Replikative Herstellung von Metallformen für die Polymerreplikation mit geringer Oberflächenrauheit

Nature Communications Band 13, Artikelnummer: 5048 (2022) Diesen Artikel zitieren

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Werkzeugbasierte Fertigungsverfahren wie das Spritzgießen ermöglichen eine schnelle und qualitativ hochwertige Massenproduktion, bei optischen Polymerkomponenten ist die Herstellung der notwendigen Werkzeuge jedoch zeitaufwändig und teuer. In diesem Artikel wird ein Prozess zur Herstellung von Metalleinsätzen für die werkzeugbasierte Fertigung mit glatten Oberflächen über einen Guss- und Replikationsprozess aus Quarzglas-Vorlagen vorgestellt. Bronze, Messing und Kobalt-Chrom konnten erfolgreich aus geformten Quarzglasreplikationen repliziert werden, wobei eine Oberflächenrauheit von Rq 8 nm und Mikrostrukturen im Bereich von 5 µm erreicht wurden. Der Spritzguss wurde mit einem handelsüblichen Spritzgusssystem erfolgreich durchgeführt, wobei Tausende von Replikaten mit demselben Werkzeug erstellt wurden. Darüber hinaus könnten mit dem 3D-Druck von Quarzglas-Gussformen dreidimensionale Körper aus Metall realisiert werden. Diese Arbeit stellt somit einen Ansatz für hochwertige Formwerkzeuge über einen skalierbaren, einfachen und kostengünstigen Weg dar, der über die derzeit eingesetzten kosten-, arbeits- und ausrüstungsintensiven Bearbeitungstechniken hinausgeht.

Tool Based Manufacturing (TBM) ist das Verfahren der Wahl, wenn es um eine kostengünstige Massenproduktion geht. Selbst hochpräzise Komponenten wie Handykameralinsen, Fresnel-Linsen oder Mikrodiffusoren1,2 mit engen Toleranzen müssen in großen Mengen zu erschwinglichen Kosten hergestellt werden. Dieses Anforderungsprofil lässt kaum Wahlmöglichkeiten bei den Herstellungsverfahren und kann nur durch TBM3,4 realisiert werden. Vor allem das Spritzgießen hat sich de facto zum Goldstandard für die Hochdurchsatzfertigung komplex geformter Komponenten mit hohem Qualitätsstandard entwickelt5. Von besonderem Interesse sind Werkzeuge mit hochglanzpolierten Formoberflächen, da sie qualitativ hochwertige Komponenten in optischer Qualität bei relevanter Skalierbarkeit und Kosten herstellen können. Ihre Herstellung ist jedoch komplex und teuer und bleibt der größte Engpass6. Heutzutage werden Formwerkzeuge für TBM hauptsächlich durch subtraktive Bearbeitung wie Bohren, Drehen, Fräsen und Polieren hergestellt7,8. Diese Verfahren sind zeit- und materialintensiv und lassen sich nicht gut skalieren8,9. Um Formen mit optischen Oberflächen herzustellen, ist in der Regel eine hochpräzise Bearbeitung erforderlich, einschließlich Diamantdrehen und Polieren von Oberflächen bis weit in den Nanometer-Oberflächenrauheitsbereich7. Dies schränkt die Anwendbarkeit von TBM ein und macht die Prototypenerstellung von Formwerkzeugen äußerst anspruchsvoll. Abhängig von der Qualität können selbst einfache Formwerkzeuge Tausende bis Zehntausende Euro kosten9, wobei sich der eigentliche Herstellungsprozess je nach Größe, Komplexität und erforderlicher Oberflächenqualität leicht über Wochen erstreckt8. Wenn Auflösungen im Mikrometer- oder sogar Submikrometerbereich erforderlich sind, ist die Galvanisierung meist das Verfahren der Wahl. Bei diesem Verfahren werden vorgefertigte, beispielsweise fotolithografisch geformte Schablonen in ein Hartmetallsubstrat kopiert, das den Belastungen des Umformprozesses8 standhält und gleichzeitig Oberflächen von optischer Qualität bietet. Die entscheidenden Nachteile der Galvanisierung sind langsame Wachstumsraten, 12 µm/h10 sind für Nickelbeschichtungen keine Seltenheit, und die eingeschränkte Gestaltungsfreiheit bei Formwerkzeugen mit großen Dimensionsschwankungen. Es wurden verschiedene Versuche vorgestellt, eine schnellere und bequemere Herstellung von Formwerkzeugen zu ermöglichen, ein Bereich, der allgemein als Rapid Tooling oder Direct Tooling bekannt ist. Es wurden mehrere Techniken vorgestellt, um eine Vorform des Formwerkzeugs mithilfe generativer Techniken zu strukturieren, wie z. B. selektives Lasersintern (SLS)11 oder Laserstrahlbearbeitung (LBM)12. Die mit diesen Techniken erreichbaren Oberflächenrauheitswerte liegen im Bereich von Ra 2–40 µm13,14,15 und erfordern immer noch eine zeitaufwändige und teure Nachbearbeitung. Das erzeugte Preform-Formwerkzeug wird anschließend mit klassischen Bearbeitungstechniken nachbearbeitet, wodurch Material und Gesamtbearbeitungszeit gespart werden. Bisher gilt Rapid Prototyping für TBM nur in ausgewählten Anwendungen als realisierbar und gilt im Allgemeinen nicht als skalierbare Alternative zu den klassischen Herstellungstechniken für Formwerkzeuge.

In dieser Arbeit schlagen wir einen anderen Ansatz vor, bei dem das Formwerkzeug selbst durch einen Formprozess erzeugt wird, dh das Werkzeug wird durch Metallguss aus einer Replikationsvorlage erzeugt. Der Metallguss ist eine seit langem etablierte Technologie, die sich jedoch für hochauflösende Abgüsse als schwierig erwiesen hat, da die Auswahl potenzieller Materialien für die Replikationsschablone mit Sandguss die gebräuchlichste Methode für den Einsatz über 1000 °C ist. Wenn feinere Oberflächendetails erforderlich sind, ist Hochtemperatursilikon16 oft das Material der Wahl. Obwohl Strukturen im Mikrometerbereich17 und Oberflächenrauheiten im Submikrometerbereich18 erreicht werden können, erfordert dieses Verfahren niedrig schmelzende Metalle16,19 oder spezielle Legierungen20, da sich das Silikon bei hohen Temperaturen zersetzt. Die Notwendigkeit, niedrig schmelzende Legierungen zu verwenden, schränkt dabei die mechanische Stabilität des Formwerkzeugs erheblich ein. Wir kamen zu dem Schluss, dass es möglich sein sollte, relevante Werkzeugmaterialien wie Kobalt-Chrom direkt zu gießen, wenn eine Technologie zur Herstellung hochtemperaturbeständiger und hochauflösender Schablonenstrukturen verfügbar ist. In dieser Arbeit werden solche Schablonen direkt aus Quarzglas unter Verwendung sogenannter Glassomer-Nanokomposite hergestellt, die wir zuvor beschrieben haben21. Diese Nanokomposite werden durch thermisches Entbindern und Sintern in Quarzglaskomponenten umgewandelt, was zu hochtemperaturstabilen, reinen Quarzglas-Templaten führt. Die Nanokomposite können durch Stereolithographie, 2-Photonen-Polymerisation, Lithographie, Spritzguss oder Gießen verarbeitet werden21,22,23,24. Wir haben zuvor gezeigt, dass eine Vielzahl von Techniken verwendet werden können, um diese Nanokomposite mit hoher Auflösung zu strukturieren und über kostengünstige, schnelle und flexible Prozesse optische Oberflächen zu ergeben.

In dieser Arbeit zeigen wir, dass mit diesen Quarzglas-Vorlagen hochwertige Metallformen mit Strukturen im Einzel-µm-Bereich und Oberflächenrauheiten von 8 nm (Rq) ohne Nachbehandlung erhalten werden können. Die Produktionszeit für metallische Formeinsätze beträgt bei diesem Verfahren weniger als 36 Stunden, was einen schnellen Werkzeugwechsel sowie häufige Designiterationen ermöglicht (weitere Informationen finden Sie im ergänzenden Abschnitt). Die gefertigten Formwerkzeuge können ohne Einschränkungen im herkömmlichen Hochdurchsatz-Spritzgussverfahren eingesetzt werden. Da dieser Prozessablauf effektiv ein Formwerkzeug durch einen Replikationsprozess generiert, können mehrere Replikate aus Quarzglas aus derselben Masterstruktur generiert werden, wodurch die üblichen Probleme bei der Werkzeugberechnung (Herstellungskosten pro Werkzeug, Verschleiß, Ausbeute pro Werkzeug usw.) beseitigt werden .).

Die Herstellung einer Metallreplik mit unserem Verfahren besteht aus vier Schritten: Herstellung der Masterstruktur, Replikation mit dem Glassomer-Nanokomposit, Glasumwandlung durch Wärmebehandlung des Nanokomposits und schließlich Metallguss. Abbildung 1 veranschaulicht den Arbeitsablauf schematisch. Die Herstellung einer Masterstruktur erfordert eine freie Formgebung mit optischer Oberflächenveredelung. Wir haben die Masterstruktur mithilfe der 2-Photonen-Polymerisation hergestellt, einer 3D-Drucktechnologie, mit der Fotoharze mit einer Auflösung von bis zu 100 nm25,26 und einer Oberflächenrauheit im Bereich eines Nanometers23 gedruckt werden können (siehe Abb. 1a). Die gedruckte Vorlage wird anschließend in Polydimethylsiloxan (PDMS) repliziert (siehe Abb. 1a). Das PDMS ist in der Lage, Strukturen bis zu einer Wellenlänge von 500 nm27 zu erzeugen und ist für Licht bis zu einer Wellenlänge von 280 nm transparent. Wie in Abb. 1b dargestellt, wird das flüssige Nanokomposit auf die PDMS-Replikationsform gegossen und durch UV-Licht bei einer Wellenlänge von 365 nm ausgehärtet, wodurch der sogenannte „grüne Teil“ entsteht. Bei Bedarf kann das Grünteil mit herkömmlichen subtraktiven Polymerformungstechnologien weiter nachbearbeitet werden28. Der grüne Teil wird anschließend durch thermisches Entbindern und Sintern bei einer maximalen Temperatur von 1300 °C wie zuvor beschrieben28 in transparentes volldichtes Quarzglas umgewandelt (siehe Abb. 1c). Das Glassomer L50-Nanokomposit hat einen Feststoffgehalt von 50 Vol.-%, was während des Sinterprozesses zu einer isotropen linearen Schrumpfung von 20,6 % führt. Für den Metallguss wird die Quarzglasreplikation in ein phosphatgebundenes Einbettungsmaterial eingebettet (siehe Abb. 1d). Vor dem Gießen wird die Schmelzkammer zweimal mit Stickstoff gespült. Das Schmelzen des Metalls erfolgt unter Vakuum (10−1 bar) und verhindert so die Bildung von Oxidschichten, die zu Defekten in der gegossenen Metalloberfläche führen können. Beim Eingießen des flüssigen Metalls wird in der Gießkammer ein Stickstoffüberdruck von 3 bar erzeugt, der eine konforme Abformung aus dem eingebetteten Quarzglasabbild gewährleistet.

a Die Masterstruktur (positiv) wird mittels 2-Photonen-Polymerisation hergestellt, bevor sie durch Gießen (negativ) in Polydimethylsiloxan (PDMS) kopiert wird (Maßstabsbalken: 5 mm, Maßstabsbalken der vergrößerten Ansicht: 500 µm). b Herstellung von Quarzglasteilen (positiv), indem Silica-Nanokomposit auf die erstellte PDMS-Replikationsform gegossen und mit UV-Licht ausgehärtet wird (Maßstabsbalken: 5 mm, Maßstabsbalken für vergrößerte Ansicht: 500 µm). c Nach dem Entbindern und Sintern wird eine vollständig dichte und transparente Quarzglas-Replikationsstruktur erhalten (positiv) (Maßstabsbalken: 4 mm, Maßstabsbalken in der vergrößerten Ansicht: 400 µm). d Gießen von Metallen gegen die Replikationsstruktur aus gesintertem Quarzglas unter Verwendung von Bronzemetall (negativ) (Maßstabsbalken: 4 mm, Maßstabsbalken für vergrößerte Ansicht: 400 µm).

Wir haben dieses Verfahren erfolgreich für die Replikation von hochtemperaturschmelzenden Metallen wie Bronze (1050 °C), Messing (1020 °C) und Kobalt-Chrom (1440 °C) eingesetzt. Alle diese Temperaturen liegen unter dem Erweichungspunkt von Quarzglas, der bei 1665 °C29 liegt. Hinsichtlich der Verarbeitungseigenschaften bietet Bronze eine sehr gute Gießbarkeit bei moderaten Schmelztemperaturen. Darüber hinaus ist Bronze relativ korrosionsbeständig und verfügt über eine hohe Wärmeleitfähigkeit, was es zu einem Material der Wahl für den variothermen Spritzguss macht8,30. Ebenso verfügt Messing über gute Verarbeitungseigenschaften, lässt sich aber auch ohne Vorbehandlung vernickeln, was zu einer erheblichen Härtesteigerung führt31. Als Gusswerkstoff wurde die Kobalt-Chrom-Legierung aufgrund ihrer deutlich höheren Härte gewählt32. Alle drei Metalle konnten aus der gesinterten Quarzglasreplikation repliziert und entformt werden, um spritzgusskompatible Metalleinsätze zu bilden. Zum Entfernen der Metallreplikationen aus der Quarzglasform war kein Trennmittel erforderlich, da sich das Metall nicht mit den Quarzglaskomponenten verbindet. Für den Metallguss wurden die Quarzglasformen nur einmal verwendet, um eine gleichbleibende Qualität der Metallreplikationen zu gewährleisten. Der Einsatz von Hochtemperaturmetallen ist für den anschließenden Spritzgussprozess von großer Bedeutung, da diese sowohl den wiederholten Temperaturwechseln standhalten als auch aufgrund ihrer höheren mechanischen Festigkeit den Belastungen des Formprozesses standhalten. Um die minimale Merkmalsauflösung für jede Metallart zu ermitteln, wurden Linien- und Raumstrukturen mit der beschriebenen Methode erzeugt und nachgebildet (siehe Abb. 2). Die Linien sind spitz zulaufend, haben eine Breite zwischen 30 µm (unten) und 3 µm (oben) und eine Höhe von 23,5 µm in der Masterstruktur. Die Strukturen wurden in jedem Replikationsschritt mittels Weißlichtinterferometrie (WLI) charakterisiert. Abbildung 2a zeigt die Querschnitte der untersuchten Masterstruktur (schwarz), der Quarzglasreplikation (blau) und der jeweils replizierten Metallreplikationen (rot, gelb, grün). Die minimale Merkmalsauflösung wurde durch die minimale Breite der erzeugten Metallstrukturen bestimmt, gemessen durch WLI. Wie in Abb. 2a dargestellt, beträgt die minimale Merkmalsauflösung 5,2 µm für Bronze, 7,5 µm für Messing und 5 µm für Kobalt-Chrom. Der Größenunterschied zwischen der Masterstruktur und der Quarzglasreplikation ist auf die Schrumpfung während des Sinterprozesses zurückzuführen. Die gemessene Schrumpfung von der Masterstruktur zur Quarzglasreplikation beträgt 20,9 %. Dies ist in Abb. 2b, c dargestellt, wo eine Linse als Masterstruktur mit einem Durchmesser von 8,91 mm und als Quarzglas-Nachbildung mit einem Durchmesser von 7,04 mm dargestellt ist. Dieser Wert stimmt gut mit der berechneten Schrumpfung von 20,6 % überein (siehe Zusatzmaterial). Die Schrumpfung von der Quarzglasreplikation zum Metalleinsatz wurde mit 2,0 %, 2,3 % bzw. 1,8 % für Bronze, Messing und Kobalt-Chrom gemessen. Die Gesamtschrumpfung von der Masterstruktur bis zum Metalleinsatz beträgt somit 22,60 %, 22,85 % bzw. 22,45 % für Bronze, Messing und Kobalt-Chrom. Es ist wichtig zu beachten, dass die Erstarrungsschrumpfung von Metallen ein komplexes Phänomen ist33,34, das nur in begrenztem Umfang vorhergesagt werden kann. Es ist daher notwendig, diese Schrumpfung experimentell zu beurteilen. Aufgrund der unterschiedlichen Wärmeausdehnungskoeffizienten von Quarzglas und Metallen besteht die Gefahr, dass das Quarzglas vom geschmolzenen Metall umschlossen wird. Um diesem Problem vorzubeugen, können Entformungsfasen, wie sie üblicherweise bei Replikationsprozessen eingesetzt werden, in die Gestaltung der Masterstruktur einbezogen werden. Um eine hochauflösende Replikation von Polymerkomponenten mithilfe der Metallformen zu ermöglichen, muss die Schrumpfung während des Quarzglas-Sinterprozesses und des Metallreplikationsprozesses bei der Herstellung der Masterstruktur kompensiert werden. Je nach Herstellungsverfahren der Masterstruktur muss auch diese prozessbedingte Schrumpfung berücksichtigt werden. Um die erreichbare Oberflächenqualität zu untersuchen, wurden Metalleinsätze aus einer unstrukturierten Quarzglasoberfläche hergestellt. Ohne weitere Nachbehandlung wurde unter Verwendung eines Rasterkraftmikroskops (AFM) eine Oberflächenrauheit von 2 nm (Rq) für die gesinterten Quarzglaskomponenten gemessen28. Die erreichbare Oberflächenrauheit in den gegossenen Metalleinsätzen wird mit 8,0 nm, 9,0 nm und 11,0 nm (Rq) auf einer Fläche von 100 µm² nur geringfügig höher gemessen (siehe Abb. 2e, ergänzende Abb. 1a–c) für Bronze , Messing bzw. Kobalt-Chrom. Insgesamt wurden neun Messungen an unterschiedlichen Positionen und unterschiedlich großen Flächen durchgeführt, um die Oberflächenqualität über einen großen seitlichen Bereich zu beurteilen. Unter Verwendung des WLI auf einer größeren Fläche (350 × 350 µm2) wurden Oberflächenrauheiten von 35 nm, 28 nm und 31 nm (Quadratmeter) für Bronze, Messing und Kobalt-Chrom ermittelt. Die Vickers-Härte wurde für alle drei Metalle gemessen, um die Verschleißfestigkeit der Formen während des Spritzgussprozesses zu bewerten4 (siehe Abb. 2f). Gängige, industriell eingesetzte Formen für den Kunststoffspritzguss optischer Komponenten werden aus Werkzeugstählen mit einer Vickers-Härte (HV)6,8 von etwa 510–560 hergestellt. Laut Literatur werden für die Gussteile aus Bronze35 und Messing36 Werte im Bereich von 120 HV erwartet. Unsere Messungen ergaben einen Wert von 151 HV für Bronze und 157 HV für Messing und liegen damit leicht über den Literaturwerten. Für die deutlich härtere Kobalt-Chrom-Dentallegierung wurden 445 HV gemessen, was nur geringfügig unter den von kommerziellen Werkzeugstählen zu erwartenden Werten liegt. Da für Spritzgusswerkzeuge höhere Härtewerte wünschenswert sind, um die Lebensdauer des Werkzeugs zu verlängern, werden üblicherweise Härtungstechniken wie Abschrecken oder Ausscheidungshärten eingesetzt, die für kupferbasierte Legierungen wie Bronze und Messing leider nicht zugänglich sind. Eine Alternative ist jedoch die Galvanisierung mit Hartnickel, eine Technik, mit der laut Literatur Härtewerte über 500 HV erreicht werden31. Daher haben wir Gussformen aus Messingmetall mit einer 70 µm dicken Hartnickelschicht beschichtet und so einen Härtewert von 670 HV erreicht. Ähnliche Härtewerte von 667 HV wurden für vernickelte Kobalt-Chrom-Metalleinsätze erreicht. Abhängig von der verwendeten Galvanisierungstechnik und der Schichtdicke muss die Ni-Beschichtung bei der Konstruktion berücksichtigt werden.

a Weißlichtinterferometriemessung der erzeugten Metalleinsätze für Bronze (rot), Messing (gelb) und Kobalt-Chrom (grün). b Masterstruktur der optischen Linse, die zur Charakterisierung der Gesamtschrumpfung während des Prozesses verwendet wurde. c Nachbildung der optischen Linse aus Quarzglas. d Resultierende Linse aus gegossenem Bronzemetall (Negativ). e AFM-Messung eines unstrukturierten gegossenen Bronzeeinsatzes mit einer Oberflächenrauheit von nur Rq 8,0 nm. f Vergleich der Vickers-Härtewerte hergestellter Proben aus Bronze (Fehlerbalken-Standardabweichung n = ±4 HV), Messing (Fehlerbalken-Standardabweichung n = ±5 HV für gegossen und n = ±11 HV für vernickelt) und Kobalt-Chrom (Fehlerbalken-Standardabweichung n = ±9 HV für gegossen und n = ±13 HV für vernickelt) in makelloser Form und nach der Galvanisierung mit Nickel. Die Fehlerbalken wurden anhand der Standardabweichung der Messdaten ermittelt, es wurden jeweils 10 Messungen durchgeführt.

Um die Spritzgusskompatibilität der gegossenen Metalleinsätze zu beurteilen, haben wir Bronze-Metalleinsätze mit einer Punktmatrixstruktur hergestellt. Die Metalleinleger wurden nach dem beschriebenen Verfahren hergestellt und anschließend in einer handelsüblichen Spritzgießanlage (Arburg Allrounder 370 S 500–100) gespritzt, wie in Abb. 3a schematisch dargestellt. Abbildung 3b zeigt die zusammengebaute Form, die zum Spritzgießen mit Polymethylmethacrylat (PMMA) verwendet wird (siehe Abbildung 3c). Um die Haltbarkeit des Metalleinlegers zu analysieren, wurden mehr als 2000 PMMA-Bauteile hergestellt und mittels WLI vermessen. Abbildung 3d zeigt den Querschnitt des hergestellten und verwendeten Metalleinsatzes (schwarze Grafik), der ersten hergestellten Polymernachbildung (rote Grafik) und der 2000. Polymernachbildung (blaue Grafik). Der Querschnitt zeigt keine nennenswerte Veränderung nach 2000 Replikationszyklen (weitere Informationen siehe Zusatzteil).

a Schematische Darstellung des Herstellungsprozesses eines Metalleinlegers und seiner Verwendung im Spritzguss. b Nahaufnahme der Spritzgussform, die als Einlegeteil verwendet wurde (Maßstabsbalken: 10 mm). Der Einschub zeigt eine Vergrößerung der Punktmatrixstruktur (Maßstabsbalken: 500 µm). c Nahaufnahme eines spritzgegossenen Bauteils aus Polymethylmethacrylat (PMMA), nachgebildet aus dem Metalleinsatz (Maßstabsbalken: 10 mm). Der Einschub zeigt eine Vergrößerung der Struktur (Maßstabsbalken: 500 µm). d Weißlichtinterferometriebild des 2000. aus der Form hergestellten PMMA-Bauteils (IM-Teil 2000) e Vergleich des mit WLI gemessenen Querschnitts des ersten polymerreplizierten PMMA-Bauteils (IM-Teil 1, rot) und des des 2000. Bauteil (IM-Teil 2000, blau) erstellt mit der Metalleinlage (schwarz).

Um die Anwendbarkeit der replikativen Metallformtechnik zu demonstrieren, wurden verschiedene Strukturen aus Natur und Technik mit einer Größe von mehreren cm bis hin zu Strukturen von wenigen µm nachgebildet (siehe Abb. 4 a–e). Diese wurden in PDMS direkt aus vorhandenen Objekten geformt, es wurde keine durch 2-Photonen-Polymerisation hergestellte Masterstruktur verwendet. Bionische Strukturen wie der Flügel einer Zikade oder ein menschlicher Fingerabdruck könnten mit dem Metallgussverfahren direkt nachgebildet werden (siehe Abb. 4a, b). Strukturgrößen im Bereich von mehreren zehn Mikrometern wurden erfolgreich in Kobalt-Chrom und Messing reproduziert. Darüber hinaus zeigen wir die erfolgreiche Replikation refraktiver und diffraktiver mikrooptischer Elemente. Abbildung 4c zeigt ein mikrooptisches Linsenarray mit Linsendurchmessern von 30 µm in Messing. Die Probe in Abb. 4c zeigt einen Oberflächendefekt, der von einer kontaminierten Quarzglasoberfläche herrührt. Durch das Arbeiten unter Reinraumbedingungen können derartige Mängel vermieden werden. Abbildung 4d zeigt diffraktive Linien- und Raumstrukturen mit Linienbreiten zwischen 5 und 25 µm in Bronze. Abbildung 4e zeigt die Spiegeloberfläche, die von einem unstrukturierten Quarzglasteil ohne Nachbehandlung nach dem Gießen in Bronze, Messing und Kobalt-Chrom mit dem beschriebenen Verfahren reproduziert wurde. Eine weitere Modifikation des Prozesses ermöglicht auch die direkte Herstellung einer 3D-Form aus dem Polymer-Nanokomposit, wie in Abb. 4f schematisch dargestellt. Dies ermöglichte die direkte Herstellung von Formen aus dem Nanokomposit-Polymer für den Metallguss ohne Verwendung einer Masterstruktur mittels 3D-Druck. Nach dem Sintern kann die gedruckte Form direkt mit flüssigem Metall gefüllt werden, wodurch ein Metallteil wie in Abb. 4g in Bronze, Messing und Kobalt-Chrom entsteht. Die durch das 3D-Druckverfahren entstandenen Linien sind im Metall zu erkennen, wie in Abb. 4i, j noch einmal dargestellt.

ein Zikadenflügel aus einer Kobalt-Chrom-Legierung (Maßstabsbalken: 10 mm, Maßstabsbalken in der vergrößerten Ansicht: 500 µm). b Metallnachbildung eines menschlichen Fingerabdrucks in Messing (Maßstabsbalken: 10 mm, Maßstabsbalken in der vergrößerten Ansicht: 500 µm). c Mikrolinsenarray aus Messing mit einem Linsendurchmesser von 30 µm (Maßstabsbalken: 10 mm, Maßstabsbalken für vergrößerte Ansicht: 200 µm). d Bronze-Metallreplikation verschiedener Linien- und Raumstrukturen im Bereich von 5–25 µm in Bronze mit Interferenzeffekten (Maßstabsbalken: 10 mm, Maßstabsbalken für vergrößerte Ansicht: 100 µm). e Funktionstest einer aus der Struktur in d replizierten Polymerkomponente mit dem erwarteten diffraktiven Fernfeldmuster (Maßstabsbalken: 25 cm). f Nachgebildete Metalleinsätze mit Spiegeloberfläche in Bronze, Messing und Kobalt-Chrom (Maßstab: 10 mm). g Schematische Darstellung des Herstellungsprozesses von 3D-gedruckten Glassomer-Formen für den direkten Metallguss. h Metallfiguren aus Bronze, Messing und Kobalt-Chrom, hergestellt mit einer 3D-gedruckten Glassomer-Form (Maßstab: 10 mm). i Detailansicht des Gesichts einer Figur, als Nachbildung aus Messingmetall (Maßstab: 1000 µm). j Draufsicht auf die eine Figur, Nachbildung aus Kobalt-Chrom-Metall (Maßstab: 5 mm). Originales Sphinx-Design (Thing # 1404323) von Perry Engel von thingiverse.com (2016), vom Autor angepasst.

In diesem Artikel haben wir einen replizierenden Herstellungsprozess demonstriert, der eine schnelle und kosteneffiziente Herstellung von Metalleinsätzen für die Polymerreplikation mit geringer Oberflächenrauheit mithilfe einer Replikationstechnik ermöglicht. Wir haben gezeigt, dass Hochtemperaturmetalle wie Bronze, Messing und Kobalt-Chrom mit einer Strukturgröße von bis zu 5 µm und einer Oberflächenrauheit von nur einem Nanometer erfolgreich geformt werden können. Die Einsätze wurden erfolgreich in industriell etablierten Polymerspritzgussgeräten zur Herstellung tausender Bauteile eingesetzt. Dieses Verfahren ermöglicht somit die flexible und kosteneffiziente Herstellung von Metalleinsätzen mit geringer Oberflächenrauheit durch einen Replikationsprozess für die werkzeugbasierte Fertigung wie Spritzguss oder Heißprägen und umgeht dabei die üblichen Probleme der klassischen Werkzeugherstellung wie hohe Kosten pro Form Bearbeitungszeiten, die üblicherweise mit den hohen Kosten klassischer Formwerkzeuge verbunden sind.

Glassomer L50, Glassomer SL-v2, Glassomer Developer und Glassomer Hardener wurden freundlicherweise von Glassomer (Deutschland) zur Verfügung gestellt. Elastosil M4601 wurde von Wacker (Deutschland) bezogen. Der Gips „Pro-HT Platinum“ als Einbettungsmaterial, die Metalllegierungen Bronze (BR10/L) und Messing (Messinggranulat Hart) wurden von Horbach Technik (Deutschland) bezogen. Die Kobalt-Chrom-Legierung für Dentalzwecke „Wironit extrahart“ wurde von BEGO (Deutschland) bezogen.

Zur Herstellung von Masterstrukturen wurde das „NanoOne“-Drucksystem der UpNano GmbH (Österreich) verwendet. Die Strukturen wurden auf ein Glassubstrat mit dem auf den Brechungsindex abgestimmten 2-Photonen-Harz „UpBrix“ gedruckt. Der Druck erfolgte mit 10-facher Vergrößerung, einer Laserleistung von 50 mW und einer Schichtdicke von 5 µm.

Um Gussformen direkt im Polymer-Nanokomposit herzustellen, wurde zum Drucken der Harzdrucker Prusa SL1S Speed von PRUSA (Tschechische Republik) verwendet. Das Material (Glassomer L50-SL-v2 gemäß Herstellerangaben) für den Druck wurde freundlicherweise von Glassomer (Deutschland) zur Verfügung gestellt. Die Strukturen wurden direkt auf die Druckplattform gedruckt. Der Drucker wurde mit einer Wellenlänge von 405 nm, einer Belichtungszeit von 20 s und einer Schichtdicke von 50 µm verwendet. Die gedruckten Komponenten wurden mit Glassomer-Entwickler entwickelt.

PDMS wurde 1 Minute lang in einem Gewichtsverhältnis von 9:1 (A:B-Komponente) gemischt. Eingeschlossene Luftblasen wurden mittels Vakuum in Kombination mit einem Exsikkator entfernt. Die Masterstruktur wurde in einer Petrischale fixiert und dann eine Stunde lang mit PDMS im Ofen bei 60 °C geformt, um die PDMS-Replikation auszuhärten. Die ausgehärtete PDMS-Replikation wurde von der Masterstruktur abgezogen. Glassomer L50 wurde nach Herstellerangaben mit Glassomer Hardener gemischt. Anschließend wurde Glassomer L50 auf die PDMS-Form gegossen und durch Beleuchtung bei einer Wellenlänge von 320–405 nm für 2 Minuten ausgehärtet. Nach dem Aushärten konnte das Nanokomposit aus der PDMS-Form entnommen werden.

Die thermische Entbinderung der ausgehärteten Glassomer-Grünteile wurde in einem Veraschungsofen (Typ AAF, Carbolite Gero, Deutschland) bei 600 °C durchgeführt. Die braunen Teile wurden in einem Rohrofen (Typ STF16/450, Carbolite/Gero, Deutschland) bei 1300 °C und einem Druck von 5 × 10−2 mbar gesintert.

Die theoretische Schrumpfung Ys wird nach Gl. berechnet. (1), die von der Feststoffbeladung Φ, der Enddichte ρf und der theoretischen Dichte ρt des hergestellten Teils abhängt. Die tatsächliche Schrumpfung wurde durch Vermessung der Teile im Grünzustand, im Sinterzustand und nach Metallabformung mit dem Digitalmikroskop Modell VHX 6000 der Firma Keyence (Japan) ermittelt.

Um die gesinterten Glasbauteile für den Gießprozess vorzubereiten, wurden die Bauteile mit phosphatgebundenem Einbettungsmaterial (Pro-HT Platinum, Horbach Technik, Deutschland) in einer Stahlküvette fixiert. Das Einbettungsmaterial wurde in einem Gewichtsverhältnis von 31:100 (Wasser/Pulver) gemischt und in die vorbereitete Metallküvette gegossen, bevor es 2 Stunden lang auf 800 °C erhitzt wurde.

Für den Metallguss wurde die vorbereitete Stahlküvette mit dem Replikationsmaster aus Quarzglas auf 200 °C vorgewärmt, um die Formfüllung zu erhöhen. Anschließend wurde der Aufbau im Gießofen (Typ M20, Indutherm, Deutschland) installiert. Nach dem Verschließen der Gießkammer wurde diese mit Stickstoff geflutet, anschließend Vakuum angelegt und der Tiegel mit dem Gießmaterial auf den gewünschten Schmelzpunkt gebracht (Bronze 1050 °C, Messing 1020 °C, Co-Cr 1450 °C). Bei Erreichen des Schmelzpunktes wurde die gesamte Gießkammer gekippt und die Schmelze konnte in die Stahlküvette und auf den Glaskörper fließen. In der gekippten Position wurde in der Kammer ein Druck von 3 bar Stickstoff erzeugt. Der Gießofen wurde in dieser Position belassen, bis der Metallkörper abgekühlt war.

Die Rauheit wurde mit einem AFM vom Typ Multimode 8 (Bruker, Deutschland) auf einer Fläche von 10 × 10 µm sowie einem WLI vom Typ NewView 9000 (Zygo, USA) auf einer Fläche von 350 × 350 µm und 860 × 860 gemessen µm (siehe ergänzende Abbildung 1 und Tabelle 1). Alle Messungen der Oberflächenrauheit wurden dreimal an verschiedenen Orten durchgeführt. Die entsprechenden Werte finden Sie in der Ergänzungstabelle 1. Die Replikationsgrenze wurde durch Vergleich der Querschnitte einer Struktur in verschiedenen Phasen des Prozesses (Master, Quarzglas, Metall) mithilfe von WLI bestimmt. Die Vickers-Härte wurde mit einem Mikro-Vickers-Härteprüfgerät vom Typ FALCON 608 (INNOVATEST, Niederlande) gemessen. Die aufgebrachte Belastung betrug 100 mN bei einer Belastungszeit von 20 s.

Die Autoren erklären, dass die Daten, die die Ergebnisse dieser Studie stützen, in der Arbeit verfügbar sind.

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