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Arbeitskreis 1(+3)

Oberflächeneffekte, Flüssige Phasen und Rheologie



Das Ziel des Arbeitskreises 1 „Oberflächeneffekte, Flüssige Phasen und Rheologie“ ist es, projektübergreifend die Einflüsse von Kapillareffekten und der Oberflächenrauheit auf die Formfüllung und die Oberflächeneigenschaften von Mikroprodukten systematisch zu erfassen und werkstoffübergreifend darzustellen.

Kapillarwirkung in Abhängigkeit des Werkstoff und der Dimensionen

Dass die Kapillarwirkung bei metallischen Werkstoffen Einfluss auf die Formfüllung hat, ist hinreichend bekannt [ ]. Inwieweit dies bei Kunststoffen einen Prozesseinfluss haben kann, ist bislang wenig untersucht. Im Arbeitskreis 1 der FOR wurden unterschiedliche Fluide vergleichend betrachtet. Das von Mawardi et al. [ ] entwickelte Modell zum kapillaren Fließen einer Suspension mit Nanopartikeln, in dem eine geschwindigkeits- und ortsabhängige dynamische Viskosität integriert ist, wurde um die Wirkung des Kontaktwinkels der benetzenden Schmelze ergänzt. Diese Formel bietet die Möglichkeit, den zeitabhängigen Fließweg in der Kapillare für unterschiedliche Werkstoffe zu berechnen.

mit:
L Fließweg [m]
W Kanalbreite [m]
H Kanaltiefe [m]
ρ Dichte [kg m-3]
η dynamische Viskosität [kg m-1 s-1]
σ Oberflächenspannung [N m-1]
Φ statischer Kontaktwinkel [°]
t Zeit [s]

Die für das Modell benötigten und nicht über aus der Literatur bekannten Werkstoffkennwerte wurden an den beteiligten Instituten gemessen. Die verwendeten Werkstoffkennwerte sind in Tabelle 1 zusammengefasst.

Parameter Ag72Cu (bei 800°C) POM (bei 210°C) PP (bei 240°C)
σ [mN m^-1] 1,018 28,16 17,14
Φ [°] 144 [3] 100 1
η [kg m-1 s-1] 0,0065 2,8 2000
ρ [kg m-3] 8960 1092 735

Tabelle 1: Verwendete Werkstoffkennwerte für Untersuchung der Kapillarwirkung

Die mit Formel 1 und den Werkstoffkennwerten aus Tabelle 1 errechneten Fließweglängen sind in Bild 1 dargestellt. Die Berechnungen zeigen, dass die Kapillarwirkung bei Metallen erwartungsgemäß am größten ist. Nach 100 Sekunden weist die Metallschmelze deutlich weitere Fließwege auf, als polymere Schmelzen. Eine zentrale Einflussgröße scheint bei der Kapillarwirkung die Viskosität der Materialien zu sein, so dass hochviskose Polymere deutlich geringere Fließwege erreichen als niedrigviskose. Darüber hinaus konnte bei der Berechnung eine anfangs schnellere Fließgeschwindigkeit bei Metallschmelzen erkannt werden, die sich stark exponentiell verringert. Bei polymeren Schmelzen tritt hingegen eine anfangs langsamere Fließgeschwindigkeit und eine vergleichsweise geringere Geschwindigkeitsabnahme auf.



Bild 1: Numerisch berechnete durch Kapillarkräfte induzierte Fließwege nach 100 s für unterschiedliche Werkstoffe in Abhängigkeit der Kapillarbreite

Die experimentelle Validierung der numerisch berechneten Kapillarwirkung, erfolgte mittels Versuchen zur Ermittlung der Fließgeschwindigkeit und der zeitabhängigen Fließweglänge unterschiedlicher Kapillaren (Bild 2). Hierzu eine die Kapillar-Probenplatte auf einem Heiztisch erwärmt. Bei Metallen erfolgten zudem eine zusätzliche PVD-Beschichtung der Kapillare sowie die Durchführung der Versuche im Hochvakuum.



Bild 2: Probenplatte mit 5 Schmelzereservoiren verschiedener Kapillarbreiten (v.l.n.r.: 1047 µm, 514 µm, 256 µm, 296 µm und 223 µm)

In Bild 3 ist die experimentell ermittelte mittlere Fließgeschwindigkeit von Metall- und Kunststoffschmelzen dargestellt. Dabei zeigen Metallschmelzen eine deutlich höhere Fließgeschwindigkeit als Kunststoffschmelzen. Die Metallschmelze fließt etwa 100fach schneller. Dies deutet auf die wesentlich höheren Kapillarkräfte bei Metallschmelzen im Vergleich zu polymeren Schmelzen hin.



Bild 3: Vergleich der experimentell ermittelten mittleren Fließgeschwindigkeit flüssiger Phasen verschiedener Werkstoffe in Abhängigkeit der Kapillarbreite

Wechselwirkung der Werkzeugwand mit der flüssigen Werkstoffphase


Desweiteren wurde im Arbeitskreis 1 der Einfluss der Wechselwirkung der Werkzeugwand mit der flüssigen Werkstoffphase auf die Formfüllung und deren Übertrag auf Mikrobauteile untersucht. Hierbei lag der Fokus auf den kunststoffverarbeitenden Verfahren, die in den TP 2, 3 und 6 eingesetzt worden sind. Für die jeweiligen Werkzeugkonzepte wurden hierzu je drei Einsätze mit einer Rauheit von Rz < 1 µm (poliert), Rz ˜ 9 µm (fein erodiert) und Rz ˜ 28 µm (grob erodiert) hergestellt worden. Die Rauheit der in den Werkzeugen mit unterschiedlichen Prozessen abgeformte Platten ist in Bild 6 dargestellt. Die Messungen zeigen, dass es keine signifikante Abhängigkeit der Abformung der Werkzeugrauheit vom Verarbeitungsprozess gibt. Auffällig ist die geringfügig höhere Rauheit der abgeformten Bauteile im Vergleich zum Werkzeug, insbesondere bei den rauen Kavitäten, was auf Entformungsdefekte zurück geführt werden kann[ ]. Ein ähnliches Verhalten konnte auch bei Untersuchungen zur Abformung von Bauteilen in gefrästen bzw. UV-LIGA-Einsätzen im Teilprojekt 5 erkannt werden. Die ermittelte maximale Rauheit verdoppelte sich nahezu bei Probekörpern, die in gefrästen Formeinsätzen abgeformt wurden.



Bild 4: Rauheit der Werkzeugeinsätze und darin abgeformter Bauteile

Darüber hinaus haben Untersuchungen gezeigt, dass der Werkzeugwerkstoff Einfluss auf die Benetzung der Polymerschmelze haben kann. In Bild 5 ist der Kontaktwinkel von einer PA66-Schmelze bei 290 °C unter Argon-Schutzgas dargestellt. Während der Kontaktwinkel auf der Stahlkavität bei etwa 90° liegt, kommt es bei der Keramik- bzw. PEEK-Kavität zu einem größerem Spreiten der Schmelze, was an einem abnehmenden Kontaktwickel identifizierbar ist. Ein höheres Spreiten begünstigt das kapillare Flißene und kann so beispielsweise die Formfüllung oder die Abformung von Mikrostrukturen verbessern.



Bild 5: Aufnahme der Spreitung von schmelzeförmigen PA66 auf unterschiedlichen Werk

1 Bach, Fr.-W., Möhwald, K., Hartz, K., Metall-Kapillar-druckgießen und Dampfphasen-Schmelzinfiltration: zwei innovative Verfahren für das Herstellen metallischer Mikrobauteile. In: Proceedings MikroSystemTechnik Kongress 2007, Dresden
2 Mawardi, A., Xiao, Y., Pitchumani, R., Intern. J. Multiph. Flow 34 (2008) S. 227–240
3 Arenas, M.F., Acoff, V.L., Reddy, R.G., Sci. Techn. Welding & Joining 9 (2004) 5, S. 423-429
4 Bekesi, J., Kaakkunen, J.J.J., Michaeli, W., Klaiber, F.; Schoengart, M., Ihlemann, J., Simon, P., Appl. Ph. A: Mat. Sci. Proc. 99 (2010) 4 , S. 691-695

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