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Wirtschaftliche Glassensorik auf Basis der Prozesskette Heißprägen

Schlussbericht; Bewilligungszeitraum: 01.12.2009 - 30.09.2011; Förderkennzeichen AIF 16436 BR
 
: Edelmann, Jan; Worsch, Christian

:
Volltext (PDF; )

Chemnitz, 2012, 39 S.
AIF-Forschungsbericht, AIF 16436 BR
Deutsch
Bericht, Elektronische Publikation
Fraunhofer IWU ()
Sensor; Glas; Sensorik; Beschichtung; Heißprägen; Wirtschaftlichkeit; Prozesssicherheit; Mikrooptik; Mikrofluidik; Glassubstrat; Scherrate; Viskosität; Dehnbarkeit; Fertigungsoptimierung; Beschichtungstechnik; Metallische Schicht; Sensorsystem

Abstract
Das Ziel der Arbeiten bestand darin, aus der Forderung nach einer maximal dehnbaren und gleichzeitig haftmindernd wirksamen Schichtdicke das Optimum für Sensorstrukturen der Mikrooptik und Mikrofluidik zu finden, um Sensorsysteme auf Glasbasis wirtschaftlich und prozesssicher herzustellen. Durch die Beschichtung der Glassubstrate wurde bei allen untersuchten Beschichtungen eine Verschiebung der kritischen Klebeneigung bis nahe an den Erweichungspunkt des Glases erfasst. Weiterhin wurde beobachtet, dass bis zum Erreichen dieser Viskosität Haftkräfte auftraten, welche einer Größenordnung von maximal 10 % unbeschichteter Substrate entsprachen. In einem bestimmten Bereich sind dabei alle Beschichtungen duktil. Jedoch zeigt sich bei größeren Deformationsgraden Schichtversagen in Form von Rissen, was allerdings nicht notwendigerweise zu einer Beeinträchtigung des Formungsprozesses führt. Die Experimente zur Optimierung der Schichtdicke bestätigten die Vermutung, dass die Schichten auf dem Glassubstrat umso dehnbarer sind, je dünner sie werden. Andererseits muss natürlich die haftmindernde Wirkung gewährleistet bleiben. Vergleichende Untersuchungen zur Werkzeugbeschichtung haben gezeigt, dass diese nicht zu einer Verbesserung der Abbildungsgenauigkeit bei der Mikrostrukturierung von Glas durch Heißprägen beitragen kann, sondern lediglich das Verschleißverhalten der Werkzeuge in der klassischen Glasformgebung verbessert. Die Beschichtung des Glases ermöglicht dagegen ein Heißprägen mit hohen Scherraten bei niedrigen Viskositäten. Dies wirkt sich positiv auf die Abformgenauigkeit sowie die Zykluszeit für das Heißprägen aus. Außerdem werden schädliche Eigenspannungen im Glas während der Abformung reduziert. Es hat sich gezeigt, dass sowohl metallische und oxidische als auch Kohlenstoffschichten zur Verringerung der Haft- und Klebeneigung geeignet sind. Je nach Anwendungsfall wird zu entscheiden sein, welche Beschichtungsart zu bevorzugen ist. Die besonders glasähnlichen oxidischen Schichten, wie die untersuchten Pyrosilschichten, eignen sich sowohl in optischen und fluidischen Anwendungen, sofern nicht eine rückstandsfreie Entfernung nach dem Heißprägen gefordert ist. Der optimale Schichtdickenbereich liegt zwischen 20 nm und 30 nm. Dickere Schichten weisen eine geringere Dehnbarkeit auf und dünnere Schichten vermindern die Haftkräfte nicht mehr wirkungsvoll. Eine Kohlenstoffschicht lässt sich durch Oxidation besonders einfach entfernen. Dünne Edelmetallschichten zerfallen während des Prägeprozesses in Nanopartikel. Hierdurch ergeben sich völlig neue Anwendungsgebiete auf dem Feld der Sensorik. Auch eine Kombination von metallischer und oxidischer Schicht ist möglich, um die Stabilität der Nanopartikelschichten zu erhöhen. Das Bonden der beschichten Gläser ist möglich. Die neue Beschichtungsstrategie ermöglicht die Strukturierung von Gläsern mit hoher Klebeneigung und erweitert die Palette einsetzbarer Werkzeuqwerkstoffe. Das Heißprägen beschichteter Gläser ermöglicht damit die Abformung komplexer Geometrien zur großflächigen Mikrostrukturierung anorganischer Gläser.

: http://publica.fraunhofer.de/dokumente/N-225012.html