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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen eines mikrostrukturierten Werkstücks mittels eines 3D-Druckers.
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Der Begriff „mikrostrukturiert“ bezieht sich hier auf eine Strukturierung mit Abmessungen im Submillimeterbereich, d. h. von kleiner als 1000 µm. Das Werkstück ist also mit einem Strukturmuster, das Strukturen mit Abmessungen bzw. Dimensionen von kleiner als 1000 µm aufweist, ausgebildet bzw. versehen (wobei das Strukturmuster auch Strukturen mit Abmessungen von 1000 µm und mehr aufweisen kann).
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Die Herstellung von, beispielsweise optischen, Mikrostrukturen erfolgt häufig mit einem Mikrothermoform-Verfahren, genannt Embossing. Dabei werden Polymermaterialien, die die gewünschten optischen Eigenschaften aufweisen, auf z. B. ein Metallsubstrat aufgeprägt. Hierzu werden die optischen Strukturen unter erhöhter Temperatur und Druck von einem Stempel, der auf seiner Oberfläche ein Negativ der aufzubringenden Struktur aufweist, auf einen (während des Embossingvorganges fließfähigen) Thermoplast übertragen. Mit Embossing können Strukturen im Nanometerbereich übertragen werden, jedoch ist das Verfahren relativ teuer.
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Zunehmend gewinnen 3D-Druckverfahren an Bedeutung. Unter 3D-Druck wird der drucktechnische Aufbau von dreidimensionalen Werkstücken verstanden. Aus dem Stand der Technik sind verschiedene 3D-Druckverfahren bekannt, wie z. B. selektives Lasersintern, Stereolithographie oder Fused Deposition Modeling (Schmelzschichtung). Die gedruckten Strukturen können aus verschiedenen (zum Teil durch das verwendete Verfahren vorgegebenen) Werkstoffen bestehen, z. B. Metalle, Kunststoffe, Kunstharze oder Keramiken. Im Gegensatz zu herkömmlichen zweidimensionalen Druckverfahren erfolgt 3D-Drucken häufig ohne einen Druckträger (auch Substrat genannt). Es sind aber auch Verfahren bekannt, bei denen Strukturen mittels 3D-Drucks auf ein Substrat gebracht werden.
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Ein Verfahren zum 3D-Drucken unter Verwendung von Kunststoffen ist in
DE 100 18 987 A1 gezeigt.
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DE 10 2012 220 022 A1 offenbart ein Verfahren zur Herstellung einer auf einem Substrat aufgebrachten Spule, wobei zumindest die ersten Windungsabschnitte durch ein 3D-Druckverfahren, beispielsweise Tintenstrahldruck (der englische Fachbegriff lautet „Inkjetdruck“) von elektrisch leitfähiger Tinte, aufgebracht werden.
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DE 102 07 393 A1 beschreibt ein Verfahren und ein Gerät zur Herstellung von Form- und Funktionsmustern aus Kunststoff, beispielsweise für mikrofluidische Anwendungen. Die Technik erlaubt es, durch schichtweises Drucken und Verfestigen der aufgedruckten Substanzen, einen dreidimensionalen Aufbau durchzuführen, bei dem vor allem die Möglichkeit besteht, innere Strukturen, wie z. B. Mikrokanäle, zu erzeugen und diese ggf. mittels einer Opferkomponente auch in komplizierter Geometrie aufzubauen. Hierzu werden verfestigbare Substanzen, z. B. Polymere, schichtweise auf einen Träger in Form von Tropfen, Linien oder zusammenhängenden, dünnen Schichten aufgebracht und anschließend verfestigt, vorzugsweise durch Polymerisieren oder Vernetzung. Das schichtweise Auftragen der die Mikrostruktur bildenden Substanzen erfolgt mittels geeigneter Druckverfahren, z. B. mit Hilfe von Tintenstrahldruckern.
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In den oben beschriebenen technischen Lösungen wird ein Strukturmuster unmittelbar mittels 3D-Drucks erzeugt. Dabei ist jedoch die kleinste Strukturabmessung durch die kleinste, konstruktions- und verfahrensbedingt erzielbare Auflösung, im Folgenden als „native Auflösung“ bezeichnet, des verwendeten 3D-Druckers begrenzt, wobei die native Auflösung durch die kleinste mit dem 3D-Drucker selbst erzeugbare Strukturabmessung vorgegeben ist.
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Aus dem Stand der Technik ist die Formung von mikrostrukturierten Oberflächen mit Spritzgussverfahren bereits hinlänglich bekannt. Ein Verfahren zur Mikrostrukturierung von Oberflächen bei einem Spritzgussverfahren ist in
DE 10 2007 030 307 A1 beschrieben.
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Es sind auch spanende Verfahren mittels eines Werkzeugs zur Herstellung von feinsten Strukturen bekannt. Hier wird jedoch die Auflösung, d. h. die minimal erreichbare Strukturgröße, durch das verwendete Werkzeug bzw. dessen Form und Abmessungen bestimmt.
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Insbesondere ist mit einem spanenden Verfahren oder 3D-Druck die Erzeugung von innenliegenden scharfen Kanten, beispielsweise V-förmigen Gräben, nicht möglich. Bei spanenden Verfahren ist die Geometrie der erzeugbaren Strukturen durch die Geometrie des Werkzeuges begrenzt, bei dem 3D-Druck ist die Auflösung durch das verwendete Material sowie das eingesetzte Verfahren limitiert.
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Die Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren zum Herstellen eines mikrostrukturierten Werkstücks mithilfe eines 3D-Druckers anzugeben, vermittels dessen Mikrostrukturen mit scharfen Kantengeometrien, d. h. Krümmungsradien an Kanten von weniger als 5 µm, herstellbar sind, wobei das in das Werkstück eingebrachte Strukturmuster definierte Strukturen mit Dimensionen kleiner als die native Auflösung des verwendeten 3D-Druckers aufweisen soll.
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Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren zum Herstellen eines mikrostrukturierten Werkstücks gemäß Anspruch 1 gelöst; zweckmäßige Ausgestaltungen der Erfindung befinden sich in den Unteransprüchen.
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Gemäß dem Verfahren wird das mikrostrukturierte Werkstück mittels 3D-Druckens unter Ausbildung eines Strukturmusters hergestellt bzw. (schichtweise) aufgebaut.
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Hierzu wird eine Vorlage, die eine mikrostrukturierte Oberfläche aufweist, auf eine ggf. höhenverstellbare Bauplattform, im Folgenden als „Druckertisch“ bezeichnet, in der Art platziert, dass die mikrostrukturierte Oberfläche an den durch den 3D-Druck des herzustellenden Werkstückes zu bedruckenden (d. h. auszufüllenden) Raum angrenzt. Für den anschließenden 3D-Druck wird entweder der Druckertisch positioniert und ggf. justiert oder der Druckkopf derart programmiert gestartet, dass die erhöhte mikrostrukturierte Vorlage erfasst wird. Die Vorlage dient sodann mit ihrer mikrostrukturierten Oberfläche als eine Begrenzungsfläche für das durch den 3D-Druck herzustellende Werkstück. Danach wird der Druckvorgang gestartet, wobei die Vorlage während des 3D-Druckens derart in den Druckprozess mit eingebzogen, d. h. bedruckt, wird, dass in die Oberfläche des gedruckten Werkstücks ein Strukturmuster eingebracht wird, das die mikrostrukturierte Oberfläche der Vorlage abbildet.
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Indem die Vorlage mit einer Vorstrukturierung versehen ist, die Mikrostrukturen mit Abmessungen aufweist, die unterhalb der nativen Auflösung des verwendeten 3D-Druckers liegen, kann eine derartige Mikrostruktur, d. h. das Negativ dieser Mikrostruktur, auf das durch den 3D-Drucker hergestellte Werkstück übertragen werden. So kann z. B. vorgesehen sein, dass die Vorlage Vertiefungen und/oder Erhebungen mit Mikrostrukturabmessungen aufweist, die kleiner sind als die native Auflösung des 3D-Druckers. Mittels Bedruckens einer solchen Vorlage, z. B. als Substrat, mit dem 3D-Drucker kann von dem 3D-Drucker ein Werkstück mit einem Strukturmuster erzeugt werden, das Mikrostrukturen mit Abmessungen kleiner als die Auflösungsgrenze des 3D-Druckers aufweist.
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Der (schichtweise) Aufbau des Werkstücks kann mit allen gängigen 3D-Druckverfahren aus einem oder mehreren flüssigen oder festen Werkstoffen erfolgen. Beispielsweise können transparente Polymere, nicht-transparente Polymere wie ABS-Kunststoff (Acrylnitril-Butadien-Styrol), metallische und keramische Werkstoffe eingesetzt werden.
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Die Vorlage besteht vorzugsweise aus einem Werkstoff wie Metall, Keramik, Polymer, Verbundwerkstoff oder einem Halbleitermaterial. Eine Mikrostruktur - aufweisend beispielsweise Vertiefungen, Erhebungen, Pyramiden, Prismen, Kanäle und/oder Zylinder - wird auf der Oberfläche der Vorlage durch ein bekanntes Verfahren, z. B. mittels Ultrapräzisionsfräsen, galvanisch oder durch (selektives und/oder anisotropes) Ätzen, hergestellt.
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Beispielsweise wird als Vorlage ein Nickelplättchen verwendet, auf dessen einer Seite auf der Oberfläche eine Mikrostruktur elektrolytisch mittels eines galvanischen Verfahrens hergestellt wurde. Als Vorlage kann auch ein (111)-orientiertes Silizium-Substrat dienen, auf dessen Oberfläche mittels Strukturierens und anisotropen (d. h. kristallorientierungsabhängigen) Ätzens eine Mikrostruktur, bestehend aus einer Vielzahl regelmäßig angeordneter Pyramiden, aufgebracht wurde.
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Die Vorlage kann aber auch eine Matrize, d. h. ein Negativ, für eine Schallplatte, eine Musik-CD oder eine CD mit Software sein.
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Die Vorlage ist vorzugsweise eine ebene Platte oder ein ebenes Plättchen mit einer auf der Oberfläche einer der beiden Seiten aufgebrachten Mikrostruktur. Es kann auch vorgesehen sein, dass die Vorlage die Form einer Schale mit einer (leicht) gekrümmten Oberfläche aufweist. Ebenso kann die Vorlage eine Pyramide oder ein Quader sein, wobei beispielsweise auf allen Außenflächen jeweils eine Mikrostruktur aufgebracht ist.
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In bevorzugter Weise wird die Vorlage nur zum Replizieren der Mikrostruktur benutzt, sodass die Vorlage nach dem Druckvorgang von dem fertig gedruckten Werkstück entfernt wird. Hierzu wird in vorteilhafter Weise eine Kombination von Materialen für die Vorlage und das Werkstück gewählt, die ein mechanisches Entfernen der Vorlage von dem Werkstück ohne großen Kraftaufwand und Beschädigung von Werkstück und Vorlage erlauben. Beispielsweise kann die Vorlage auch mit einer Antihaftschicht beschichtet sein, durch die nur eine leichte Haftung zwischen Werkstück und Vorlage auftritt. Die mit der Mikrostruktur strukturierte Vorlage ist vorzugsweise aus einem keramischen Werkstoff, welcher chemisch inert ist.
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Ein Vorteil des Verfahrens ist, dass die Dimensionen des in das gemäß dem Verfahren hergestellten Werkstücks eingebrachten Strukturmusters kleiner sein können, als es die native Auflösung des verwendeten 3D-Druckers erlaubt. Ein weiterer Vorteil ist, dass das Verfahren im Vergleich zum Embossing-Verfahren kostengünstiger ist.
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Das erfindungsgemäße Verfahren ist beispielsweise zur kostengünstigen Herstellung von lichtlenkenden Mikroprismen einsetzbar. Die durch das Verfahren hergestellten Mikroprismen zeichnen sich durch scharfe (d. h. nicht abgerundete) Kanten aus.
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Bevorzugt wird das Strukturmuster (zumindest abschnittsweise) an einer Außenseite bzw. Außenfläche des Werkstücks ausgebildet.
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Gemäß einer Ausgestaltungsvariante des Verfahrens wird eine Vorlage mit der strukturierten Seite nach oben auf den Druckertisch gelegt. Anschließend wird das Werkstück auf die Vorlage gedruckt. Auf diese Art wird an der Unterseite, d. h. der von der Vorlage kontaktierten Bodenfläche, des Werkstückes ein Abdruck der Mikrostruktur der Vorlage erzeugt.
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In weiterer Ausgestaltung der Erfindung wird das Strukturmuster an einer Seitenwand bzw. Seitenfläche des Werkstücks ausgebildet. Dies wird beispielsweise dadurch erreicht, dass die Vorlage - z. B. in einer Haltevorrichtung - mit ihrer mikrostrukturierten Fläche in einer vertikalen Ebene ausgerichtet angeordnet wird. Somit bildet die Vorlage eine seitliche Begrenzungswand während des Druckvorganges für das herzustellende Werkstück. Das Werkstück wird bis an die Vorlage heran gedruckt, sodass die Mikrostruktur der Vorlage auf eine Seitenwand des Werkstückes übertragen wird.
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Ein Aufbringen des Strukturmusters auf die Seitenwand ist z. B. auch möglich, indem die Vorlage mit der strukturierten Seite nach oben ausgerichtet auf den Druckertisch gelegt wird, wobei das herzustellende Werkstück derart ausgerichtet auf die Vorlage gedruckt wird, dass die Seitenwand des Werkstücks während des Druckvorganges nach unten, zum Druckertisch hin, gerichtet ist. (d. h., das Werkstück wird auf der Seite liegend gedruckt).
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In einer weiteren Ausführungsform ist vorgesehen, dass das Strukturmuster (zumindest abschnittsweise) im Inneren des Werkstücks liegend ausgebildet wird.
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Eine Struktur innerhalb des Werkstücks wird z. B. dadurch erreicht, dass ein erstes Teilstück des herzustellenden Werkstücks nach o. g. Weise mit außenliegender Mikrostruktur hergestellt wird. Anschließend wird das halbfertige Werkstück vom Druckertisch entfernt und mit der mikrostrukturierten Fläche nach oben zeigend wieder auf dem Tisch platziert. Danach wird der Druckvorgang fortgesetzt. Die Struktur lässt sich so mittels 3D-Drucks einschließen.
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In einer anderen Ausführungsform zur Erzeugung einer Mikrostruktur innerhalb des Werkstücks wird zunächst auf dem Druckertisch ohne die Vorlage mittels des 3D-Druckverfahrens ein erstes Teilstück des herzustellenden Werkstückes angefertigt. Es wird hierbei (auf diesem Werkstückteil) eine Struktur erzeugt, die eine Halterung für die Vorlage darstellt, beispielsweise eine Aussparung. Der Druckvorgang wird unterbrochen und die Vorlage in die gedruckte Halterung platziert. Danach wird der Druckvorgang fortgesetzt, wobei nun (zumindest teilweise) auf die Vorlage gedruckt wird.
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In einer weiteren Ausführungsvariante wird mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens eine Codierungs-Strukturierung, d. h. ein unikaler Identifizierungscode, erzeugt, wobei die Codierungs-Strukturierung Strukturen mit Abmessungen aufweist, die kleiner sind als die Auflösungsgrenze des 3D-Druckers und des menschlichen Auges.
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Die Codierungs-Strukturierung kann (zumindest abschnittsweise) an einer Außenseite bzw. Außenfläche des Werkstücks liegend ausgebildet werden. Alternativ oder zusätzlich dazu kann vorgesehen sein, dass die Codierungs-Strukturierung (zumindest abschnittsweise) im Inneren des Werkstücks liegend ausgebildet wird.
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Die Codierungs-Strukturierung kann z. B. im Inneren des Erzeugnisses angeordnete Hohlraumstrukturen aufweisen. Alternativ oder zusätzlich dazu kann die Codierungs-Strukturierung Strukturen aus einem ersten und einem zweiten Material aufweisen, wobei z. B. eine Struktur durch Einbetten des ersten Materials in das zweite Material erzeugt werden kann. Alternativ oder zusätzlich dazu kann die Codierungs-Strukturierung eine Strukturierung einer Außen- bzw. Oberfläche des Erzeugnisses umfassen.
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Die derart erzeugten Codierungs-Strukturierungen mit Strukturgrößen im Mikrometerbereich können (durch entsprechende Wahl der Materialien und der Geometrie der erzeugten Strukturen) z. B. als optisch, magnetisch, elektrisch oder taktil auslesbare Codes ausgebildet sein.
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Es kann auch vorgesehen sein, dass Codierungs-Strukturierungen mit digitalisierten Informationen erzeugt werden, z. B. in Form eines von CDs oder DVDs bekannten Bitmusters. Diese Codierung kann dann mittels eines Lasers ausgelesen und z. B. an einem PC ausgewertet und/oder weiter verarbeitet werden.
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Auf der Vorlage kann das Negativ der Codierungs-Strukturierung unmittelbar mittels eines Nanoindenters (ein Gerät, das zur Bestimmung der Härte von Materialien auf kleinen Längenskalen entwickelt wurde) erzeugt werden. Dabei ist die kleinste Strukturabmessung durch die erreichbare Auflösung des verwendeten Nanoindenters bzw. dessen Indenterspitze begrenzt; wobei die erreichbare Auflösung die kleinste mit dem Nanoindenter erzeugbare Strukturabmessung kennzeichnet.
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Beispielsweise kann ein auf einer derartigen Codierungs-Strukturierung basierender Identifikationscode eine definierte Anordnung von mit einem Nanoindenter auf der Oberfläche der Vorlage erzeugten Punkten sein, die in üblicher Weise einen Durchmesser und eine Tiefe von wenigen Nanometern aufweisen, wodurch eine dreidimensionale Mikrostruktur gebildet ist.
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Der Vorteil eines derartigen, für das menschliche Auge unsichtbaren, Identifikationscodes auf einem gemäß dem Verfahren mit der so präparierten Vorlage hergestellten Werkstück ist, dass er nur mit einem speziellen Hilfsmittel, beispielsweise einem Rasterelektronenmikroskop (REM), erkennbar ist, sodass Plagiatprodukte ohne einen solchen Identifikationscode sofort als solche identifizierbar sind, wobei einem Hersteller der Plagiate in der Regel dieser Identifikationscode verborgen bleibt. Verwendung finden kann dieser Identifikationscode beispielsweise auf mittels einem 3D-Drucker nach dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellten Aufklebern oder Anhängern für Massenprodukte.
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Gemäß der Erfindung kann vorgesehen sein, dass für jedes herzustellende Werkstück mit Mikrostruktur eine andere Vorlage verwendet wird. Alternativ oder zusätzlich dazu wird eine einzige Vorlage verwendet, um mehrere Werkstücke mit gleichartigen Mikrostrukturen zu erzeugen, d. h. die Vorlage dient als Negativ für eine Replikation der Mikrostruktur.
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In einer weiteren Ausführungsform wird der Druckertisch oder die Vorlage geheizt. Durch die erhöhte Temperatur erstarrt der für das 3D-Druckverfahren verwendete Werkstoff, z. B. ein flüssiger Kunststoff, langsamer auf der Oberfläche der Vorlage als ohne Heizung. So ist es z. B. ermöglicht, dass die erste gedruckte Schicht des zu erstellenden Werkstücks in einem flüssigen oder semiflüssigen, d. h. pastösen, Zustand gehalten wird. Dadurch kann der Werkstoff unter Ausfüllung kleinster Hohlräume in die Strukturen der Vorlage hineinfließen, sodass eine exakte Abbildung der Vorlage gewährleistet ist.
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In einer bevorzugten Ausgestaltungsvariante wird die Vorlage mittels eines Peltierelements geheizt, wobei die Vorlage (mit ihrer der mikrostrukturierten Seite gegenüberliegenden Seite) auf dem Peltierelement fixiert wird. Somit ist durch die geheizte Vorlage eine verbesserte Replikation bzw. Ausbildung der Mikrostruktur auf der Werkstückoberfläche erreichbar.
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Das hergestellte Werkstück kann z. B. ein Werkstück mit einer optischen Mikrostruktur sein, wobei die optische Mikrostruktur von dem eingebrachten Strukturmuster gebildet wird. So kann das Werkstück z. B. ein optisches Element mit einem oder mehreren mikrooptischen Prismen oder anderen mikrooptischen Strukturen sein. Insbesondere ermöglicht das Ausbilden des Strukturmusters mittels 3D-Drucks das reproduzierbare Ausbilden von scharfen (d. h. nicht abgerundeten) Kanten, sodass z. B. bei einer aus mehreren aneinandergereihten Prismen bestehenden Sägezahn-Struktur sowohl die Prismenspitzen als auch die an der Basis zweier benachbarter Prismen ausgebildeten spitzen Einkerbungen mit demselben wohldefinierten Krümmungsradius herstellbar sind.
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Das durch das Verfahren hergestellte Werkstück kann auch eine von dem Strukturmuster gebildete fluidische Mikrostruktur aufweisen, die z. B. Stege (bzw. Rippen) mit Breiten und/oder Höhen von kleiner als 1000 µm und/oder Kanäle mit Breiten und/oder Tiefen von kleiner als 1000 µm (z. B. im Bereich zwischen 0,1 µm und 1000 µm) aufweist oder aus solchen Stegen und/oder Kanälen besteht. Der Querschnitt der Stege und/oder der Kanäle kann z. B. rechtwinklig bzw. rechteckförmig sein, es kann jedoch auch eine beliebige andere Querschnittsform vorgesehen sein.
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Ebenso kann vorgesehen sein, dass das gemäß dem Verfahren hergestellte Werkstück eine verlorene Form für ein Gießverfahren ist.
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Das erfindungsgemäße Verfahren kann weiter derart ausgebildet sein, dass die Vorlage während oder nach dem 3D-Druck „geopfert“ wird, d. h. die Vorlage wird durch das 3D-Druckverfahren oder durch einen separaten Bearbeitungsschritt im Anschluss an den 3D-Druck zerstört, beispielsweise aufgelöst oder geschmolzen.
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Die Erfindung wird nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen näher erläutert. Dazu zeigen in schematischer Darstellung:
- 1 ein Prinzipbild der Herstellung eines Werkstückes mit mikrostrukturierter Außenseite nach dem erfindungsgemäßen Verfahren; und
- 2 ein nach dem Verfahren hergestelltes, mikromagnetisches Getriebe im Querschnitt.
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1 zeigt die Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Herstellung eines mikrostrukturierten Werkstücks mit dem 3D-Druckverfahren Schmelzschichtung (auch englisch „Fused Deposition Modeling“ genannt) mit einem Kunststoffdraht aus Polylactid (PLA - vom englischen Wort polylactic acid).
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Auf dem Druckertisch 1 befindet sich die auf ihrer Oberfläche mit der Mikrostruktur 3 (in der Figur stark vergrößert dargestellt) strukturierte Vorlage 2. Das Werkstück 7 wird mittels des 3D-Druckverfahrens schichtweise aufgebaut. Der Draht 6 aus dem Kunststoff PLA wird mit Hilfe von Treibrädern 8 in einen Verflüssiger 4 geführt, in dem der Kunststoff durch Temperaturerhöhung verflüssigt und anschließend durch die Düse 5 geleitet wird. Beim Kontakt mit der Oberfläche der Vorlage 2 bzw. mit einer bereits gedruckten Schicht des Werkstücks 7 ist der Kunststoff somit flüssig. Wenn die Vorlage 2 mit der ersten Ebene 7.1 des Werkstücks 7 bedruckt wird, fließt der Kunststoff in das Strukturmuster 3 hinein. Nach dem Erstarren weist somit die erste Kunststoffebene 7.1 ein Negativ der mikrostrukturierten Oberfläche 3 der Vorlage 2 auf, d. h. die strukturierte Vorlage wird als Basis für das Replizieren benutzt.
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Die 2 zeigt als Ausführungsbeispiel ein mikromagnetisches Getriebe, das (zumindest zum Teil) nach dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellt wurde. Magnetische Getriebe dienen zur berührungslosen Kraftübertragung unter Drehmoment-Drehzahl-Wandlung mittels miteinander wechselwirkender Magnete.
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Das Getriebe umfasst die Achse 21 mit dem zylinderförmigen Mikromagneten 22, den Magnetring 23 und den Stator 24. Dieser Stator 24 ist in Form einer Hülse ausgebildet, an deren Innenseite mehrere Aufnahmen 25 zum Aufnehmen, Positionieren und Fixieren der Mikromagnete 26 angebracht sind. Der Magnetring 23 ist an einer zweiten Achse (nicht dargestellt) befestigt.
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Ein Mikromagnet des mikromagnetischen Getriebes kann z. B. ein Hartmagnet oder ein Weichmagnet sein.
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Der Stator 24 wird nach dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellt, indem mehrere Vorlagen entlang einer Kreislinie und mit ihrem mikrostrukturierten Oberflächenabschnitt senkrecht positioniert werden, d. h. die mikrostrukturierten, ebenen Flächenabschnitte sind mit ihrer Flächennormale parallel zur Druckertischebene ausgerichtet. Anschließend wird der Stator 24 in der Art gedruckt, dass die Vorlagen mit ihrer mikrostrukturierten Seite jeweils die Innenwand des hülsenförmigen Stators 24 kontaktieren. Nach Beenden des 3D-Druckes werden die Vorlagen von der Innenseite der Hülse entfernt, wodurch die Aufnahmen 25 zur Aufnahme und Fixieren der Mikromagnete gebildet werden.
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Das Herstellen der Mikromagnete 26 für die Aufnahme in den Stator 24 erfolgt ebenfalls nach dem erfindungsgemäßen Verfahren, indem die Mikromagnete 26 mittels 3D-Drucks auf eine Vorlage gedruckt werden, die ein Negativ zu der für die Ausbildung der Aufnahme 25 an dem Stator verwendeten Vorlage darstellt, d. h., die für den 3D-Druck der Mikromagnete 26 verwendete Vorlage weist eine Mikrostruktur auf, die eine exakte Negativkopie der Mikrostruktur der für den Stator-3D-Druck verwendeten Vorlagen ist. Nach Fertigstellung der Mikromagnete 26 werden diese jeweils von ihrer Vorlage getrennt.
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Das Einbringen der Mikromagnete 26 in die Aufnahmen 25 des Stators 24 kann sodann erfolgen, indem die Mikromagnete 26 in die für die Fixierung der Mikromagnete 26 vorgesehenen Aufnahmen 25 des Stators 24 eingedrückt werden. Aufgrund der exakt ineinander greifenden Mikrostrukturen von Mikromagnet 26 und Aufnahme 25 kann ein Einkleben entfallen.
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Es kann auch vorgesehen sein, dass die Mikromagnete 26 mittels eines 3D-Druckers direkt in die jeweilige Aufnahme 25 eingebettet werden, indem die Mikromagnete selbst als Vorlage beim Stator-3D-Druck verwendet werden. In diesem Fall wird der Stator 24 mit seinen Aufnahmen 25 unter Einbettung der Mikromagnete 26 mittels des 3D-Druckers um die entlang einer Kreislinie angeordneten Mikromagnete 26 herum aufgebaut bzw. gedruckt. Die Aufnahme 25 wird hierbei derart um die Mikromagnete 26 herum gedruckt, dass jeder der Mikromagnete 26 zumindest teilweise in der Aufnahme 25 eingebettet und somit positioniert und fixiert ist.
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Als Druckwerkstoff, der von dem Drucker zum Aufbau der Aufnahme 25 bzw. des Stators 24 verwendet wird, wird ein Kunststoff oder eine Keramik verwendet, wodurch sich z. B. Kriechströme und/oder Wirbelströme unterdrücken lassen.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Druckertisch
- 2
- Vorlage
- 3
- mikrostrukturierte Oberfläche / Mikrostruktur
- 4
- Verflüssiger
- 5
- Düse
- 6
- Draht
- 7
- Werkstück
- 8
- Treibrad
- 21
- Achse
- 22
- Mikromagnet
- 23
- Magnetring
- 24
- Stator
- 25
- Aufnahme
- 26
- Mikromagnet