Technisches Gebiet

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum strukturierten Verkleben flächiger Bauteile. Es soll insbesondere ein Verfahren angegeben werden, das es erlaubt, strukturierte Bauteile schnell, kostengünstig und mit definierter Klebefuge zu verkleben.

Hintergrund

Es gibt unterschiedliche Verfahren zum Verkleben zweier oder mehrerer Körper zu einem Bauteil. Wesentliche Schritte hierbei sind das Aufbringen des Klebers auf zumindest einen der zu verklebenden Bereiche, die definierte Annäherung der Körper sowie Fixierung der Körper zum Aushärten des Klebers in der angenäherten Position.

a) Aufbringen des Klebstoffs Zum Aufbringen des Klebers gibt es verschiedene Methoden. Die bekanntesten darunter sind das Nadeldispensierverfahren, das sogenannte Ink Jet drucken und das sogenannte Siebdruckverfahren .

Bei der Nadeldispensierung wird eine Kanüle mit geringem Abstand (ca lOOμm) über die zu verklebende Oberfläche gefahren und der Kleber durch die Kanüle auf die Oberfläche ge- presst. Dies hat den grossen Nachteil, dass es sich hierbei um ein serielles Verfahren handelt, d.h. das Aufbringen des Klebstoffs ist mitunter sehr langwierig. Bei einer Klebelänge von einigen Metern dauert dies sehr lange. Bei einer Klebelänge von ca 3 Metern können dies beispielsweise durchaus zwischen 10 und 20 Minuten sein. Es wäre denkbar, dieses Verfahren mit mehreren Nadeln zu parallelisieren. Allerdings ist diese Art der Dispensierung schon mit einer Nadel relativ wartungsintensiv und bei mehreren Nadeln einfach nicht mehr wirtschaftlich.

Eine etwas schnellere Lösung, wenn auch nicht genügend schnell, ist das Aufbringen des

Klebers mittels Ink Jet Verfahren. 3 Meter Klebelänge können hier innerhalb von 5-10 Minu- ten aufgebracht werden. Dabei erfolgt das Aufbringen durch tröpfchenweise Applikation.

Dies führt zu zwei wesentlichen Schwierigkeiten. Einerseits ist es technisch schwierig und aufwendig, Tröpfchenvolumen kleiner als 1OnI zu realisieren. Die Feinheit der Klebespuren ist damit limitiert, soll nicht ein erhöhter technischer Aufwand betrieben werden. Andererseits resultiert aufgrund des portionierten Aufbringens beim Zusammenfließen der Tröpfchen häufig keine glatte Linie, was dieses Verfahren für einige Anwendungen ungeeignet macht.

Das Siebdruckverfahren ist ein bekanntes Verfahren zum Aufbringen von Klebstoff auf zu verklebende Oberflächen. Hierbei wird ein Sieb, beispielsweise ein Textilgewebe, maskiert und Klebstoff durch das Gewebe hindurch auf die Oberfläche des zu verklebenden Körpers aufgetragen. Problematisch hierbei ist, dass die Verwendung einer Klebstoffzusammensetzung mit Polymeren in der Praxis häufig zum Verkleben und damit Verstopfen des beim Siebdruck verwendeten Gewebes führt. Aufgrund der Tatsache, daß eine teilweise Aushärtung d.h. Polymerisation des Klebstoffs oder das Verdunsten von Lösungsmittel bereits am Sieb stattfindet, bilden sich Ablagerungen am Netz, weshalb das Netz des Gewebes verstopft wird. Dies führt wiederum zum unvollständigen Auftrag des Klebstoffes. Es gibt zwar Versuche, dieses Problem mit wässrigem Klebstoff entgegenzutreten, wie beispielsweise in EP 0 866 840 beschrieben. Allerdings legen häufig bereits die Anwendungen den zu verwendenden Klebstoff fest, so dass ein Übergang zu einer anderen Klebstoffart nicht ohne weiteres möglich ist.

b) Definierte Annäherung der Körper

Ein weiterer Schritt des definierten Verklebens besteht darin, die zu verklebenden Körper in definierter Art und Weise einander anzunähern. Geht es in manchen Anwendungen lediglich darum, den einen Körper an dem anderen festzumachen, so ist in anderen Anwendungen und insbesondere wenn es um optische Bauteile geht, eine genau definierte Positionierung des einen Körpers zum anderen verlangt. Positionierung kann hierbei die relative Orientierung, Ausrichtung, sowie der definierte Abstand der beiden Körper zueinander nach Beendigung des Klebeprozesses bezeichnen. Es ist klar, dass in dem meisten Fällen, damit der Kleber seine verbindende Wirkung entfalten kann, dieser zumindest in einem Bereich zwischen den zu verklebenden Flächen eine, wenn auch möglicherweise minimale, Dicke einnimmt. Diese

Dicke wird jedoch häufig durch die Anwendung spezifiziert. D.h. dass man beispielsweise mit einer Klebefuge von konstant 2μm, 5μm oder lOμm verkleben will.

Um diese definierte Klebefuge zu erreichen, müssen die Körper zunächst definiert einander angenähert werden. Meistens, und insbesondere bei großen Flächen ist jedoch die Ausübung von Druck notwendig, insbesondere auch dann, wenn der Annäherungsvorgang relativ schnell gehen soll. Allerdings sind oftmals bei optischen Komponenten bereits das Greifen der Komponenten und deren translatorische Manipulation problematisch. Die Anwendung von mechanischem Druck mittels Werkzeugen würde dann zur unmittelbaren Schädigung der optischen Oberflächen führen. In einigen Fällen werden daher zur Annäherung die Kapillarkräfte und/oder der Schwerkraft ausgenutzt. Allerdings ist dieser Annäherungsprozess langwierig und somit auch teuer.

Es wäre daher wünschenswert ein Verfahren zu finden, welches es erlaubt Körper in schonender Weise, jedoch schneller als durch Kapillarkräfte oder Schwerkraft erfolgend aneinan- der annähern zu können..

c) Aushärteprozess mit fixiertem Abstand

Um diese definierte Klebefuge zu verwirklichen, sollte der Annäherungsprozess auf definierte Art und Weise gestoppt werden können. Außerdem ist es meistens notwendig, während des Aushärtens die Körper auf definiertem Abstand zu halten, denn einerseits dauert der Aushärteprozess an und andererseits zeigen viele Klebstoffe die Eigenschaft ihr Eigenvolumen während des Aushärtens zu verändern. Um einen definierten Abstand während des Aushärtens zu erreichen, gibt es unterschiedliche Methoden. Einerseits können bereits an einem oder mehreren der zu verklebenden Körper so genannte Abstandshalter (fixe Spacer) vorgesehen sein. Kleber wird dann nicht auf die Abstandshalter aufgebracht, aber beim Zusammenbringen der Körper kommen diese über die Abstandshalter in Kontakt und definieren die Dicke der KIe- befuge. Allerdings bedeutet die Anbringung solche definierter Abstandshalter an einem Körper in der Herstellung einen Mehraufwand, was diesen Prozess teuer macht.

Eine andere Möglichkeit ist es, sogenannte Abstandshalter-Kügelchen (Spacer balls) bereits im Kleber vorzusehen. Diese Spacerballs mit einer im Wesentlichen definierten Dicke werden direkt in den Kleber vermengt und mit diesem auf die zu verklebende Fläche aufgebracht.

Wenn die beiden Körper dann aneinandergepresst werden nähern sich diese bis zu einem Abstand, der dem Durchmesser der Spacerballs entspricht. Anstelle von kugelförmigen Abstandshaltern wie Spacerballs sind natürlich auch andere geometrische Formen denkbar. Aus diesem Grund werden sie im Folgenden neutral Spacerelemente genannt. Sowohl im Falle der Nadeldispension als auch im Falle des Verklebens mittels Ink Jet Verfahren stellen solche in den Klebstoff vermengte Spacer ein erhebliches Problem das, da die Kanülen oder die Kanäle zu verstopfen drohen.

Es wäre daher wünschenswert, ein Verfahren zur Verfügung zu haben, welches erlaubt solche Spacerelemente einzusetzen ohne dass es zu den genannten Verstopfungsproblemen kommt.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde ein Klebeverfahren anzugeben das die oben genannten Probleme des Standes der Technik zumindest überwindet.

Erfindungsgemäße Lösung

Erfindungsgemäß besteht die Lösung darin, auf ein Verfahren überzugehen welches auf dem der Fachwelt als Siebdruckverfahren bekannten Verfahren aufbaut. Eine der Modifikationen des Verfahrens besteht darin, der Klebesubstanz Partikel von einigen Mikrometern beizumengen. Versuche haben ergeben, dass erstaunlicherweise hierbei das Gewebe nicht vollständig verstopft wird, sondern im Gegenteil der Siebdruck-Prozess erheblich verbessert wird. Erstmals wird also hierbei problemlos, d.h. ohne Verstopfungsprobleme das Siebdruckverfahren mit Klebstoffanwendung realisiert.

Ein weiterer Aspekt liegt darin begründet, dass die Dimensionen der eingemengten Partikel derart gewählt werden können, dass sie in der Klebstoffschicht als Spacerelemente wirken. Damit wäre nicht nur ein verbessertes Siebdruck- Verfahren angegeben, sondern gleichzeitig dem Kleber ein für die Einhaltung der Dicke der Klebefuge wichtiges Merkmal beigemengt worden. In der folgenden Beschreibung werden die eingemengten Partikel als "Spacerelemente" auch in den Fällen bezeichnet, in denen sie nicht zur expliziten Einhaltung der Dicke der Klebefuge führen sollen.

Ein weiterer Aspekt der vorliegenden Erfindung liegt darin, dass ein Verfahren zur beschleunigten Annäherung der beiden zu verklebenden Körper angegeben wird. Umfasst einer der Körper nämlich bis zum daran anzuklebenden anderen Körper durchgehende Löcher oder gar Höhlen, so kann der äussere Bereich, an dem der eine Körper an den anderen anliegen sollte, aussen abgedichtet werden und die Löcher und/oder Höhlen einem Vakuum unterworfen werden. Durch den umgebenden atmosphärischen Druck wird der eine Körper dann gegen den anderen gepresst. Dies gleichmäßig und ohne dass weiter mechanisches Werkzeug an die zu verklebenden Körper angelegt werden müsste.

Beschreibung der Erfindung

Die Erfindung wird nun beispielhaft mittels verschiedener Ausfuhrungsformen und anhand von Figuren detailliert beschrieben.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

Figur 1 Siebdruck-Apparatur

Figur 2 Siebdruck- Apparatur mit Rakel auf halbem Weg

Figur 3 Apparatur zum Annähern und fixieren zu verklebender Körper in Explosionsansicht

Detaillierte Beschreibung der Erfindung

Vier Bestandteile sind für das Siebdruckverfahren maßgeblich: Das Printmedium, das Sieb mit Emulsionsbereichen (um die zu druckende Struktur zu definieren), die Oberfläche eines Substrates auf die gedruckt werden soll und ein Rakel, welches das Printmedium durch das Sieb presst.

Die Figur 1 zeigt eine schematische Ansicht der Bestandteile einer Siebdruckvorrichtung 1. Das Sieb 3 umfasst Emulsionsbereiche 5, die am Gewebe Bereiche festlegen, die für das Printmedium nicht durchlässig sind. Hierdurch wird letztlich die auf die Oberfläche des Substrates zu druckende Struktur definiert. Im Beispiel wird ein quadratischer Rahmen von

60x60cm verwendet. Es können aber durchaus auch größere oder kleinere Rahmen verwendet werden. Die störungsfrei bedruckbaren Flächen werden dann letztlich ca. zwei Drittel der Rahmengröße betragen. Das Sieb ist mittels eines Rahmens, beispielsweise aus Aluminium, aufgespannt. Als Siebmaterialien geeignet sind Polyestergewebe oder andere Textilfaserge- webe oder Stahlnetze, vorzugsweise aus Edelstahl. In dieser Beschreibung sollen mit dem Begriff Gewebe sämtliche Ausführungsformen des Siebes umschreiben sein, also auch Stahlnetze und andere Gitter. Mit "Faden" werden ganz allgemein die das Gewebe aufbauenden Elemente bezeichnet. Das Sieb hat eine für den Prozess festgelegte Maschengröße. Es sind Perioden von 60μm bis 300μm je nach Anwendung typisch. Im Beispiel wird ein Polyester- gewebe mit einer Fadenperiode von 100x100 μm ² gewählt, mit einem Fadendurchmesser von ca 40μm. Allerdings können auch andere Fadenstärken zwischen 30μm und 200μm vorteilhaft eingesetzt werden, wobei die Fadenstärke natürlich wesentlich kleiner als die Fadenperiode des Gewebes sein sollte. Die Dicke der Fäden bestimmt in etwa die Dicke des auf die Oberfläche übertragenen Materials des Printmediums.

Um das Sieb 3 zu maskieren, wird eine photoempfindliche Emulsion großflächig auf das Sieb aufgetragen und durch eine Photomaske hindurch belichtet. Bei der Emulsion kann es sich beispielsweise um positiven oder auch negativen Photolack handeln. Beim positiven Photolack bleiben nach Entwicklung diejenigen Bereiche stehen, die nicht belichtet wurden wäh- rend diejenigen Bereiche abgetragen werden, die durch die Photomaske hindurch belichtet wurden. Beim negativen Photolack ist dies genau umgekehrt. Als Ergebnis bleibt in beiden Fällen ein Gewebe zurück, das mit der Emulsion versiegelte Bereiche enthält, durch die kein Printmedium hindurchgepresst werden kann, wohingegen das Printmedium durch die Bereiche hindurch dringen kann, die frei von Emulsion sind. Auch die Emulsion hat einen Einfluss auf die Dicke des auf die Oberfläche des zu bedruckenden Substrates aufgebrachten Mediums. Durch diese Emulsion nimmt die Dicke um bis zu 50% zu. Mit einem solchen Verfahren sind Strukturen zu realisieren deren kleinste Bestandteile ca 3 mal der Maschengröße des verwendeten Siebes entsprechen können. Bei kleineren Strukturen werden die Maschen zumindest für manche Anwendungen das Druckbild stören. Als Printmedium 9 eignet sich erfindungsgemäß ein mit Spacerelementen vermengter Epoxy- harz Klebstoff. Der Klebstoffanteil kann aber auch ein UV- härtender, thermisch härtender oder aus mehreren Komponenten chemisch aushärtender, oder durch Verdunstung von Lö-

sungsmitteln aushärtender Klebstoff sein. Im Beispiel werden Glaskugeln mit einem Durchmesser von 5μm verwendet. Andere Größen, die bis ca 80% der Maschenöffnung betragen, sind vernünftig einsetzbar. Vorzugsweise übersteigt die maximale Dimension der Spacerele- mente jedoch nicht 30% der minimalen Dimension der durch die Maschen definierten Lük- ken. Bei der Frage, in welcher Konzentration die Spacerelemente vermengt werden sollten muss beachtet werden, dass eine zu hohe Spacerelement-Konzentration zu einem Verklumpen der Spacerelemente und damit zum Verstopfen des Gewebes führen kann. Vorteilhafte Konzentrationen liegen zwischen 0.5% und 80%. Bei Spacerkugeln liegt der bevorzugte Wert bei 5%. Zur Durchführung des Siebdruckverfahrens wird das im Rahmen 7 aufgespannte Sieb 3 ca 5- 10cm über der zu bedruckenden Oberfläche des Substrates 13 angeordnet. Zur Ausrichtung des Siebes 3 gegenüber dem Substrat 13 wird eine Kamera zwischen Substrat 13 und Sieb 3 eingefahren (hier nicht dargestellt) und beispielsweise mittels einer Teilerprismenanordnung die relative Lage des Siebes 3 zum Substrat 13 kontrolliert und gegebenenfalls korrigiert. Nach erfolgter Ausrichtung wird die Kamera entfernt und das Sieb bis auf einen Abstand zwischen 0.5mm-5mm, vorzugsweise bis auf 2 mm herangefahren.

Anschliessend wird als Printmedium 9 der mit Spacerelementen vermengte Klebstoff, vorzugsweise Epoxy, auf das Sieb 3 aufgebracht. Mittels einer Rakel 11 wird dann mit Druck über das Gewebe hinweggestrichen und dadurch der Klebstoff zusammen mit den in ihm vermengten Spacerelementen durch das Gewebe gepresst. Der Druck wird ausreichend hoch gewählt, so dass das Gewebe an der Stelle, an der das Rakel das Gewebe berührt, wie in Figur 2 gezeigt, auf die darunter liegende, zu bedruckende Oberfläche gedrückt wird. Typische Druckstärken bewegen sich im Bereich von 0.2N/cm. Es wird hier eine Angabe Kraft pro Zentimeter verwendet, da die Rakel in der Regel ein spachtelartiges Gebilde ist. In der Figur 2 sind die Bereiche des Substrates 13 strukturiert mit Klebstofffilm 15 bedruckt dargestellt, über die bereits die Rakel hinweg gefahren ist.

Für die Art und Weise, wie die Rakel über das Gewebe gefahren wird, gibt es unterschiedliche Ansätze. Typischerweise reicht es aus, einmal die Rakel über das Gewebe zu führen. Es sind aber durchaus Doppelrakel-Techniken im Einsatz, bei der die Rakel eine Hin- und Zu- rückbewegung ausführt.

Nach Aufbringen eines strukturierten Klebefilmes auf die Oberfläche eines Körpers müssen die beiden zu verklebenden Oberflächen einander angenähert werden. Soll eine Oberfläche strukturiert verklebt werden, so steht der Fachmann in der Regel vor der Aufgabe, genau definierte Klebefugen zu realisieren. Dies bedeutet, es muss die Breite und auch die Dicke der Klebschicht definiert sein. Außerdem sind, insbesondere bei optischen Anwendungen, Blaseneinschlüsse zu vermeiden. Blaseneinschlüsse entstehen in der Regel durch das Siebdruck Verfahren selbst, sowie durch die Annäherungsbedingungen der beiden Körper. Wie die Erfinder festgestellt haben, lassen sich Blaseneinschlüsse nicht lediglich dadurch vermeiden, dass der aufgebrachte Klebstofffilm auf 3O ⁰ C bis 80 ⁰ C, vorzugsweise 60 ⁰ C erhitzt wird. Es ist nämlich die weitere Bedingung zu erfüllen, dass das Verhältnis von aufgebrachter Filmbreite zu aufgebrachter Filmdicke das Verhältnis von 20:1, zumindest in einer Dimension nicht übersteigt. D.h. es können sehr lange Streifen aufgetragen werden, solange die Breite des Steifens nicht mehr als das 20fache der Dicke des Streifens beträgt. Ein Aufheizen des Klebstoffs führt dann aufgrund der Oberflächenspannung zu einem einem Ausgasen der Blasen. Ausserdem führt die oben beschriebene geometrische Wahl in einer Dimension zu einem konvexen Gebilde, bei dem bei Aufbringen des zu verklebenden zweiten Körpers im Wesentlichen keine Blaseneinschlüsse auftreten. Werden nun die beiden Körper in genau definierter Art und Weise aneinander angenähert und schliesslich aneinandergepresst, so nähern sich diese bis zu dem Abstand, bei dem die Spacerelemente eine weitere Annäherung verhindern. Im Beispiel sind dies wie oben erwähnt 5μm.

Allerdings muss bei der Annäherung darauf geachtet werden, dass, falls Druck ausgeübt wird, dieser möglichst gleichmäßig ausgeübt wird. Sollen optisch präzise Körper mit optischer Oberfläche miteinander verklebt werden, so kann in vielen Fällen nicht einfach mittels eines Werkzeuges Druck auf die zu verklebenden Körper ausgeübt werden. Aus diesem Grund ist ein weiterer Aspekt der vorliegenden Erfindung einem Verfahren gewidmet, das die vorteilhafte Annäherung der beiden Körper ermöglicht. Ein solches Verfahren ist dann möglich, wenn lediglich einer der beiden Körper derart strukturiert ist, dass relativ homogen verteilte Kanäle den Zugang zur Oberfläche des anderen Körpers erlauben. Figur 3 zeigt schematisch den Aufbau. Erfindungsgemäß wird der mit einem Klebstofffilm 103 versehene strukturierte Körper 105 auf einem Klebehalter 107 formschlüssig abgelegt. Im Klebehalter sind Kanäle vorgesehen, die über ein Ventil wahlweise an eine Druckpumpe oder an eine Vakuumpumpe

angeschlossen sind. Zunächst wird mittels der Druckpumpe ein Gasstrom erzeugt. Anschließend wird der zu verklebende zweite Körper 110 an den Klebstofffilm angenähert. Durch den Gasstrom entsteht ein Gaspolster auf dem der zweite Körper berührungsfrei ruhen kann. In der Regel wird hierbei der so genannte Bernoulli-Effekt wirksam. Wird nun der Gasstrom langsam bis auf null verringert, so wird der zweite Körper auf den ersten definiert abgesenkt. Die Kanäle sind nun durch den Klebstofffilm und den zweiten Körper 110 gegenüber der Umgebung abgedichtet. Im Folgenden werden die Kanäle an die Vakuumpumpe angeschlossen. Öffnet man nun das Ventil der Vakuumpumpe, so wird Luft aus den Kanälen gepumpt und es entsteht ein Unterdruck. Da die Kanäle alle miteinander verbunden sind, entsteht ein überall gut ausgeglichener Unterdruck. Durch den äußeren Luftdruck wird auf diese Weise der zweite Körper 110 sehr gleichmäßig gegen den strukturierten Körper 105 gepresst, ohne dass auf den zweiten Körper über ein weiteres Werkzeug Druck ausgeübt werden müsste. In einer bevorzugten Ausführungsform ist am äußeren Rand zwischen dem strukturierten Körper 105 und dem zweiten Körper 110 ein Dichtungsring 113 vorgesehen, der verhindert, dass der Umgebungsluftdruck direkt auf die Klebstofffilme an den äußeren Bereiche Substrates wirkt und diesen womöglich nach innen drückt.

Dieses Drucksystem lässt sich natürlich abwandern. Beispielsweise kann der Basiskörper 107 Bodenteil einer Druckkammer in der der strukturierte Körper 103, der zweite Körper 110 und gegebenenfalls der Dichtungsring 113 unter Druck gesetzt werden und der Kanal 115 am Basisköper zu umgebenden Atmosphäre führt und damit für Luftdruck in den Kanälen sorgt.