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Teilprojekt 5:
2K-Mikrospritzgießen partiell leitfähiger Kunststoffformen zur gerichteten Abscheidung aus wässrigen Elektrolyten

  • Einleitung
  • Zielsetzung
  • Wesentliche Ergebnisse
  • Ansprechpartner


  • Einleitung

    Mikrobauteile aus metallischen oder keramischen Werkstoffen finden sich in immer mehr industriellen Applikationen. Eine prinzipielle Möglichkeit, solche Bauteile in Serie herzustellen, bietet das Pulverspritzgießen. Mit diesem Verfahren lassen sich jedoch nicht alle Anwendungen abdecken. Sind hohe Oberflächenqualitäten für den Einsatz gefordert, muss auf LIGA-Verfahren zurückgegriffen werden. Hier werden Oberflächenqualitäten erreicht, die in den Submikrometerbereich gehen. Werden jedoch diese qualitativ hochwertigen Bauteile in Serie benötigt, fehlen die notwendigen Fertigungsprozesse für die wirtschaftliche Massenfertigung. In Teilprojekt 5 wird mit dem MSG-Prozess (Mehrkomponenten-Spritzgießen und Galvanoformung) eine Prozesskette entwickelt, mit der das Replizieren dieser Primärstrukturen ermöglicht werden soll. Die wichtigsten Verfahrensschritte sind in folgender Übersicht dargstellt:


    Bild 1: Prozessablauf

    Zielsetzung

    Die Zielsetzung des Teilprojektes untergliedert sich in unterschiedliche Bereiche. Zum Einen ist es Ziel ein Mehrkomponentenwerkzeug zu entwickeln, mit dem diese speziellen Kunststoffformen hergestellt werden können. Weitere Ziele finden sich in der Erforschung der Verbindungszone als Grenzfläche zweier Polymerschmelzen zwischen den unterschiedlich leitfähigen Kunststoffen und der Entwicklung geeigneter Prozessparameter für das Zweikomponenten-Mikrospritzgießen. Im Teilschritt Galvanoformung werden die Vorgänge bei der Materialabscheidung in partiell leitfähige Formen untersucht. Für alle Prozessschritte sind die Prozessparameter zu entwickeln und die Auswirkungen des Spritzgießprozesses auf die Qualität der elektrochemischen Materialabscheidung zu untersuchen. Hierunter fällt auch die Er-mittlung optimaler Polymerpaarungen für das 2K-Spritzgießen.
    Ein weiteres Ziel ist es erste Versuche zur Herstellung keramischer Mikrobauteile durch elektrophoretische Abscheidung in partiell leitfähige Kunststoffformen durchzuführen.

    Wesentliche Ergebnisse

    In der ersten Förderphase konnten bereits wesentliche Ergebnisse erzielt werden, die im folgenden hier vorgestellt werden.

  • Das Mehrkomponentenwerkzeug wurde entwickelt, konstruiert und erfolgreich abgemustert.
  • Es zeigten sich bei Versuchen mit einem neu hergestellten leitfähigen Material Vorteile, d.h. eine homogene Abscheiderate von Nickel während der Galvanoformung. Dazu wurden die geeigneten Prozessparameter mit Hilfe von Compoundierversuchen, Spritzgießversuchen und Untersuchungen des Oberflächenwiderstandes erarbeitet.
  • Es wurde eine starke Abhängigkeit zwischen der Scherung des leitfähigen Polymers und der elektrischen Leitfähigkeit festgestellt, die im wesentlichen durch die Simulation berechnet werden kann.
  • Durch optimieren der Prozessparameter ist es möglich homogen leitfähige Bauteile durch Spritzgießen zu erstellen
  • Mit Hilfe einer statistischen Versuchsplanung und einer zur Bestimmung der Zielgröße entwickelten Röntgenschattenuntersuchung konnten die Prozessparameter beim Mehrkomponenten-Mikrospritzgießen optimiert werden:


  • Bild 2: Prinzip der statistischen Versuchsplanung und Einflussfaktoren


  • Es ist möglich, Zweikomponentenbauteile mit optimalen Eigenschaften für diesen Prozess abzuformen, in denen erfolgreich metallische Mikrobauteile aus Nickel durch die Galvanoformung gefertigt werden konnten:


  • Bild 3: Mikrobauteile aus Nickel

    Die Analyse der Bauteile zeigt, dass selbst kleinste Strukturen mit diesem Verfahren kopiert werden können. Auch erste Versuche, keramische Bauteile durch gerichtete Elektrophorese zu erstellen, zeigen erfolgversprechende Ergebnisse.

    Ansprechpartner

    Dr. Volker Piotter
    EMail: volker.piotter(a)kit.edu

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