Mikrostrukturierung von Flachglas durch Heißprägen

Dissertation Jan Edelmann, Scripts pecision, Technische Universität Chemnitz, Band 5
1. Auflage 2012
ISBN: 978-3-942267-54-0
Verlag: Wissenschaftliche Scripten

Buch, Deutsch, Band Band 5, 158 Seiten, PB, Format (B × H): 148 mm x 210 mm, Gewicht: 280 g

Reihe: Scripts Precision and Microproduction Engineering

Die Prozessgestaltung und Prozessführung beim Heißprägen von Flachglas bilden das Kernthema dieser Dissertation. Primäres Ziel ist das Schaffen von Voraussetzungen für eine reproduzierbare, berechenbare und ressourceneffiziente Replikation von Mikrostrukturen in Glas, einhergehend mit der Verbesserung der Abbildungsgenauigkeit. Ein Prozessmodell ermöglicht es, die erforderliche Presskraft und Prägezeit zum Realisieren eines definierten Umformweges zu berechnen. Die Optimierung der Prozessführung gestattet die prozesssichere Replikation mikrofluidischer und mikrooptischer Komponenten. Das sekundäre Ziel der Arbeit ist die Untersuchung einer neuartigen Beschichtungsstrategie zum Verringern von Haft- und Klebeerscheinungen zwischen Formwerkzeug und Glassubstrat. Das Beschichten des Glases wirkt sich positiv auf die Abformgenauigkeit sowie die Zykluszeit für das Heißprägen aus und erlaubt durch die Reduzierung der Haftkräfte die Abformung komplexer Geometrien zur großflächigen Mikrostrukturierung anorganischer Gläser.

Schlagworte: Mikrofertigung, Glas, Heißprägen, Glaspressen, Mikrofluidik, Mikrooptik

The process design and control in hot embossing of flat glass forms the main topic of this thesis.
The primary goal is the creation of conditions for a reproducible, predictable and resource-efficient replication of microstructures in glass, in conjunction with the improvement of accuracy. A process model allows the calculation of the necessary pressing force and time for the realization of a defined forming stroke. The process optimization guarantees the process reliable replication of micro fluidic and micro optic components. The secondary goal of the thesis is the examination of a new coating strategy for the decrease of adhesion and sticking between forming tool and glass substrate. The glass coating affects the accuracy as well as the cycle time for hot embossing positively. By the reduction of adhesive forces it is possible to realize complex geometries in large area micro structuring of inorganic glasses.

Keywords: micro production, hot embossing, glass pressing, micro fluidics, micro optics

Autoren/Hrsg.

Edelmann, Jan

Schubert, Andreas

Inhaltsverzeichnis

1 Einleitung und Motivation
2 Formgebung technischer Gläser in der Mikrosystemtechnik
2.1 Überblick zu industriell eingesetzten technischen Gläsern
2.1.1 Eigenschaften von Glas
2.1.2 Wichtige Glasarten
2.1.3 Glasfertigungstechnik
2.2 Mikrostrukturierung von Glas
2.2.1 Definition der Mikrostrukturierung
2.2.2 Anforderungen zur Mikrostrukturierung von Glas
2.2.3 Abtragende Verfahren zur Mikrostrukturierung von Glas
2.2.4 Abformverfahren zur Mikrostrukturierung von Glas
2.3 Handlungsbedarf zur industriellen Nutzung der Glasheißformgebung
3 Zielsetzung
4 Versuchsvoraussetzungen
4.1 Versuchsanlagen zum Heißprägen
4.2 Prozessabfolge des Heißprägens
4.3 Werkzeugsystem Mikroheißprägen
4.4 Werkzeuge für das Heißprägen von Glas
Prozessfenster zur Mikrostrukturierung von Flachglas durch Heißprägen
5.1 Beeinflussbare Parameter zur Prozessgestaltung
5.2 Viskositäts-Temperatur-Verhalten von Glas
5.3 Prozessmodell des viskosen Flusses
5.4 Experimentelle Verifikation
5.4.1 Versuchsplanung und Fehlerbetrachtung
5.4.2 Versuchsdurchführung
5.4.3 Einsenkverhalten bei konstanter Viskosität
5.4.4 Viskositätskurven
5.4.5 Freie Formausbildung von Linsen
6 Prozessgestaltung zur Verbesserung der Abbildungsgenauigkeit
6.1 Systematische Formabweichungen zwischen Werkzeug und Glas
6.1.1 Formabweichung bestimmende Parameter
6.1.2 Messmethodik und Genauigkeit
6.1.3 Rechnerische Ermittlung von Korrekturfaktoren
6.1.4 Experimentelle Ermittlung von Korrekturfaktoren
6.2 Einfluss der Prozessparameter auf die Abbildungsgenauigkeit
6.2.1 Abbildungsfehler durch Prozessgaseinschlüsse
6.2.2 Kantenverrundung durch unzureichende Pressung
6.2.3 Grenzen der Prozessgestaltung zur Verbesserung der Abbildungsgenauigkeit
6.3 Entformung – Strategien und Grenzen
6.3.1 Neuartige Beschichtungsstrategie
6.3.2 Substrate und Beschichtungen
6.3.3 Haft- und Klebeverhalten beschichteter Gläser
6.3.4 Dehnbarkeit der Beschichtung und deren Grenzen
6.3.5 Heißgeprägte Mikrofluidikstrukturen
6.3.6 Einfluss von Werkzeugbeschichtungen im Prozess
7 Kostenstruktur zum Heißprägen von Glas
8 Zusammenfassung und Ausblick
Literaturverzeichnis
Abbildungsverzeichnis
Tabellenverzeichnis
Lebenslauf
Danksagung