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Entwicklung feinwerktechnisch hergestellter elektrothermischer Aktoren auf Basis von PEEK-Folien

Islam, Samiul :
Entwicklung feinwerktechnisch hergestellter elektrothermischer Aktoren auf Basis von PEEK-Folien.
TU Darmstadt, Institut EMK / FG M+EMS
[Bachelorarbeit], (2015)

Kurzbeschreibung (Abstract)

Für den Einsatz in modernen Brailledisplays werden zweilagige elektrothermische Out-of-Plane(OoP)-Aktoren aus Folienmaterial des Thermoplasts Polyetheretherketon (PEEK) erforscht. Dazu existieren bereits ausgelegte und simulierte Geometrien in unterschiedlicher Größenstufen (Länge: 4 mm, 7 mm und 10 mm, Breite: 1 mm), die Auslenkungen im Bereich [21…897] µm erzeugen sollen. Die Größenstufen sind aus jeweils 100, 300 und 500 µm dicken PEEK-Folien herzustellen. Um diese Aktoren fertigen und charakterisieren zu können, wird in der vorliegenden Arbeit ein substratfreies, feinwerktechnisches Herstellungsverfahren entwickelt. Dabei liegt der Schwerpunkt in der Entscheidung für geeignete Fertigungsverfahren zur Strukturierung und dem Fügen von PEEK-Folien. Hierzu werden auf Basis der an der Technischen Universität Darmstadt verfügbaren Möglichkeiten Verfahren durch Vorversuche untersucht und ausgewählt. Wesentliche Forderungen an die Verfahren und die damit hergestellten Aktoren sind die mechanische und thermische Festigkeit bis zur maximalen Aktorbetriebstemperatur von 130 °C und einer Einhaltung der Strukturtoleranz von +- 5%.

Für das Strukturieren werden die Verfahren Fräsen und Laserschneiden näher untersucht. Auf einer CNC-Fräse vom Typ KERN Evo gefräste Strukturen bis zu einer Breite von 200 µm sind mechanisch stabil, weisen allerdings Grate auf. Diese lassen sich durch einen zeitgesteuerten Plasmaveraschungsschritt entfernen. Dabei werden die geforderten Strukturtoleranzen erreicht. Mit den zur Verfügung stehenden Anlagen zum Laserschneiden (Co2-Laser VLS 3.5, Nd:YAG Micromac microSTRUCT ns532) werden die Folien stark aufgeschmolzen und die Oberfläche verkohlt, was zu stark deformierten und nicht brauchbaren Strukturen führt.

Für das Fügen werden Laminieren, Laserschweißen und Kleben verglichen. Da das Material PEEK bis hin zu einer Temperatur von 180 °C an seiner Oberfläche nicht klebrig wird, ist Laminieren ohne Zusatzmedium nicht möglich. Beim Laserschweißen führt die Neigung des Werkstoffs zum Verkohlen zu einer Passivierung der Fügestellen und es entsteht keine Verbindung. Daher werden die strukturierten Folienlagen mit dem Einkomponenten-Epoxidharz Klebstoff Delomonopox AD066 und einer 50 µm Edelstahl Rakelmaske beschichtet. Die Justage der Folien geschieht über Passstifte mit einer maximalen (und unproblematischen) Fehljustage von +-20 µm.

Die Heizelemente für die Aktoren werden aus gesputtertem Chrom mittels einer Sprühbelackung und nasschemischem Ätzen strukturiert. Durch diese Prozesse werden zweilagige Aktoren allen geforderten Größenstufen aus 300 und 500 µm dicken PEEK-Folien erfolgreich und unter Einhaltung der geforderten Toleranzen hergestellt. Bei den 100 µm dicken Folien kommt es zum seitlichen Auslaufen des Klebers und damit Verklebung mit der Montagefläche. Dies kann durch Verringerung der Klebschichtdicke oder andere Randbegrenzung behoben werden. Erste mit diesem Verfahren gefertigte Aktoren werden messtechnisch charakterisiert, indem elektrische Leistungsaufnahme, maximale Betriebstemperatur und Leerlaufauslenkung gemessen werden.

Typ des Eintrags: Bachelorarbeit
Erschienen: 2015
Autor(en): Islam, Samiul
Titel: Entwicklung feinwerktechnisch hergestellter elektrothermischer Aktoren auf Basis von PEEK-Folien
Sprache: Deutsch
Kurzbeschreibung (Abstract):

Für den Einsatz in modernen Brailledisplays werden zweilagige elektrothermische Out-of-Plane(OoP)-Aktoren aus Folienmaterial des Thermoplasts Polyetheretherketon (PEEK) erforscht. Dazu existieren bereits ausgelegte und simulierte Geometrien in unterschiedlicher Größenstufen (Länge: 4 mm, 7 mm und 10 mm, Breite: 1 mm), die Auslenkungen im Bereich [21…897] µm erzeugen sollen. Die Größenstufen sind aus jeweils 100, 300 und 500 µm dicken PEEK-Folien herzustellen. Um diese Aktoren fertigen und charakterisieren zu können, wird in der vorliegenden Arbeit ein substratfreies, feinwerktechnisches Herstellungsverfahren entwickelt. Dabei liegt der Schwerpunkt in der Entscheidung für geeignete Fertigungsverfahren zur Strukturierung und dem Fügen von PEEK-Folien. Hierzu werden auf Basis der an der Technischen Universität Darmstadt verfügbaren Möglichkeiten Verfahren durch Vorversuche untersucht und ausgewählt. Wesentliche Forderungen an die Verfahren und die damit hergestellten Aktoren sind die mechanische und thermische Festigkeit bis zur maximalen Aktorbetriebstemperatur von 130 °C und einer Einhaltung der Strukturtoleranz von +- 5%.

Für das Strukturieren werden die Verfahren Fräsen und Laserschneiden näher untersucht. Auf einer CNC-Fräse vom Typ KERN Evo gefräste Strukturen bis zu einer Breite von 200 µm sind mechanisch stabil, weisen allerdings Grate auf. Diese lassen sich durch einen zeitgesteuerten Plasmaveraschungsschritt entfernen. Dabei werden die geforderten Strukturtoleranzen erreicht. Mit den zur Verfügung stehenden Anlagen zum Laserschneiden (Co2-Laser VLS 3.5, Nd:YAG Micromac microSTRUCT ns532) werden die Folien stark aufgeschmolzen und die Oberfläche verkohlt, was zu stark deformierten und nicht brauchbaren Strukturen führt.

Für das Fügen werden Laminieren, Laserschweißen und Kleben verglichen. Da das Material PEEK bis hin zu einer Temperatur von 180 °C an seiner Oberfläche nicht klebrig wird, ist Laminieren ohne Zusatzmedium nicht möglich. Beim Laserschweißen führt die Neigung des Werkstoffs zum Verkohlen zu einer Passivierung der Fügestellen und es entsteht keine Verbindung. Daher werden die strukturierten Folienlagen mit dem Einkomponenten-Epoxidharz Klebstoff Delomonopox AD066 und einer 50 µm Edelstahl Rakelmaske beschichtet. Die Justage der Folien geschieht über Passstifte mit einer maximalen (und unproblematischen) Fehljustage von +-20 µm.

Die Heizelemente für die Aktoren werden aus gesputtertem Chrom mittels einer Sprühbelackung und nasschemischem Ätzen strukturiert. Durch diese Prozesse werden zweilagige Aktoren allen geforderten Größenstufen aus 300 und 500 µm dicken PEEK-Folien erfolgreich und unter Einhaltung der geforderten Toleranzen hergestellt. Bei den 100 µm dicken Folien kommt es zum seitlichen Auslaufen des Klebers und damit Verklebung mit der Montagefläche. Dies kann durch Verringerung der Klebschichtdicke oder andere Randbegrenzung behoben werden. Erste mit diesem Verfahren gefertigte Aktoren werden messtechnisch charakterisiert, indem elektrische Leistungsaufnahme, maximale Betriebstemperatur und Leerlaufauslenkung gemessen werden.

Freie Schlagworte: Mikro- und Feinwerktechnik Elektromechanische Konstruktionen Aktor elektrothermisch Strukturierbare Klebeschicht Mikrostruktur PEEK Prozessparameter
Fachbereich(e)/-gebiet(e): Fachbereich Elektrotechnik und Informationstechnik
Fachbereich Elektrotechnik und Informationstechnik > Institut für Elektromechanische Konstruktionen
Fachbereich Elektrotechnik und Informationstechnik > Institut für Elektromechanische Konstruktionen > Mikrotechnik und Elektromechanische Systeme
Hinterlegungsdatum: 22 Jun 2015 08:33
Zusätzliche Informationen:

EMK-spezifische Daten:

Lagerort Dokument: Archiv Institut EMK. Anfrage über Sekretariate

Bibliotheks-Siegel: 17/24 EMKB 1888

Art der Arbeit: Bachelorarbeit

Beginn Datum: 13-11-2014

Ende Datum: 13-04-2015

ID-Nummer: 17/24 EMKB1888
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