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Arbeitskreis 2

Werkzeug-, Maschinen- und Prozesstechnik



Im AK 2 wurde die Werkzeug-, Maschinen- und Prozesstechnik der einzelnen Teilprojekte verglichen und deren Auswirkungen auf die Bauteileigenschaften untersucht. Dazu wurde als Grundlage für die Datenbank gemeinsam ein Arbeitspapier erstellt, das einerseits einen direkten Vergleich der einzelnen Teilprojekte untereinander zulässt, andererseits aber auch einen Vergleich der erforschten Verfahren mit bereits in der Industrie umgesetzten Verfahren erlaubt.

Einfluss unterschiedlicher Prozessstrategien auf die Bauteileigenschaften
Anhand der von TP 5 durch Galvanoformen hergestellten Werkzeugeinsätze für skalierte 1:16 Zugprüfkörper konnte ein Vergleich der unterschiedlichen Prozesstechnologien erfolgen, die im Rahmen der Teilprojekte untersucht wurden, die Bauteile aus thermoplastischen Schmelzen herstellen. Neben den Einsätzen aus galvanisch abgeschiedenen Nickel wurde auch ein Einsatz aus gering wärmeleitender Keramik hergestellt.

Die zu vergleichenden Prozesstechnologien führen zu unterschiedlichen morphologischen Formationen im Bauteil. Diese werden in Bild 1 exemplarisch für jede Technologie vorgestellt. Ein typischer mehrschichtiger Aufbau kann dabei in den spritzgegossenen Bauteilen (a und b) sowie den expansionsspritzgegossenen Bauteilen (c und d) erkannt werden, jedoch nicht in Bauteilen, die durch Ultraschallplastifizierung mit Direktinjektion gefertigt wurden. Die Dicke der Rand- und Kernschicht ist dabei vom Prozess und vom verwendeten Werkzeugwerkstoff, bzw. den resultierenden Abkühlbedingungen, abhängig. Dabei zeigen Einsätze aus unterschiedliche wärmeleitenden Werkzeugwerkstoffen, wie Nickel oder Keramik, eher geringeren Einfluss, als die prozessbedingt hohen Fließfrontgeschwindigkeiten infolge des Expansionsspritzgießen. Hier entsteht neben einer dünnen schnell abgekühlten Randschicht zudem eine dickere gescherte, transkristalline Zwischenschicht. Die ultraschallplastifizierten Proben weisen eine eher grob-sphärolitische Struktur auf, was auf eine eher inhomogene und unzureichende Schmelzeplastifizierung zurückzuführen ist.

Bild 1: Vergleich der Morphologie von durch unterschiedliche Prozesse hergestellte 1:16 Zugstäbe aus PP (Spritzgießen in a) Nickel- und b) Keramik-Kavität; c) Expansionsspritzgießen d) Verfahrenskombination aus Expansionsspritzgießen und Spritzgießen sowie e) Spritzgießen mit Ultraschallplastifizierung); 10 µm Dünnschnitt im Zugbereich unter polarisiertem Durchlicht



Die Auswirkungen der unterschiedlichen Prozesstechnologien sind neben der Morphologie auch im Kristallisationsgrad zu finden. DSC-Messungen zeigen, dass der Kristallisationsgrad in den Proben zwischen 43 % und 49 % in Abhängigkeit des Prozesses variiert. Den geringsten Kristallisationsgrad weisen Proben auf, die ultraschallplatifiziert wurden oder durch Schmelzevorkompression hergestellt wurden. Durch die Verfahrenskombination des Expansionsspritzgießens mit konventionellem Spritzgießen kann der Kristallisationsgrad erhöht werden. Den höchsten Wert erreichen konventionell spritzgegossene Proben, insbesondere unter Verwendung gering wärmeleitender Werkzeugwerkstoffe.

Bild 2: Mechanische Eigenschaften in Abhängigkeit der verschiedenen Prozesstechniken



Die mechanischen Eigenschaften unterscheiden sich in einigen Werten von denen der Hersteller-Daten. So liegt der E-Modul der Mikroprüfkörper mit Ausnahme der Teile in der keramischen Form deutlich unter dem Referenzwert von 1450 MPa. In der Nickel-Kavität wird die Kristallisation schneller gehemmt als in der geringer wärmeleitenden Keramik-Kavität, so dass die mechanischen Eigenschaften der Prüfkörper in letzerer höhere Werte erreichen. Der Grad und die Struktur der Kristallinität begünstigen die Steifigkeit. Die Festigkeitswerte (Streckspannung) liegen mit Ausnahme der Ultraschall plastifizierten Proben über den Herstellerangaben. Hier begünstigen fließbedingte Orientierungen die mechanischen Eigenschaften. Die Bruchdehnung liegt ebenfalls deutlich über den Herstellerangaben. Nur die Ultraschall plastifizierten Proben weisen aufgrund der schlechten Schmelzehomogenität ein eher sprödes Verhalten auf.

Strategie zur Werkstoffauswahl und Wahl eines geeigneten Fertigungsverfahrens
Für die bauteil- und anwendungsgerechte Auswahl eines Fertigungsverfahren für Mikrobauteile ist für den Entwicklungsingenieur eine Abschätzung der Möglichkeiten und Charakteristika des jeweiligen Verfahrens notwendig. Der Auswahlprozess für ein geeignetes Fertigungsverfahren ist von dem zu verarbeitenden Werkstoff, den Anforderungen an die Bauteileigenschaften oder aber auch von wirtschaftlichen Kriterien geprägt. Je nach Anwendung können unterschiedliche Kriterien mehr oder weniger Relevanz haben. Bei der Herstellung von Mikrobauteilen sind aufgrund der Bauteildimensionen zusätzliche Aspekte zu berücksichtigen. In Bild 3 werden die im Rahmen der Forschergruppe untersuchten Fertigungsverfahren anhand unterschiedlicher Kriterien qualitativ bewertet und gegenübergestellt. Dies bietet dem Anwender die Möglichkeit sich gezielt für ein geeignetes Verfahren zu entscheiden.

Die in der Forschergruppe untersuchten Verfahren sind einzeln grundsätzlich entweder für die Herstellung eines polymeren oder eines metallischen Mikrobauteils geeignet. Darüber hinaus sind sowohl hybride Verfahren durch Prozesskombination der einzelnen Verfahren oder hybride Bauteile durch bspw. Überspritzen metallischer Einlegeteile mit Kunststoffen möglich. Für Bauteile aus Polymerwerkstoffen bietet sich die Verarbeitung durch Spritzgießen von ultraschallplastifizierten Schmelzen, das Spritzgießen mit Schmelzevorkompression oder das Spritzgießen in gering wärmeleitenden Werkzeugen an. Mikrobauteile aus Metallen wiederum können durch das Kapillardruckgießen von Metallschmelzen bzw. durch galvanisches Abscheiden eines wässrigen Elektrolyts in partiell leitfähigen 2K-Mikrospritzgegossenen Formen hergestellt werden.

Bild 3: systematische und werkstoffspezifische Werkstoff- und Prozessauswahl



Für die Abformung mikrostrukturierter Bauteile aus Thermoplasten bietet sich das Spritzgießen mit Schmelzevorkompression aufgrund sehr hoher Fließfrontgeschwindigkeiten als besonders geeignete Verfahrensvariante an. Eine Verwendung gering wärmeleitender Werkzeugwerkstoffe wiederum begünstigt eher das Ausnutzen des mechanischen Werkstoffpotenzials im Bauteil durch die langsame Abkühlung oder das Erreichen eines hohen Aspektverhältnisses. Beide Verfahren weisen zudem grundsätzlich eine gute Eignung für die Großserientauglichkeit auf, insbesondere durch die Möglichkeit zum Einsatz von Mehrkavitäten-Werkzeugen. Beim Einsatz der Ultraschallplastifizierung sind aufgrund der begrenzt zu plastifizierenden Schmelzemengen eher Einzelkavitäten zu wählen. Dabei können aber Kleinstmengen emfindlicher oder hochpreisiger Werkstoffe wirtschaftlich verarbeitet werden. Eher von Nachteil ist die dafür speziell bereitzustellende Systemtechnik, wie z.B. der Ultraschall-Plastifiziertechnik. Das Spritzgießen mit Schmelzevorkompression kann bei entsprechender Berücksichtigung bei der Auslegung von Heißkanal- und Werkzeugtechnik sowie der Maschinensteuerung realisiert werden. Ähnlich einfach können auch gering wärmeleitende Werkzeugwerkstoffe in der Werkzeugtechnik integriert werden, was bei beiden Verfahren den zusätzlichen Investitionsbedarf gering hält. Darüber hinaus kann die Schmelzevorkompression oder gering wärmeleitende Werkzeuge mit moderatem Aufwand zu einem hybriden Prozess kombiniert werden.

Bei den Verfahren zur Herstellung metallischer Bauteile können mit dem 2K-Mikrospritzgießen mit anschließender galvanischer Abscheidung tendenziell Mikroteile mit präzisen und reproduzierbaren Mikrostrukturen hergestellt werden, wie auch flächige Bauteile mit höheren Aspektverhältnissen. Allerdings ist die Wahl an Werkstoffen, bzw. an Elektrolyten eingeschränkt. Hier bietet das Kapillardruckgießen eine bessere Möglichkeit durch gezieltes Legieren von Metallen die Bauteileigenschaften zu optimieren. Vorteilhafter ist das 2K-Mikro-spritzgießen mit galvanischer Abscheidung tendenziell hinsichtlich der notwendigen Systemtechnik, da hier meist auf bestehende Komponenten aus anderen Prozessketten (Spritzgießtechnik, Galvanik) zurückgegriffen werden kann, während beim Kapillardruckgießen prozessspezifische Anlagen zu höheren Investitionskosten führen. Allerdings können in diesem Verfahren eher Kleinstmengen wirtschaftlicher hergestellt werden.

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