Ultraschallthermoformen

Peng, Yujiang; Schnakenberg, Uwe; Schomburg, Werner Karl

doi:40692

Ultraschallthermoformen = Ultrasonic thermoforming

Peng, Yujiang^RWTH*

2021

Verantwortlichkeitsangabevorgelegt von Yujiang Peng

ImpressumAachen : RWTH Aachen University 2021

Umfang1 Online-Ressource : Illustrationen

Dissertation, Rheinisch-Westfälische Technische Hochschule Aachen, 2021

Veröffentlicht auf dem Publikationsserver der RWTH Aachen University

Genehmigende Fakultät
Fak04

Hauptberichter/Gutachter
Schomburg, Werner Karl (Thesis advisor)^RWTH* ; Schnakenberg, Uwe (Thesis advisor)^RWTH*

Tag der mündlichen Prüfung/Habilitation
2021-08-25

Online
DOI: 10.18154/RWTH-2021-08544
URL: https://publications.rwth-aachen.de/record/825827/files/825827.pdf

Einrichtungen

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

Inhaltliche Beschreibung (Schlagwörter)
microfluidics (frei) ; microsystem (frei) ; polymer (frei) ; sensor (frei) ; ultrasonic thermoforming (frei)

Thematische Einordnung (Klassifikation)
DDC: 620

Kurzfassung
Ultraschallthermoformen ist ein neues Verfahren zur Herstellung dreidimensionaler Mikrostrukturen aus theromplastischen Kunststoffen. Diese Dissertation konzentriert sich auf die Grundlagen des Verfahrens. Andere Ultraschallfertigungsverfahren werden auch diskutiert. Beim Ultraschallthermoformen werden Polymerlagen zwischen zwei Werkzeugen eingeschlossen und durch Ultraschallschwingungen erwärmt. So passt sich das Polymer Mikrostrukturen auf den Werkzeugen innerhalb von Sekunden an. Im ersten Teil dieser Arbeit werden grundlegende Untersuchungen des Ultraschallthermoformens beschrieben. Testwerkzeuge mit Mikrostrukturen unterschiedlicher Formen und Kantenverrundungen wurden entworfen, um das Prozessfenster und die Grenzen des Verfahrens zu ermitteln. Die Abmessungen der hergestellten Mikrostrukturen wurden mit denjenigen der Werkzeuge verglichen. Dabei wurde kein offensichtlicher Schrumpf des Polymers festgestellt. Die Experimente zeigten, dass feste Werkzeuge aus Aluminium besser geeignet sind als solche aus weicheren Materialien, weil das Prozessfenster dann viel größer ist. Besonders dünne Folien im Bereich von 16 bis 20 µm wurden erfolgreich mit Werkzeugen aus festem Material umgeformt, indem Pufferfolien auf die Werkzeuge platziert wurden. Die Messungen zeigten, dass das an der Sonotrode befestigte Werkzeug einige 10 °C wärmer wurde als das auf dem Amboss angebrachte. Beide Werkzeuge wurden mehrere °C wärmer, wenn das Werkzeug mit den konvexen Mikrostrukturen an der Sonotrode anstatt auf dem Ambuss befestigt war. Beide Werkzeuge waren in ihrer Mitte einige °C wärmer als an ihrem Rand. Die Temperatur der thermogeformten Folien war ungleichmäßig verteilt, korreliert mit der Form der Mikrostrukturen. In weiteren Untersuchungen wurden elektrische Bauteile in mit Ultraschall gefertigte Mikrosysteme integriert. Mikrokanäle mit unterschiedlichen Abmessungen, Geometrie und Anschlüssen wurden erfolgreich in Folien (3 × 5 cm) aus PET-G thermogeformt. LEDs wurden durch Ultraschallverschweißen mit einer ebenen Folie darin integriert. Außerdem wurde ein Mikroflusssensor durch das Verschweißen zweier halbzylindrisch geformter Kanäle hergestellt. Dieser Sensor wurde mit drei Arten von Flüssigkeiten getestet. Außerdem wurde eine Linse mit verstellbarem Fokus hergestellt, indem drei Folien mit Ultraschall in einem einzigen Schritt thermogeformt, geprägt und gestanzt wurden. Nach der Füllung mit Wasser wurde der Fokus durch das mit einer integrierten Spule erzeugte Magnetfeld verändert. Im letzten Teil der Arbeit wurden Mikromembranen aus einer einzigen Lage PEEK bzw. durch Verschweißen mit einer thermogeformten Folie hergestellt. Ihre Resonanzfrequenzen wurden gemessen und analysiert.

Ultrasonic thermoforming is a novel process to generate three-dimensional micro structures in the production of thermoplastic microfluidic systems. This thesis focuses on basic investigations of thermoforming with ultrasound. Ultrasonic fabrication techniques are also discussed. For ultrasonic thermoforming, polymer layers are enclosed between two tools and heated up by the vibrations of ultrasound. This way, the polymer adapts to micro structures on the tools within seconds. In the first part of this thesis, basic investigations of ultrasonic thermoforming were launched. Test tools were designed containing micro structures of varied shapes and edge roundings to find out the process window and to better understand the limits of ultrasonic thermoforming. The dimensions of the micro structures fabricated by ultrasonic thermoforming were measured and compared to the dimensions of the tool. No obvious shrinkage of the polymer caused by the process was observed. Experiments showed that rigid tools from aluminum are superior compared to tools from softer material. When using a rigid tool, the process window is much larger. Extra thin foils, 16 to 20 µm in thickness, were successfully thermoformed by a rigid tool with the aid of buffer foils. Measurements showed that the tool fixed on the sonotrode got tens of degrees hotter than the one fixed on the anvil. Both tools got several degrees hotter if the tool with convex microstructures was fixed on the sonotrode compared to fixed on the anvil. On each tool, the temperature in the center was generally higher than in the surrounding area and the difference was about several degrees. The temperature of the thermoformed foils was not homogeneously distributed; it correlated to the shape of the structures. In further developments, electrical elements were integrated into ultrasonically fabricated microsystems. Micro channels and cavities with different dimensions, geometry, and connection were successfully thermoformed into PET-G foils (3 × 5 cm). LEDs were integrated into it by ultrasonic welding with a flat foil. Furthermore, a micro flow sensor with a cylindrical flow channel was fabricated by welding two semi-cylindrical channels onto each other. The flow sensor was tested with three kinds of liquids. Additionally, a variable focus lens was fabricated. Three foils for the lens were ultrasonically fabricated in a single step by combining ultrasonic thermoforming, ultrasonic hot embossing, and ultrasonic punching. After filling with pure water, the focal length of the lens was varied according to the magnetic field generated by an integrated coil. In the last part of this thesis, single-layer PEEK microdiaphragms and composite microdiaphragms were fabricated by ultrasonic thermoforming and welding. Their resonance frequencies were successfully measured and analyzed.

OpenAccess:
PDF
(additional files)