Tools for ultrasonic hot embossing

Liao, Sijie; Schomburg, Werner Karl; Hopmann, Christian

doi:34495

Tools for ultrasonic hot embossing = Werkzeug für Ultraschallheißprägen

Liao, Sijie

2016

Verantwortlichkeitsangabevorgelegt von Sijie Liao

ImpressumAachen : Publikationsserver der RWTH Aachen University 2016

Aachen, Techn. Hochsch., Diss., 2015

Veröffentlicht auf dem Publikationsserver der RWTH Aachen University 2016

Genehmigende Fakultät
Fak04

Hauptberichter/Gutachter
Schomburg, Werner Karl (Thesis advisor) ; Hopmann, Christian (Thesis advisor)

Tag der mündlichen Prüfung/Habilitation
2015-10-19

Online
URN: urn:nbn:de:hbz:82-rwth-2015-068217
URL: http://publications.rwth-aachen.de/record/561380/files/561380.pdf
URL: http://publications.rwth-aachen.de/record/561380/files/561380.pdf?subformat=pdfa

Einrichtungen

Lehr- und Forschungsgebiet Konstruktion und Entwicklung von Mikrosystemen (417420)

Inhaltliche Beschreibung (Schlagwörter)
Ingenieurwissenschaften und Maschinenbau (frei) ; ultrasonic hot embossing (frei) ; tools (frei) ; polymer (frei) ; microsystem (frei)

Thematische Einordnung (Klassifikation)
DDC: 620

Kurzfassung
Ultraschallheißprägen ist eine aufkommende Technik, die die Formgebung von Thermoplasten in einigen Sekunden ermöglicht. Mit einer Sonotrode, welche mit einem Werkzeug bestückt ist und Ultraschallvibrationen einbringt, wird ein Polymerfolienstapel bis zur Teilschmelze erwärmt und währenddessen die Mikrostruktur des Werkszeugs eingeprägt. So wird die Mikrostruktur in wesentlich kürzerer Zeit als beim Spritzguß- oder Heißprägenverfahren produziert. Das Ziel dieser Arbeit war die Untersuchung unterschiedlicher Herstellungsprozesse für Heißprägewerkzeuge und deren Einflüsse auf geprägter Strukturen. In dieser Doktorarbeit wird zudem kurz diskutiert, wie sich die Energie auf dem Prozess verteilt. Wenn der Ultraschall erzeugt wird, wird die eingebrachte Energie hauptsächlich in die Sonotrode, die Polymerfolien, das Werkzeug und den Amboss übertragen und von diesem aufgenommen. An dieser Grenzfläche wird der Ultraschall reflektiert und trägt erneut zur Erzeugung lokaler Wärme bei. Die Analyse der Ultraschall-Energieverteilung basiert auf Messungen der Werkzeug- und der Mikrostrukturtemperatur in den Polymeren. Prägewerkzeuge aus Aluminium, Nickel, Stahl, Polykarbonat (PC) und Polyetheretherketon (PEEK) wurden herstellt und mit Polyethylen hoher Dichte (HDPE) abgeprägt. Abkühlgeschwindigkeiten unterschiedlicher Werkzeugmaterialien wurden verglichen, wohin gegen die Ultraschall-Energieverteilung n den geprägten Polymerfolien und den Werkzeugen berechnet wurde. Prägewerkzeuge mit großer akustischer Impedanz gegenüber dem geprägten Polymer reflektieren mehr Ultraschall, womit Polymer-Schmelze schneller erfolgt. Prägewerkzeuge mit großer Wärmeleitfähigkeit haben schnellere Abkühlgeschwindigkeiten nach dem Prägen zur Folge, während mit geringerer Wärmekapazität und Dichte eine höhere Werkzeugtemperatur erreicht wird. Eine Isolierung an der Grenzfläche zwischen dem Werkzeug und dem Amboss beeinflusst ebenfalls Werkzeugtemperatur und die Abkühlgeschwindigkeit. Folglich stellt Aluminium das geeigneteste Material für Sonotroden dar, während Nickel und Stahl geeigneter als Material für das Werkzeug sind. Werkzeuge aus PC und PEEK haben eine beschränkte Lebensdauer für das Ultraschallheißprägen und stellen keine geeigneten Alternativen. Unterschiedliche Herstellungsverfahren wurden für die Ultraschallheißpräge-Werkzeuge gewählt. Diese waren das Fräsen, die Nickel-Galvanik, die Lithographie und das Silizium-Ätzen. Neue Kombinationen aus diesen Methoden wurden hierbei auch entwickelt, etwa um ein Werkzeug mit mehrstufigen Strukturen zu erzeugen. Bedienschritte, Prozessparameter, Herausforderungen, Vorsichtmaßnahmen, Vor- und Nachteile von diesen Methoden wurden diskutiert und verglichen. Darunter ist das Fräsen die aussichtsreichste Methode für die Herstellung von Werkzeugen, denn mit diesem Verfahren können dreidimensionale Strukturen mit einer Höhe von mehr als einigen 100 Mikrometern und einer Breite von unter 50 Mikrometern hergestellt werden. Außerdem ist die Nickel-Galvanik anwendbar, um Werkzeuge herzustellenderen Abmaße weniger als 50 Mikrometer betragensollen. Die Schablonen für die Nickel-Galvanik wurden mit Lithographie und Silizium-Ätzen vorbereitet. Amorphe Metall-Legierungenwurden zudem ausprobiert, um das Werkzeug herzustellen. Ihre Eignung und der Grund ihres Versagens wurden zudem in dieser Arbeit diskutiert.Einige Mikrosysteme wurden entwickelt und hergestellt. Dadurch wurde die Herstellung des Werkzeugs für dreidimensionale Mikrostrukturen durch das Ultraschallheißprägen demonstriert. Die Designideen, der Prozess der Herstellung und die Leistungsfähigkeit wurden vorgestellt. Eine Fresnel-Linse wurde hierbei zum ersten Mal durch das Ultraschalheißprägen hergestellt. Außerdem wurden Mikrodüsen, die für Gas-/Flüssigkeitsdispersion genutzt wurden, mit einem Durchmesser von 150 µm und 250 µm, mittels des Ultraschallheißprägens und Schweißens hergestellt. Die Mikrodüsen konnten Belastungen von 29 MPa und 2.5 MPa bei 20 °C bzw. 90 °C standhalten. Die Fähigkeit zur mehrphasigen Ausbreitung wurde auch demonstriert. Eine spiralförmige elektronische Spule für ein MID (Molded Interconnect Device), wurde auch per Ultraschallheißprägen hergestellt. Die Oberfläche der Spirale war nicht flach, sondern gebogen und die Kurve der Spirale war entlang einer dreidimensionalen Kurve dezentralisiert. Die berechneten und gemessenen Resonanzimpedanzen von dieser Spule, kombiniert mit einem Kondensator, sind 1,6 MHz beziehungsweise 1,65 MHz. Einige Polymeroberflächen wurden mit Werkzeugen geprägt, die mit Röntgenlithografie, Nickel-Galvanik und dem Fräsen von Aluminium mit unterschiedlich gestalteten Mikrostrukturen zur Erzeugung von hydrophoben Oberflächen hergestellt wurden. Das Benetzungsverhalten der geprägten Oberflächen wurde per Kontaktwinkelmessung untersucht. Die Oberfläche des Werkzeugs, welches mit dem LIGA-Verfahren (beinhaltet folgende Verfahrensschritte: Lithografie, Galvanik und Abformung) hergestellt wurde, erwies sich als wasserabweisender als die, die mit einem Aluminium-Werkzeug geprägt wurde. Das Kontaktregime der geprägten Oberflächen wurde auch theoretisch für die beiden Werkzeugtypen analysiert. Die letzte Anwendung war die Herstellung eines Werkzeugs für das Ultraschallheißprägen von Nanostrukturen in PC-, Polymethylmethacrylat- (PMMA) und Polylactid- (PLA) Folien. Die Herausforderungen und Lösungsfindungen für das Ultraschallheißprägen und die Herstellung des Werkzeugs wurden dazu vorgestellt. Abschließend wurden die Nanostrukturen erfolgreich in das Thermoplast geprägt.

Ultrasonic hot embossing is an emerging technology enabling molding of thermo-plastic polymers in seconds. A stack of polymer foils is heated by the friction between the foils and protruding microstructures on a tool when ultrasonic vibrations are generated by a sonotrode. The polymer is molten and adapts to the shape of the microstructures on the tool. Thus, a micro structure is generated in much shorter time than by injection molding or hot embossing. The objective of this work was investigating how tools for ultrasonic hot embossing can be fabricated and what is the influence of the tool on the process. How the embossing energy is distributed in the whole process is briefly discussed in this thesis. When ultrasound is generated, the induced energy is mainly transferred to and absorbed in sonotrode, polymer stack, tool and anvil. At the interfaces, ultrasound is reflected and, this way, re-contributing to heat generation. Ultrasonic energy distribution analyses are based on temperature measurements in the embossing tools and dimension measurements on the embossed polymer micro structures. Embossing tools from aluminum, nickel, steel, polycarbonate (PC) and polyether ether ketone (PEEK) were produced and embossed with high density polyethylene (HDPE). The cooling rates of different tools are compared while the energy distributed into embossed polymer and embossing tool was roughly calculated. Embossing tools with larger acoustic impedance compared to the embossed polymer reflect more ultrasound back to the polymer for melting. Embossing tools with higher heat conduction result in a faster cooling rate after embossing while with less heat capacity and density a higher peak temperature is achieved. The isolation at the interface between embossing tool and anvil affects the tool temperature and its cooling rate. Consequently, aluminum is more suitable for the sonotrode while nickel and steel are suitable for the tool. Embossing tools from PC and PEEK have shown limited lifetimes for ultrasonic hot embossing and, therefore, are no appropriate alternative.Various ways have been attempted to fabricate ultrasonic hot embossing tools. They are milling, nickel electroplating, lithography and silicon etching. New combinations of these ways were also developed to fabricate a tool with multi-level structures or enlarge the tool size. The operating steps, process parameters, challenges, precautions, advantages and disadvantages of these fabrication ways are discussed and compared. Among them, milling is the most promising way producing embossing tools allowing three-dimensional micro structures, up to more than several hundred micrometers in height and down to 50 µm in width. Besides, nickel electroplating was applicable to produce the tools with structure dimensions of less than 50 µm. The templates for electroplating were prepared by lithography and silicon etching. Liquid metals were also prepared to be employed as embossing tool. Their performance and the reasons of failure are discussed.Several micro devices were developed and fabricated demonstrating the fabrication of tools for ultrasonic hot embossing of three-dimensional micro structures. Design idea, production process and performance are introduced. A Fresnel lens was produced by ultrasonic hot embossing for the first time. Micro nozzles, 150 and 250 µm in diameter, which were used for gas/liquid dispersion, were produced by ultrasonic hot embossing and welding. The nozzle could sustain pressures as high as 29 MPa and 2.5 MPa at 20°C and 90°C, respectively. The multi-phase dispersing ability was also proven. An electronic spiral coil forming a molded interconnect device (MID) was fabricated by ultrasonic hot embossing. The surface of the coil was not flat but bowed and the coil line was distributed along a three-dimensional spiral curve. The calculated and measured resonance frequencies of this coil combined with a capacitor were 1.6 MHz and 1.65 MHz, respectively. Several polymer surfaces were embossed with tools fabricated by x-ray lithography and electroplating of nickel and milling of aluminum with different structures designs for hydrophobic surfaces. The wettability of the embossed surface was investigated by contact angle measurements. The polymer surface embossed from the x-ray lithography and electroplating of nickel tool turned out being more hydrophobic than the one embossed from the aluminum tool. The contact regimes of the embossed surface from the two embossing tools were also theoretically analyzed. The last application was the ultrasonic hot embossing of nano-structures, 600 nm in height, on PC and poly methyl methacrylate (PMMA) and poly (lactic acid) foils. The challenges and the solutions in ultrasonic hot embossing with this tool are introduced. Finally, the nanostructures were successfully embossed into these polymers.

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