DK174490B1 - Fremgangsmåde til fremstilling af emner med fine konturer ved formgivning og krystallisation af amorfe legeringer - Google Patents

Description

DK 174490 B1

Opfindelsen angår en fremgangsmåde til fremstilling af et emne med fine konturer, hvor formgivningen foretages ved en mekanisk presningsproces, medens materialet er i amorf tilstand, hvorefter det formgivne emne opvarmes til krystallisationstemperatur eller derover.

5 Et eksempel på et emne med meget fine konturer er en matrice til fremstilling af ter-moplastiske hologrammer. Hologrammer fremstillet af plast har mange sikkerhedsmæssige anvendelser, eksempelvis til at verificere ægtheden af et produkt. Hologrammer repræsenterer et mønster af riller eller forhøjninger tilvejebragt ved at presse et termoplastisk materiale ind i en matrice med det ønskede mønster. Matricen er normalt 10 tilvejebragt ved at deponere et lag plastfotoresist på et substrat og underkaste fotoresisten en belysning med et mønster, der kræves for at tilvejebringe hologrammet. Fotoresisten bliver derefter fremkaldt i en opløsning, som opløser den ikke-eksponerede fotore-sist. Resultatet er et mønster af plastforhøjninger eller øer på substratet. Fra en opløsning er der derefter deponeret et lag nikkel over toppene af plastmønsteret, hvorved der 15 tilvejebringes et metallag af samme mønster som substratet med plastmønsteret. Dette nikkellag er det mønster, der anvendes til fremstilling af termoplasthologrammønstrene.

Der er følgende begrænsninger ved denne fremstillingsmetode.

1. Deponeringen af nikkellaget er en kompliceret og langsom proces, der tager flere timer.

20 2. Fotoresistmønsteret kan kun anvendes til fremstilling af en enkelt nikkelmatrice. Den må tilvejebringes påny for hver ny nikkelmatrice, selvom mønsteret er det samme.

3. Nikkellaget kan kun krummes i én retning til tilvejebringelse af en krum matrice, som tillader, at der tilvejebringes hologrammer i overfladen af en krum komponent, såsom et rør. Nikkellaget kan imidlertid ikke formes til dobbeltkrumme flader, som ville mulig-25 gøre en formning af hologrammer i plast med mere komplekse flader.

DK 174490 B1 2

Fra EP 0905269 er der kendt at formgive et emne, medens materialet endnu er i amorf tilstand. De anvendte materialer er af formlen Χ-,Μ^Ι,,Τ^ hvoraf i hvert fald et af elementerne er Zr eller Hf. Et sådant materiale har imidlertid en glasovergangstemperatur og en krystallisationstemperatur, der typisk ligger ved hhv. 375°C og 430°C eller højere.

5 Endvidere kendes fra EP 0470599 en Mg-baseret legering af formlen MgaXcMd. Denne Mg-baserede legering udviser superplacitet i nærheden af krystal lisationstemperaturen.

Det er imidlertid ikke omtalt at dette kan udnyttes til at tilvejebringe emner med mønstre af fine konturer.

Formålet med opfindelsen er at anvise en enkel metode til at tilvejebringe et emne med 10 meget fine konturer.

En fremgangsmåde af den indledningsvis nævnte art er ifølge opfindelsen ejendommelig ved, at det anvendte materiale er Mg* AlyCuzYv, hvor Mg-indholdet ligger i intervallet 60 - 75 atom %, Al-indholdet ligger i intervallet 0-5 atom%, Cu-indholdet ligger i intervallet 15 - 30 atom% og Y-indholdet ligger i intervallet 5-10 atom%. Derved udnytter man, 15 at formgivningen er let at foretage, så længe materialet er i amorf tilstand, idet hærdningen så vil kunne ske efterfølgende, hvorefter yderligere formgivning i det væsentlige ikke vil være mulig. Ved denne fremstillingsmetode bliver det muligt på en simpel måde og ved forholdsvis lave temperaturer at tilvejebringe emner i hårdt materiale, og hvis det ønskes med meget fine konturer, hvilket ikke hidtil har været muligt. Dertil kommer, at 20 der ikke længere er begrænsninger i henseende til overfladeform.

Fremgangsmåden ifølge opfindelsen vil f.eks. kunne anvendes til fremstilling af matricer, fortrinsvis formningsmatricer, eksempelvis matricer til injektionsformning.

Fremgangsmåden ifølge opfindelsen vil desuden kunne anvendes til fremstilling af en matrice til tilvejebringelse af et hologram af termoplastisk materiale.

3 DK 174490 B1

Opfindelsen skal nærmere forklares i det følgende under henvisning til tegningen, hvor fig. 1 viser et tids-temperatur tilstandsdiagram for en amorf legering, fig. 2a og 2b et mønster af rygge, der er dannet på overfladen i den amorfe legering ved at den er blevet presset mod et Ni-substrat a) optaget med et scanning elektronmikroskop 5 og b) optaget med et atomic force mikroskop (lodret skala er 200 nm pr. delestreg, vandret er 500 nm pr. delestreg), fig. 3 en illustration af formgivningen af en legering med et mikrokopisk overflademønster ved hjælp af en form såsom en dom, fig. 4a-e en illustration af en fremgangsmåde ifølge opfindelsen til fremstilling af nitter, 10 fig. 4f et mønster af pletter, der er dannet på overfladen i den amorfe legering ved at den er blevet presset mod en matrice, der benyttes til fremstilling af digitale video discs (DVD). Mønsteret er optaget med et atomic force mikroskop (lodret skala er 300 nm pr. delestreg, vandret er 2 pm pr. delestreg), fig. 5 en illustration af en fremgangsmåde til fremstilling af et accelorometer og 15 fig. 6 et tandhjulsgear til den i fig. 5 viste konstruktion.

Udførelseseksempler

Opfindelsen illustreres i det følgende ved hjælp af nogle eksempler.

DK 174490 B1 4

Eksempel 1

Anvendelse af legering til fremstilling af en matrice til tilvejebringelse af termoplastiske hologrammer.

Den kendte metode til fremstilling af hologrammer i plast har som indledningsvis nævnt 5 en række begrænsninger.

Disse begrænsninger afhjælpes ifølge opfindelsen ved anvendelse af en amorf legering som en matrice til fremstilling af termoplastiske hologrammønstre. Dette er demonstreret i det følgende med en Mg baseret legering som et eksempel.

\

En støbt plade af amorft materiale blev tilvejebragt og undersøgt ved røntgenstråledif-10 fraktion, og det blev konstateret, at den udviste et bredt røntgendifffaktogram, der er karakteristiske for det amorfe materiale. Den havde også en mctalglansfremtoning karakteristisk for amorfe metalliske legeringer. Der blev fremstillet en rektangulær plade af den amorfe legering. En nikkelmatrice blev tilvejebragt som indledningsvis beskrevet med et mønster af rygge med en indbyrdes afstand på f.eks. 0,5pm. Mønsteret havde 15 karakter af et diffraktionsgitter. Matricen blev opvarmet til 167°C, og et stykke af den amorfe Mg^CujøYio legering blev presset på nikkelmatricen i 3 min. med en kraft på ca.

2 kN. Ved afkøling udviste den amorfe legering en diffraktionsgitterkarakteristik, hvilket indikerede, at mønsteret af rygge var blevet overført til den amorfe legering. En elektronmikroskopi- og atomic force mikroskopiundersøgelse bekræftede, at der var 20 dannet et mønster af rygge i overfladen af den amorfe legering. Mønsteret af rygge er vist i fig. 2a og et udsnit i detaljer i fig. 2b.

Den amorfe Mg60Cu30Yi0 legering kan teoretisk set anvendes direkte som matrice til fremstilling af plastkomponenter med diffraktionsgitterkarakteristikker. Det er imidlertid relativ blødt i det temperaturområde, hvori termoplastmaterialer sædvanligvis form-25 støbes. Dette begrænser holdbarheden afen matrice afen amorf legering. For at afhjælpe 5 DK 174490 B1 dette kan matricen af den amorfe legering Mg6oCu30Ylo hærdes ved krystallisation over for eksempel 225°C. Derved øges hårdheden af matrialet uden nævneværdige dimensionsændringer af mønsteret. Ved denne metode kan der tilvejebringes en hård matrice med følgende fordele.

5 Der vil kunne fremstilles et stort antal metalmatricer ud fra et og samme nikkelmønster.

Den langsomme proces af at tilvejebringe et mønster i fotoresist og deponere et Ni-lag derover skal kun foretages én gang.

Fremstillingen af matricer af en amorf legering ud fra Ni-matricen kræver kun nogle få procestrin for hver matrice.

10 Efter at mønsteret er tilvejebragt i den amorfe legering ud fra den flade Ni-matrice, kan det amorfe legeringsstykke med mønsteret i temperaturområdet mellem glasovergangs-og krystallisationstemperaturen formes til enhver ønsket form. Dobbeltkrumme matricer med hologrammer vil også kunne tilvejebringes ved formning af materialslykket med hologrammønsteret over en dom 5 af en given form - se fig. 3. Derefter kan den amorfe 15 legeringsmatrice underkastes en krystallisationshærdning ved en opvarmning til over krystallisationstemperaturen.

Eksempel 2

Anvendelse af legeringen til fremstilling af matricer til injektionsformning.

Små termoplastiske dele bliver injektionsformet under anvendelse af metalforme. For-20 mene er tilvejebragt ved en maskinel bearbejdning af individuelle kaviteter i metalstykker med den respektive form og injektionsporte for at muliggøre indpresning af varm termoplast under tryk i matricen. Denne proces anvendes i vidt omfang men er langsom og dyr. Den enkelte matrice må fremstilles individuelt ved en maskinel bearbejdning. Disse DK 174490 B1 6 begrænsninger kan overvindes ved anvendelse af amorfe legeringer som matricemateriale. Den følgende beskrivelse illustrerer fordelene ved at anvende amorft materiale hertil.

Når to støbte plader af den amorfe legering er belagt med bomitrid som smøremiddel, opvarmet til ca. 170°C og sammenpresset med et lille hårdt metal eller cn keramisk 5 genstand derimellem, vil de flyde omkring genstanden. For eksempel kan et tryk på 2kN/cm2 i 20 min. ved en temperatur på 167°C anvendes til at forme de amorfe legeringsplader omkring en hård genstand.

Efter afkøling vil smøremidlet tillade, at pladerne adskilles fra genstanden, og en tro indtrykning af genstanden bliver tilbage. Pladerne med indtrykningen kan derefter anven-10 des som matrice for injektionsformning af plast eller metaldele, der har samme form som den originale genstand. Matricen af amorf legering giver en tro gengivelse af forholdsvis små træk, der er mindre end 1 prn. Traditionelle maskinelle operationer kan ikke gengive træk i denne størrelsesorden.

Matricen produceret på denne måde skal have porte for injektion afsmelte til støbningen.

15 Portene kan indkorporeres som udvidelser til den originale model således at matricen er fuldt funktionsdygtig, når den er fremstillet. Alternativt kan den kun inkludere en presning af genstanden, og portene kan så formes efterfølgende ved anvendelse af kendte maskinelle processer.

Hvis der kræves større temperaturstabilitet, kan matricen krystalliseres efter presning 20 ved opvarmning til over krystallisationstemperaturen. Derved kan matricen under brug modstå temperaturer, der er højere end den oprindelige formningstemperatur. Den lille volumenændring under krystallisationen vil være cn fordel, eftersom den krystalliserede matrice derved ikke vil afvige ret meget i størrelse fra den originale model.

Fordelen ved denne metode, sammenlignet med kendte matricefremstillingsmetoder, er 25 som følger.

7 DK 174490 B1

Ved den kendte metode til fremstilling af en matrice fremstilles de hårde matriceplader individuelt ved en maskinel bearbejdning. De maskinelle operationer må udføres lige så mange gange som antallet af matricer, enten for at have flere matricer til fremstilling parallel eller til erstatning, efterhånden som matricerne slides og giver anledning til, at 5 de producerede dele afviger fra den ønskede form. Som følge af at matricerne fremstilles individuelt, er dette en langsom og dyr proces, selv med computerstyrede maskinopera-tioner. Ved anvendelse af amorfe legeringer behøver man kun at fremstille en enkelt original genstand maskinelt. Derfra er de amorfe legeringsmatricer formet omkring denne i det ønskede antal eksemplarer.

10 Eksempler på genstande, der fremstilles ved injektionsformning, er plastlegetøj i små dimensioner, medicinske plastanordninger, plastdele for elektronikudstyr m.v..

Eksempel 3

Anvendelse af amorfe legeringer som indpaknings sikkerhedsanordninger.

Hvorledes kan ejeren af dokumenter, fotografier og andre følsomme produkter anbringe 15 disse i en indpakning for at sikre, at ingen vil kunne åbne indpakningen, undersøge indholdet og forsegle den påny. Oprindeligt blev der benyttet voksforseglinger som indhyldnin-ger. Disse er imidlertid forholdsvis lette at bryde og gendanne som følge af, at voks kan blødgøres ved lave temperaturer, og mønsteret eller billedet lagret i voksen er umiddelbart synligt.

20 Den grundlæggende ide af at anvende amorfe legeringer som forseglingsnitter som vist i fig. 4 er følgende. En strimmel 11 med små huller i enderne kan anbringes omkring indpakningen. Eller hullerne kan være tilvejebragt i overlappende flige af indpakningen.

En stift 13 af en amorf legering kan føres gennem hullerne. Stifterne 13 kan tilvejebringes ved at legeringen støbes til et stavformet legeme og skæres i små korte segmenter 25 til dannelse af stifterne.

DK 174490 B1 8

En sådan stift 13 indsættes i hullerne, og en fladtang med to opvarmede plader 15a, 15b klemmes mod stiften 13 - se fig. 4b. Til at begynde med, vil pladerne 15a, 15b have en temperatur under glasovergangstemperaturen af den amorfe legering. Ved tilførsel af klemtrykket bliver varmeanordningeme slået til, ogplademe 15a, 15b begynder at varme 5 op ved en moderat hastighed på f.eks. 10 per sek. Når temperaturen af pladerne 15a, 15b når glasovergangstemperaturen af stiftmaterialet 13, vil enderne af stiften 13 begynde at flyde under klemtrykket, hvorved der dannes en nitte, der forbinder de to flige eller strimler 11 indbyrdes.

Ved at fortsætte opvarmningen af nitten, vil temperaturen af pladerne 15a, 15b overstige 10 krystallisationstemperaturen af legeringen. Nitten vil derved krystallisere, og materialet modstår yderligere flydning. Forseglingsprocessen er nu tilendebragt.

Ved at fremstille en unik plade 15a med et mikroskopisk mønster af Tygge, riller eller pletter på overfladen, vil det amorfe materiale flyde ud i det nævnte mønster, og hovedet af nitten vil således indeholde mønsteret, der er unikt for brugeren. Mønsteret kan være 15 en miniature version af personens signatur eller et mønster, såsom en plet- eller stregko de, der vil kunne aflæses optisk og verificeres, eller et hologram, der producerer et let genkendeligt billede. Fig. 4f viser et eksempel på et sådant mønster, nemlig et replica, i det amorfe materiale af et udsnit af en matrice, der benyttes til fremstilling af digitale video discs (DVD). Med denne metode vil ingen andre end ejeren være i stand til at 20 reproducere mønsteret på nittehovedet, medmindre de har adgang til ejerens unikke plade 15a.

Eksempel 4

Anvendelse af amorfe legeringer til samling af mikro-elektromekaniske (MEMS) systemer.

9 DK 174490 B1 I et konkret udførelseseksempel udgøres den mekaniske konstruktion af et accelerometer. Det i fig. 5 a viste accelerometer består af en membran 21, der er understøttet langs to kanter eller ved punkter langs kanterne eller ved hjørnerne. Alternativt kan accelero-meteret bestå af en vægtstangsarm, der kun er understøttet ved den ene ende. Disse 5 strukturer kan være tilvejebragt i silicium eller piezoelektrisk materiale ved fotolitografi og ætsning, der er standardprocesser indenfor den elektroniske fremstillingsindustri. De accelerometre, der fremstilles i dag, er flerlagsanordninger d.v.s. anordninger, der består af flere lag silicium. Nogle af disse lag har aktive kredsløbselementer, medens andre har passive. Disse elementer kan reagere på acceleration og vibration.

10 Accelerometeret opererer ved at aftaste en bevægelse af membranen 21 induceret ved hjælp af ydre kraftpåvirkninger. I siliciumanordninger udgør membranen 21 den ene plade af en kondensator, medens et stift siliciumlag over eller under udgør den anden plade.

Når membranen 21 afbøjes, ændres kapacitansen. Anordningen tilvejebringer derved et elektrisk respons på en mekanisk påvirkning. I piezoelektriske anordninger vil arme, der 15 understøtter membranen, blive afbøjet under en acceleration. Derved genereres en spæn ding, der er relateret til afbøjningen. Denne spænding afføles ved hjælp af elektroniske kredsløb, og der tilvejebringes et elektrisk respons, der er relateret til den mekaniske påvirkning.

Disse anordninger er i vidt omfang blevet anvendt i fly, raketter, automobiler og struk-20 turer til afføling af reaktioner på mekaniske påvirkninger.

Sådanne flerlagsanordninger samles ved operationer, ved hvilke lagene fastgøres til hinanden. Der anvendes forskellige bindingsteknikker såsom binding ved hjælp af epoxy-klæbemiddel. Kemiske bindingsmetoder, såsom anodespænding, elektrostatisk spænding, eutektisk spænding og andre kan også komme på tale.

25 Samlingen af flerlagsanordningen er imidlertid besværlig og introducerer problemer i henseende til pålidelighed, og dette fremgår af forskellige artikler om accelerometre DK 174490 B1 10 fremstillet i ét lag. Disse accelerometre er fremstillet ved en dyb ætsning i et substrat, således at tynde flige af Si rager ud fra substratet. En afbøjning af disse flige ændrer kapacitansen ved en ændring af mellemrummet mellem den afbøjede del og de fikserede omgivelser. Den dybe ælsningsproces er desuden længerevarende og må styres meget 5 præcist.

Ved hjælp af den amorfe legering kan der tilvejebringes en skabelon, hvorpå de enkelte lag af en sådan flerlagsanordning kan placeres og samles. Dette kunne lette bindingsprocessen og give en stærk elektrisk ledende forbindelse. Pålideligheden af sådanne anordninger afhænger f.eks. af, at der sker en kemisk reaktion mellem to flader, hvis bindings-10 effektivitet kan formindskes af urenheder og ruheder i overfladerne. Fordelen ved anven delse af amorfe legeringer som skabeloner til fremstilling af sådanne dele, er som følger: Ætsning af en skive er ikke påkrævet for mekanisk samling.

Forbindelserne er elektrisk ledende.

15 Forbindelserne kan krystalliseres for at forhindre at der foretages ikke-detekterbare ændringer.

Den lave glasovergangstemperatur af Mg-Cu-Y familien af amorfe legeringer er i overensstemmelse med de temperaturer, som elektroniske komponenter kan modstå.

Den mekaniske konstruktion er en proces, der er separat i forhold til fabrikationsproces-20 sen af elektriske anordninger. Derved muliggøres en større fleksibilitet for begge processer.

Fig. 5b og 5c illustrerer det grundlæggende princip af denne sammenføjningsmetode. En detalje, der ikke er indlysende ud fra den tidligere beskrivelse er, at måden hvorpå den 11 DK 174490 B1 opvarmede plade tilføres den amorfe legeringsskabelon, styrer processen. Hvis skabelonen er ved stuetemperatur og pladen - opvarmet til en temperatur mellem glasovergangstemperatur og kiystallisationstemperatur, hvor den amorfe legering let vil kunne deformeres - presses mod enderne af stifterne ret hurtigt, vil kun enderne af stifterne blive 5 opvarmet til det temperaturområde, i hvilket de let vil kunne deformeres. Ved denne proces tilvejebringes “hoveder” på stifterne - se fig. 5c. Hvis den opvarmede plade holdes således at den netop berører enderne af stifterne i en vis tid inden trykket tilføres, vil stifterne blive opvarmet til glas-overgangstemperaturen og således blive deformeret langs størstedelen af deres længde. Disse to metoder vil resultere i lidt forskellige 10 geometriske arrangementer af den samlede anordning, hvilket kan være nyttigt til styring af den resulterende forbindelsesgeometri.

Mikromekaniske systemer i almindelighed

Udover fikserede dele kan konstruktioner, der med fordel kan anvende en amorf legeringsskabelon, også inkludere bevægelige dele såsom aksler for miniaturegear.

15 Fig. 5c viser også et hjul eller et gear fastgjort til en stift ved hjælp af samme mekanisme.

Fremstillingen af mikromekaniske systemer er et nyt område. Accelerometre falder indenfor dette område, og de involverer både elektroniske og mekaniske komponenter.

Dette område omfatter en større gruppe af anordninger, hvoraf de fleste kun er på det eksperimentelle stade. For eksempel tandhjul anbragt i et lukket hulrum med indgangs-20 og udgangskanaler til dannelse af en mikropumpe for fluida, når tandhjulet sættes i rota tion. En sådan pumpe ville have et stort potentiale for medicinske anvendelser, hvor der skal doseres en styret mængde fluidum.

Potentialet for brug af amorfe legeringer i andre mikromekaniske anordninger er ikke ukendt. Eksempelvis er der publiceret et mikromaskineri relateret til amorfe legeringer 25 i fonn af et tandhjul af en diameter på omkring 1 mm.

DK 174490 B1 12

Fig. 6 viser selve tandhjulet.

Claims (5)

13 DK 174490 B1

1. Fremgangsmåde til fremstilling af et emne med fine konturer, hvor formgivningen foretages ved en mekanisk presningsproces, medens materialet er i amorf tilstand, hvor- 5 efter det formgivne emne opvarmes til krystallisationstemperatur eller derover, kend e t e g n e t ved, at det anvendte materiale er Mgx AlyCu*Yv, hvor Mg-indholdet ligger i intervallet 60 - 75 atom %, Al-indholdet ligger i intervallet 0-5 atom%, Cu-indholdet ligger i intervallet 15-30 atom%, og Y-indholdet ligger i intervallet 5-10 atom%.

2. Fremgangsmåde ifølge krav 1 anvendt til fremstilling af et emne med et mønster af 10 meget fine konturer, fortrinsvis i nanometer- eller mikrometer området.

3. Fremgangsmåde ifølge krav 2 til fremstilling af matricer, fortrinsvis formningsmatricer, eksempelvis matricer til injektionsfomnning.

4. Fremgangsmåde ifølge krav 3 anvendt til fremstilling af en matrice til tilvejebringelse af et hologram af termoplastisk materiale.

5. Fremgangsmåde ifølge krav 1 anvendt til fremstilling af mikromekaniske dele.