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Teilprojekt 6:
Verarbeitungsbelastung und werkstoffliche Gebrauchstauglichkeit von spritzgegossenen Mikroelementen

  • Einleitung
  • Ziel und Lösungsweg
  • Wesentliche Ergebnisse der 1. Förderperiode
  • Wesentliche Ergebnisse der 2. Förderperiode
  • Ansprechpartner


  • Einleitung

    Die Mikrosystemtechnik wies in den vergangenen Jahren Wachstumsraten von ca. 15 % auf. Prognosen lassen ein weiteres Wachstum bis 2010 erwarten. In diesem lebhaften Markt erhalten Mikroteile aus Kunststoff eine stetig steigende Bedeutung. Zahlreiche Entwicklungen die Maschinen-, Werkzeug- und Verarbeitungstechnik betreffend sind bereits erfolgreich erzielt und industriell in Serienprozessen umgesetzt worden. Damit sind hochwertige Mikroelemente mit wenigen Milligramm herstellbar. Während die Zusammenhänge zwischen Verarbeitungsparametern, Werkstoffschädigung, innerer Struktur und resultierenden Gebrauchseigenschaften für konventionelle Spritzgießteile ausführlich untersucht wurden, sind die Korrelationen bei Mikroelementen bislang kaum bekannt. Hinzu kommt, dass bauteilbezogene Verarbeitungseffekte, wie die erhöhte Scherung und Abkühlung, bei der Fertigung kleinster Bauteile deutlich an Gewichtung gewinnen und das Eigenschaftsprofil eines Mikroelements deutlich beeinträchtigen können.

    Ziel und Lösungsweg

    Zielsetzung dieses Projekts ist die Aufklärung der Zusammenhänge der Werkstoffschädigung, der inneren Struktur durch Ausbildung der Morphologie, des Kristallisationsgrades bei teilkristallinen Thermoplasten sowie der Ausprägung von Orientierungen und Eigenspannungen mit den resultierenden Gebrauchseigenschaften spritzgegossener Mikroelemente. Durch eine angepasste Prozessführung sollen ferner die Eigenschaften kleinster Bauteile gezielt optimiert werden. Besonderes Augenmerk wird auf die durch unterschiedliche Oberflächen/Volumen-(O/V-)Verhältnisse beeinflusste Abkühlung und deren weitere Auswirkungen gelegt, die letztlich zu einer verminderten Ausnutzung des Werkstoffpotenzials bei Mikroelementen führen können. Zur Realisierung einer langsamen Abkühlung verbunden mit dem Ziel einer Optimierung der Bauteileigenschaften werden Werkzeugeinsät-ze mit verminderter Wärmeleitfähigkeit aus Kunststoffen und Keramiken genutzt. Die Simulation der Ab-kühlverhältnisse in Abhängigkeit des verwendeten Werkzeugs dient darüber hinaus der Abschätzung der Potentiale der neuen Technologie. Neben der mechanischen Leistungsfähigkeit der Formteile werden das erreichbare Aspektverhältnis sowie die Abformqualität in Abhängigkeit der Abkühlgeschwindigkeit untersucht. Ferner werden die Einflüsse der Prozessparameter auf die resultierenden Eigenschaften betrachtet. Durch die aus Experiment und Simulation gewonnenen Erkenntnisse, die in einer Modellbildung zusammengeführt werden, erfolgt eine Abschätzung der Eigenschaften von Mikroelementen. Die wesentlichen Wirkmechanismen auf den resultierenden chemischen Aufbau ergeben sich aus der thermischen, der thermisch-oxidativen und der mechanischen Werkstoffbelastung. Bei der Herstellung von Mikroelementen liegen bedingt durch die geringen Schussgewichte vermehrt hohe Verweilzeiten der Schmelze im Zylinder vor, die zu einer erhöhten Werkstoffbelastung führen können. Zur Verringerung der Werkstoffschädigung während der Plastifizierung wird vor der Verarbeitung der im Granulat gelöste Sauerstoff mittels Inertgas entzogen und die resultierenden Auswirkungen auf die Eigenschaften von Mikroelementen betrachtet.



    Wesentliche Ergebnisse der 1. Förderperiode

    Die im Rahmen der ersten Projektphase durchgeführten Untersuchungen machen deutlich, dass bei spritzgegossenen Mikroelementen materialabhängig mit einer veränderten Morphologie und einem veränderten mechanischen Leistungsvermögen der Bauteile zu rechnen ist. Vor allem aufgrund der erhöhten Abkühlgeschwindigkeit mit steigendem O/V-Verhältnis tritt eine feinsphärolithische bis feinkristalline Struktur auf, Bild 1. Mit geringer Kristallisationsgeschwindigkeit und geringem Kristallisationsvermögen des Werkstoffs, wie beispielsweise PA 66, liegt zudem eine Abnahme des Kristallisationsgrad mit steigendem O/V-Verhältnis vor.


    Bild 1: Gefüge und Randschichtausbildung der Zugstäbe aus nicht nukleiertem PA 66 (oben) und POM (unten) in Abhängigkeit des O/V-Verhältnisses

    Diese Strukturausbildung ist verbunden mit veränderten mechanischen Eigenschaften E-Modul und Streckspannung, Bild 2 links. Dies wurde am Beispiel von nicht nukleiertem und nukleiertem PA 66 belegt. Es konnte gezeigt werden, dass weder eine Anpassung der Verarbeitungsparameter noch der Einsatz von Nukleierungsmittel zu einer signifikanten Verbesserung der Eigenschaften führte. Mit steigender Kristallisationsgeschwindigkeit und zunehmendem Kristallisationsvermögen des eingesetzten Werkstoffs nimmt der Einfluss ab, Bild 2 rechts. Diese Erkenntnisse sind vor dem Hintergrund der oftmals in der Mikrotechnik eingesetzten Kunststoffe Polyamid und Polybutylenterephthalat, die verhältnismäßig langsam kristallisieren und Kristallisationsgrade von maximal etwa 45 % aufweisen, von entscheidender Bedeutung.

    Bild 2: Spannungs-Dehnungs-Verlauf der in hoch wärmeleitfähigen Werkzeugen gefertigten Zugstäbe aus nicht nukleiertem PA 66 (links) und POM (rechts) in Abhängigkeit des O/V-Verhältnisses

    Untersuchungen mit gering wärmeleitfähigen Werkzeugeinsätzen aus Polyetheretherketon (PEEK) zeigen ein hohes Potential für die Herstellung von Mikroelementen, Bild 3. Neben den bereits erzielten verbesserten mechanischen Eigenschaften durch die langsame Abkühlgeschwindigkeit sind darüber hinaus eine erhöhte Abformqualität sowie eine Verbesserung des erreichbaren Fließweg zu Wanddicken-Verhältnisses zu erwarten.

    Bild 3: Spannungs-Dehnungs-Verlauf der in gering wärmeleitfähigen Werkzeugen gefertigten Zugstäbe aus nicht nukleiertem PA 66 (links) und POM (rechts) in Abhängigkeit des O/V-Verhältnisses

    Die Ergebnisse zur Bewertung des Einflusses der thermisch-oxidativen Belastung auf die Gebrauchs- und Langzeiteigenschaften in Abhängigkeit des O/V-Verhältnisses ergaben keinen signifikanten Einfluss auf die resultierende Bauteilperformance. Das bei konventioneller Verarbeitung ohne Sauerstoffausschluss verminderte mittlere Molekulargewicht kann sich aber bei einer Wiederverarbeitung, z. B. des regranulierten Angusses, erheblich auf die Bruchdehnung in Form einer Versprödung auswirken. Dadurch wird eine deutliche Verbesserung der Langzeiteigenschaften erwartet.


    Wesentliche Ergebnisse der 2. Förderperiode

    In der zweiten Projektphase galt es die prozessbedingte innere Strukturausbildung auf die Bauteileigenschaften bei weiterer Verringerung der Bauteildimensionen zu untersuchen. Neben der Optimierung der Leistungsfähigkeit von Bauteilen durch die Verwendung gering wärmeleitender Werkzeugwerkstoffe galt es auch Fragen zum erreichbaren Aspektverhältnis und zur Abformung von mikrostrukturierten Bauteilen nachzugehen. Durch die weitere Skalierung der Probekörperdimensionen konnte eine verminderte Kristallisation und Ausbildung kristalliner Strukturen festgestellt werden. Durch Verwendung gering wärmeleitender Werkzeugwerkstoffe wie Keramiken oder Hochtemperaturkunststoffe (bspw. PEEK oder Phenolharz) kann die Abkühlgeschwindigkeit verringert und so die Morphologieausbildung begünstigt werden. Wie in Bild 1 gezeigt, ermöglichen gering wärmeleitende Werkzeugwerkstoffe eine homogene und sphärolithischere Struktur in Mikrobauteilen.


    Bild 4: Morphologie spritzgegossener 1:8 Zugstäbe aus PA66 in Abhängigkeit der Wärmeleitfähigkeit des Werkzeugwerkstoffs

    Damit einhergehend verringern sich die mechanischen Gebrauchseigenschaften wie Steifigkeit und Festigkeit von Mikrobauteilen (Bild 2, links). Für PA66 wurde bei 1:32 skalierten Zugstäben eine Verringerung des E-Moduls auf 50 % und der Steckspannung auf 75 % der Herstellerangaben festgestellt. Mit steigender Kristallisationsgeschwindigkeit und -vermögen des Polymers (z.B. bei POM) nimmt dieser Einfluss ab.


    Bild 5: Mechanische Eigenschaften in Abhängigkeit der Bauteildimensionen (links) und der Abkühlbedingungen (rechts) an Zugstäben aus PA66

    Die Verwendung von gering wärmeleitenden Werkzeugwerkstoffen, wie Keramik- oder Kunststoff-Materialien, bietet das Potenzial durch die verbesserte Morphologieausbildung in Mikrobauteilen die mechanischen Eigenschaften zu begünstigen. Insbesondere bei langsamer kristallisierenden Polymeren kann das Werkstoffpotenzial durch die reduzierte Abkühlgeschwindigkeit so besser ausgenutzt werden (Bild 2, rechts).


    Bild 6: Fließweglänge von PC in Abhängigkeit des Werkzeugwerkstoffs und des Umschaltspritzdruckes

    Durch die langsamere Abkühlung und die höherer Kontakttemperatur der Schmelze an der Werkzeugwand können so auch die Füllbedingungen der Kavität verbessert werden (Bild 3). Desweiteren bieten gering wärmeleitende Werkzeugwerkstoffe auch das Potenzial die Abformung von Mikrostrukturen und insbesondere deren Morphologie zu begünstigen.



    Ansprechpartner

    Dipl.-Wirtsch. Ing. Steve Meister
    EMail: meister(a)lkt.uni-erlangen.de

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