Thermoformen. Kurze Zykluszeiten, einfache Werkzeuge, kommerziell erhältlichen Maschinen und leichte Handhabung kennzeichnen das Ultraschallprägen.

Rolle zu Rolle Strukturierung

Die Weiterentwicklung der Nano- und Mikroabformung im Hinblick auf große Flächen und hohen Durchsatz zeigt sich im Rahmen der Rolle zu Rolle Strukturierung, welche den neuesten Arbeitsbereich des Funktionsbereichs darstellt.