DE19931112A1 - Verfahren zur Herstellung eines Mikrobauelements, Verwendung eines nach dem Tintendruckprinzip arbeitenden Druckkopfes zur Herstellung eines Mikrobauelements und Vorrichtung zum Herstellen eines Mikrobauelements - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Mikrobauelements (1). Es ist vorgesehen, daß mittels eines nach dem Tintendruckprinzip arbeitenden Druckkopfes (9) das in flüssiger Phase vorliegende Material (3) für das Mikrobauelement (1) tropfenförmig auf ein Substrat (4) aufgespritzt wird, wobei mehrere Tropfen (3) des Materials in einer gemeinsamen Ebene (Schicht 2) und/oder in unterschiedlichen Ebenen vorliegen und nach dem Erstarren das Mikrobauelement (1) bilden.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstel­ lung eines Mikrobauelements, die Verwendung eines nach dem Tintendruckprinzip arbeitenden Druckkopfes sowie eine Vorrichtung zum Herstellen eines Mikro­ bauelements.

Für die Herstellung von Mikrobauelementen, die bei­ spielsweise Kunststoff umfassen oder aus Kunststoff bestehen, ist es bekannt, Spritzgießformen herzu­ stellen, die dann mit dem flüssigen Kunststoff aus­ gespritzt werden. Nach dem Erstarren kann das Mi­ krobauelement aus der Form entnommen werden. Nach­ teilig bei diesen Herstellungsverfahren ist, daß die Herstellung der Spritzgießformen aufwendig und teuer ist. Insbesondere, wenn lediglich ein Proto­ typ hergestellt werden soll.

Es ist auch bekannt, Bauelemente in makroskopischer Größe nach einem sogenannten Rapid-Prototyping- Verfahren herzustellen. Hierbei werden keine Spritzgießformen oder dergleichen benötigt, wenn Kunststoffbauelemente hergestellt werden sollen. Beispielsweise liegt das Ausgangsmaterial kugelför­ mig vor, ähnlich den bekannten metallischen Sinter­ werkstoffen. Die Kugeln werden dann mittels einer geeigneten Vorrichtung schichtweise auf einen Trä­ ger aufgetragen, auf dem sie gegebenenfalls durch stabilisierende Maßnahmen fixiert werden. Ist das Bauelement schichtweise aufgetragen, können durch anschließende Wärmebehandlung die Kugeln aufge­ schmolzen werden, so daß sich die einzelnen Kugeln miteinander verbinden und so das makroskopische Bauelement bilden. Nachteilig hierbei ist, daß sich lediglich Bauteile herstellen lassen, die minde­ stens 5 bis 10 mm groß sind. Außerdem ist in man­ chen Fällen die Konturgenauigkeit der Bauelemente nicht ausreichend gut.

Es ist daher Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Herstellen eines Mikrobau­ elements anzugeben, das/die diese Nachteile nicht aufweisen.

Gelöst wird diese Aufgabe mit einem Verfahren zur Herstellung eines Mikrobauelements, das die im An­ spruch 1 genannten Merkmale zeigt. Erfindungsgemäß ist vorgesehen, daß mittels eines nach dem Tinten­ druckprinzip arbeitenden Druckkopfes das in flüssi­ ger Phase vorliegende Material für das Mikrobauele­ ment tropfenförmig auf ein Substrat aufgespritzt wird, wobei mehrere Tropfen des Materials in einer gemeinsamen Ebene und/oder in unterschiedlichen Ebenen vorliegen und nach dem Erstarren das Mikro­ bauelement bilden. Mittels des Druckkopfes werden also mehrere Tropfen nebeneinander und/oder über­ einander und/oder zumindest teilweise einander überlappend auf ein Substrat aufgetragen. Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren können also Mikrobau­ elemente schnell und einfach hergestellt werden, da nach dem Erstarren der ausgespritzten flüssigen Masse das Mikrobauelement bereits fertiggestellt ist, also auf nachfolgende Reflow-Prozesse weitge­ hend verzichtet werden kann. Außerdem ist es mit dem erfindungsgemäßen Verfahren möglich, Mikrobau­ elemente herzustellen, die Abmessungen aufweisen, die kleiner als 5 bis 10 mm sind. Mit dem nach dem Tintendruckprinzip arbeitenden Druckkopf ist es darüber hinaus möglich, Tropfengrößen beziehungs­ weise Tropfen mit einem Volumen derart auszusprit­ zen, daß die Konturgenauigkeit gegenüber dem be­ kannten Verfahren verbessert ist.

Nach einer Weiterbildung der Erfindung ist vorgese­ hen, daß gleichzeitig oder nacheinander das Materi­ al für das Mikrobauelement und vorzugsweise ein flüssiges Stützmaterial aus zumindest einem Druck­ kopf ausgespritzt werden. Wird Stützmaterial vor oder gleichzeitig mit dem Material für das Mikro­ bauelement ausgespritzt, können auch komplexere Bauformen für die Mikrobauelemente realisiert wer­ den, da auch Hinterschneidungen oder dergleichen mit ausgebildet werden können.

Nach einer Weiterbildung wird das Material für das Mikrobauelement und das Stützmaterial aus verschie­ denen Auslaßöffnungen eines Druckkopfs ausge­ spritzt. Alternativ kann vorgesehen sein, daß für jedes auszuspritzende Material ein Druckkopf ver­ wendet wird.

Wird ein Stützmaterial mit auf das Substrat aufge­ bracht, ist vorzugsweise vorgesehen, daß nach der Fertigstellung des Mikrobauelements das Stützmate­ rial entfernt wird, so daß das Mikrobauelement freigelegt wird. Zum Entfernen der Stützmaterialien können beispielsweise Ätz-Prozesse oder chemisches Auflösen des Stützmaterials vorgesehen sein. Weisen Stützmaterial und Material für das Mikrobauelement unterschiedliche Schmelztemperaturen auf, kann ge­ gebenenfalls das Stützmaterial auch durch Erhitzen entfernt werden, wobei die Schmelztemperatur des Stützmaterials unterhalb der des Mikrobauelements liegt.

Als Material für das Mikrobauelement können Kunst­ stoffe, Metalle und/oder Glas Verwendung finden, wobei vorzugsweise vorgesehen ist, daß diese Mate­ rialien eine niedrige Schmelztemperatur besitzen, damit der Druckkopf nicht beschädigt wird.

Nach einer Weiterbildung ist vorgesehen, daß das Mikrobauelement nachbehandelt wird, beispielsweise indem es einer Wärmebehandlung und/oder einer Be­ handlung mit einer Chemikalie unterzogen wird. Da­ mit lassen sich insbesondere die Eigenschaften der Bauelementoberfläche beeinflussen. Darüber hinaus ist es möglich, das Mikrobauelement weiter zu ver­ festigen, zu stabilisieren oder die Oberfläche zu glätten.

Bei einem Ausführungsbeispiel kann vorgesehen sein, daß die Chemikalie flüssig vorliegt. Alternativ können jedoch auch gasförmige Chemikalien für die Behandlung des Mikrobauelements verwendet werden.

Diese Aufgabe wird auch durch die Verwendung eines nach dem Tintendruckprinzip arbeitenden Druckkopfes gelöst, wie dies im Anspruch 8 angegeben ist. Es ist vorgesehen, daß der nach dem Tintendruckprinzip arbeitende Druckkopf für die Herstellung eines Mi­ krobauelements verwendet wird. Aus dem Druckkopf wird das Material für das Mikrobauelement tropfen­ förmig auf ein Substrat ausgespritzt, wobei einzel­ ne Tropfen in einer gemeinsamen Ebene und/oder in unterschiedlichen Ebenen vorliegen können. Es kön­ nen also Tropfen aufeinander, nebeneinander oder zumindest teilweise überlappend aufgespritzt wer­ den. Werden Materialien für das Mikrobauelement verwendet, die Schmelztemperaturen aufweisen, die unter 150°C liegen, können sogar Druckköpfe verwen­ det werden, die nicht besonders temperaturbeständig sein müssen.

Die Aufgabe wird auch mit einer Vorrichtung zum Herstellen eines Mikrobauelements gelöst, die die Merkmale des Anspruchs 9 zeigt. Es ist also eine Vorrichtung vorgesehen, die zumindest einen Druck­ kopf umfaßt, der nach dem Tintendruckprinzip arbei­ tet und aus dem das Material für das Mikrobauele­ ment tropfenförmig auf ein Substrat ausgespritzt wird.

Bei einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der Vor­ richtung ist vorgesehen, daß der Druckkopf eine Me­ diumkammer, eine Wandung der Mediumkammer bil­ dende Membran und einen Aktor zur Auslenkung der Membran umfaßt, wobei die Mediumkammer zumindest eine Ausspritzöffnung aufweist. Außerdem ist vorge­ sehen, daß der Aktor von der Membran thermisch ent­ koppelt ist. Insbesondere durch die thermische Ent­ kopplung ist es möglich, auch Materialien für die Mikrobauelemente zu verwenden, die Schmelztempera­ turen besitzen, die über 150°C liegen. Werden bei­ spielsweise piezoelektrische Aktoren verwendet, ist es notwendig, die Betriebstemperatur des Aktors un­ terhalb der piezoelektrischen Curie-Temperatur zu halten. Hierzu ist die thermische Entkopplung vor­ gesehen, so daß die an der Membran vorliegende Tem­ peratur nicht bis zum Aktor weitergeleitet werden kann. Somit können also in der Mediumkammer wesent­ lich höhere Temperaturen als bei üblichen Druckköp­ fen vorliegen, wobei dennoch gewährleistet ist, daß der Aktor einwandfrei arbeitet, da sichergestellt ist, daß seine Betriebstemperatur unterhalb der piezoelektrischen Curie-Temperatur liegt.

Weitere Ausgestaltungen ergeben sich aus den Un­ teransprüchen.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand von Ausfüh­ rungsbeispielen mit Bezug auf die Zeichnung näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 eine Schnittansicht eines Mikrobauele­ ments, und

Fig. 2 einen Druckkopf.

Anhand von Fig. 1 wird ein Mikrobauelement 1 be­ schrieben, daß eine relativ einfache Struktur, hier im wesentlichen T-förmig, aufweist. Selbstverständ­ lich können auch Mikrobauelemente mit komplexeren oder einfacheren Strukturen hergestellt werden.

Aus Fig. 1 ist ersichtlich, daß das Mikrobauele­ ment 1 aus mehreren Schichten 2 aufgebaut ist, wo­ bei jede Schicht vorzugsweise mehrere Materialtrop­ fen 3 aufweist, die nebeneinander liegen oder sogar teilweise ineinander verlaufen sind. Es ist auch möglich, daß die Tropfen 3 teilweise überlappend und innerhalb der Schicht, also in einer Ebene, versetzt zueinander angeordnet sein können. Die un­ terste Schicht 2 wird auf ein Substrat 4 mittels eines nach dem Tintendruckprinzip arbeitenden Druckkopfes, der in Fig. 2 dargestellt ist, aufge­ spritzt. Nach Fertigstellung der ersten Schicht wird die zweite Schicht 2 auf die erste Schicht be­ ziehungsweise unterste Schicht 2 aufgespritzt. Es ist also ersichtlich, daß mehrere Materialtropfen 3 in einer gemeinsamen Ebene, also in einer gemeinsa­ men Schicht 2 und/oder in unterschiedlichen Ebenen, also in unterschiedlichen, parallelen Schichten 2, vorliegen können.

Da die im wesentlichen T-förmige Struktur des Mi­ krobauelements außer dem Sockel 5 noch einen Quer­ träger 6 aufweist, der auf dem Sockel 5 aufliegt, ist es notwendig, neben den Materialtropfen 3 für das Mikrobauelement 1 noch ein Stützmaterial 7 in den Schichten 2 mit aufzuspritzen, so daß der Quer­ träger 6 auf die oberste Schicht des Stützmaterials 7 aufgespritzt werden kann. Es ist auch ersicht­ lich, daß an den Enden des Querträgers 6 ein Fort­ satz ausgeht, der im wesentlichen rechtwinklig zum Querträger 6, also parallel zum Sockel 5 verläuft, jedoch sich nicht bis an das Substrat 4 heraner­ streckt. Dadurch, daß das Stützmaterial 7 mit aus einem Druckkopf ausgespritzt wird, ist es möglich, nahezu beliebige Formen und/oder Konturen eines Mi­ krobauelements herzustellen, so daß wie im gezeig­ ten Ausführungsbeispiel am Fortsatz 8 auch Hinter­ schneidungen des Stützmaterials 7 vorgesehen sein können.

Nachdem die letzte Schicht beziehungsweise oberste Schicht 2 der Materialtropfen 3 aufgetragen ist, also das Mikrobauelement fast fertiggestellt ist, kann in einem nachfolgenden Prozeß das Stützmateri­ al 7 entfernt werden, so daß das eigentliche Mikro­ bauelement 1 freigelegt wird. Anschließend oder gleichzeitig kann das Mikrobauelement 1 auch vom Substrat gelöst werden.

Die Materialtropfen 3 und das Stützmaterial 7 wer­ den auf das Substrat 4 mit einem nach dem Tinten­ druckprinzip arbeitenden Druckkopf 9 aufgebracht, der in Fig. 2 dargestellt ist. Der Druckkopf 9 um­ faßt eine Mediumkammer 10, in der das Material für das Mikrobauelement 1 oder das Stützmaterial 7 vor­ liegt. Werden beide Materialien mittels eines Druckkopfes 9 auf das Substrat 4 aufgebracht, weist der Druckkopf 9 vorzugsweise zumindest zwei Medium­ kammern 10 auf, die voneinander getrennt sind, oder aber es werden zwei Druckköpfe 9 verwendet.

Die Mediumkammer 10 weist eine Ausspritzöffnung 11 auf, aus der die Materialtropfen 3 oder das Stütz­ material 7 tropfenförmig auf das Substrat 4 ausge­ spritzt wird. Hierzu ist vorgesehen, daß eine eine Wandung der Mediumkammer bildende Membran 12 ausge­ lenkt wird, so daß die Materialien tropfenförmig aus der Ausspritzöffnung 11 heraustreten. Für die Auslenkung der Membran 12 weist der Druckkopf 9 ei­ nen Aktor 13 auf, der insbesondere als piezoelek­ trisches Element ausgebildet ist und für seine elektrische Ansteuerung zwei Kontaktierflächen auf­ weist, wobei lediglich die Kontaktierfläche 14 in Fig. 2 ersichtlich ist. Die andere Kontaktierflä­ che liegt parallel zur Kontaktierfläche 14, also parallel zur Zeichnungsebene. Durch die elektrische Ansteuerung des Aktors 13 ändert dieser seine Län­ ge, so daß die Membran 12 entweder in Richtung zum Boden 16 der Mediumkammer bewegt oder vom Boden 16 entfernt wird, wobei die Membran 12 dabei gewölbt ausgelenkt wird. Werden heiße Materialien aus der Mediumkammer 10 ausgespritzt, so weist der Aktor 13 ein Wärmesperrelement 17 auf, welches einen Wärme­ übergangswiderstand zwischen Membran 12 und Aktor 13 bildet. Dadurch wird gewährleistet, daß die pie­ zoelektrisch aktiven Teile des Aktors 13 unterhalb der piezoelektrischen Curie-Temperatur liegen, so daß gewährleistet ist, daß der Aktor 13 optimal ar­ beitet, also seine Längenänderung in Abhängigkeit der angelegten elektrischen Spannung konstant bleibt, wodurch aus der Ausspritzöffnung 11 kon­ stante Tropfenvolumen ausbringbar sind.

Es ist ersichtlich, daß der Aktor 13 innerhalb ei­ nes Gehäuses 18 des Druckkopfes 9 gehalten ist, und zwar mit seinem Ende, welches die Kontaktflächen 14 aufweist.

Der Druckkopf 9 weist vorzugsweise eine Heizein­ richtung 19 auf, so daß das in der Mediumkammer 10 vorliegende Material auf entsprechender Temperatur gehalten werden kann, bei der es flüssig vorliegt. Es kann jedoch auch vorgesehen sein, daß das Mate­ rial bereits heiß und flüssig in die Mediumkammer 10 eingebracht wird, wodurch gegebenenfalls auf die Heizeinrichtung 19 verzichtet werden kann.

Je nach Ansteuerung des Aktors 13 können einzelne Tropfen oder aber innerhalb kurzer Zeit eine große Tropfenanzahl aus der Ausspritzöffnung 11 ausge­ bracht werden. Beispielsweise kann hierzu eine im­ pulsartige elektrische Ansteuerung des Aktors 13 vorgesehen sein. Um eine optimale Betriebstempera­ tur für den Aktor 13 gewährleisten zu können, kann auch vorgesehen sein, daß durch eine Gehäuseöffnung 20 ein Kühlmedium in das Gehäuseinnere einbringbar ist, welches den Aktor 13 umströmt, so daß es an einer in der Nähe der Ausspritzöffnung 11 liegenden Gehäuseöffnung 21 wieder austritt.

In Fig. 2 ist noch ersichtlich, daß an der der Me­ diumkammer 10 abgewandten Seite der Membran 12 Tem­ peratursensoren 22 anordenbar sind, die die in der Mediumkammer 10 vorherrschende Temperatur der Mate­ rialien detektieren, so daß gegebenenfalls die Heiz­ einrichtung 19 entsprechend angesteuert, das heißt ein- oder ausgeschaltet werden kann.

Werden mehrere Druckköpfe 9 verwendet, kann vorge­ sehen sein, daß die Ausspritzöffnungen 11 der Druckköpfe 9 unterschiedlich große Öffnungsquer­ schnitte aufweisen, so daß unterschiedliche Trop­ fengrößen ausbringbar sind. Wird nur ein Druckkopf mit mehreren Mediumkammern 10 verwendet, können selbstverständlich die Ausspritzöffnungen unter­ schiedliche Querschnittsgrößen aufweisen.

Damit die einzelnen Tropfen die Schichten 2 bilden können, ist vorgesehen, daß entweder der Druckkopf 9 relativ zum Substrat 4 oder das Substrat relativ zum Druckkopf 9 bewegt werden kann.

Claims (10)

1. Verfahren zur Herstellung eines Mikrobauele­ ments, dadurch gekennzeichnet, daß mittels eines nach dem Tintendruckprinzip arbeitenden Druckkopfes (9) das in flüssiger Phase vorliegende Material für das Mikrobauelement (1) tropfenförmig auf ein Substrat (4) ausgespritzt wird, wobei mehrere Trop­ fen (3) des Materials in einer gemeinsamen Ebene (Schicht 2) und/oder in unterschiedlichen Ebenen vorliegen und nach dem Erstarren das Mikrobauele­ ment (1) bilden.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich­ net, daß gleichzeitig oder nacheinander das Materi­ al für das Mikrobauelement (1) und ein flüssiges Stützmaterial (7) aus zumindest einem Druckkopf (9) ausgespritzt werden.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch ge­ kennzeichnet, daß das Material für das Mikrobauele­ ment (1) und das Stützmaterial (7) aus verschiede­ nen Auslaßöffnungen (11) eines Druckkopfs (9) aus­ gespritzt werden.

4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprü­ che, dadurch gekennzeichnet, daß nach der Fertig­ stellung des Mikrobauelements (1) das Stützmaterial (7) entfernt wird, so daß das Mikrobauelement (1) freigelegt wird.

5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprü­ che, dadurch gekennzeichnet, daß als Material für das Mikrobauelement (1) Kunststoff, Metall und/oder Glas verwendet wird, das vorzugsweise eine niedrige Schmelztemperatur besitzt.

6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprü­ che, dadurch gekennzeichnet, daß das Mikrobauele­ ment (1) nachbehandelt wird, indem es einer Wärme­ behandlung und/oder einer Behandlung mit einer Che­ mikalie unterzogen wird.

7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeich­ net, daß die Chemikalie flüssig oder gasförmig ist.

8. Verwendung eines nach dem Tintendruckprinzips arbeitenden Druckkopfs (9) zur Herstellung eines Mikrobauelements (1), wobei mit dem Druckkopf (9) das Material (3) für das Mikrobauelement tropfen­ förmig auf ein Substrat (4) ausgespritzt wird und einzelne Tropfen (3) in einer gemeinsamen Ebene (Schicht 2) und/oder in unterschiedlichen Ebenen vorliegen.

9. Vorrichtung zum Herstellen eines Mikrobauele­ ments, dadurch gekennzeichnet, daß die Vorrichtung zumindest einen Druckkopf (9) nach Anspruch 8 um­ faßt.

10. Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekenn­ zeichnet, daß der Druckkopf (9) eine Mediumkammer (10), eine Wandung der Mediumkammer bildende Membran (12) und einen Aktor (13) zur Auslenkung der Membran (12) umfaßt, wobei die Mediumkammer (10) zumindest eine Ausspritzöffnung (11) aufweist, und wobei der Aktor (13) von der Membran (12) ther­ misch entkoppelt ist.