Physikalisch-Technische Bundesanstalt

Herstellung von Messblenden mittels Heißprägen und Laserbearbeitung

Ansprechpartner: R. Meeß, AG 5.56

Zur Impedanz-Zellzählung benötigt die AG 8.32 „Durchflusszytometrie und Mikroskopie“ Messblenden. Die transparent glänzenden Kunststoff-Scheiben mit 12 mm Durchmesser und 4 mm Dicke besitzen idealerweise eine zentrale kegelförmige Vertiefung/Verjüngung zur Reduzierung des Strömungsquerschnitts bis auf eine verbleibende Materialstärke von 60 µm hinunter und eine zentrale Bohrung von 60 µm Durchmesser. Die kegelförmige Verjüngung mit einem Winkel von ca. 65° lässt sich ohne Spezialwerkzeuge spanend nur schwierig herstellen. Als Blenden-Werkstoff wurde Topas^®, ein Cyclo-Olefin-Copolymer (COC) ausgewählt, das dimensionsstabil ist, nur wenig Wasser aufnimmt und biokompatibel sowie sterilisierbar ist. Übliche Anwendungsbeispiele für dieses Material sind Spritzen sowie Fläschchen und verschiedenste vorfüllbare Container, die z. B. als Bestandteile von Injektionssystemen zur Anwendung kommen. Typische Herstellprozesse für solche Packmittel sind Spritzguss, Spritzblasen oder Spritzstreckblasen. Eine spanende Verarbeitung wird üblicherweise vermieden, da der weich-zähe Werkstoff stark zu Rissen neigt.

Es wird daher eine Fertigungskette mit einem Heißprägeverfahren für den Kegelformung und einer Laserbearbeitung für die Bohrung vorgeschlagen.

In einem ersten Schritt werden hierzu aus einem COC-Rohling Scheiben gedreht, deren Dicke leicht über dem angestrebten Maß von 4 mm liegt. Spezielle Formwerkzeuge hoher Oberflächenqualität, die aus Aluminium teils diamantgedreht sind, werden in einem nächsten Schritt auf eine definierte Temperatur ca. 30 K über der Glasübergangstemperatur des amorphen Polymers (158 °C) erhitzt. Bild 1 zeigt den Satz Formwerkzeuge.



Bild 1: Werkzeugsatz aus Aluminium zum Heißprägen

Unter mechanischem Druck werden die COC-Rohlinge in die Form gedrückt und kurz auf Temperatur gehalten. Nach dem Abkühlen werden die Presslinge entformt und überschüssiger Werkstoff entfernt. Einen COC-Pressling und einen Rohling zeigt Bild 2.

Bild 2: Pressling und Rohling aus Cyclo-Olefin-Copolymer (COC) im Größenvergleich mit einem Euro-Cent

In dem folgenden abtragenden Bearbeitungsschritt wird mittels UV-Laser die zentrale Bohrung mit einem lichten Durchmesser von ca. 60 µm eingebracht. Hierbei wird die Mitte des Blendenquerschnitts mit einer Stärke von ebenfalls ca. 60 µm durch Bildauswertung in der Maschine ermittelt.

Eine hohe Oberflächengüte im Bohrungskanal wird durch das Aufschmelzen der Randzonen mittels ns-Laserbearbeitung erzielt. Der entstehende Abbrand wird mitsamt einer speziellen löslichen Schutzschicht von der Blendenoberfläche durch schonende wässrige Reinigung entfernt.