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Teilprojekt 3:
Spritzgießen von Mikrobauteilen durch Schmelzevorkompression

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


  • Einleitung

    Konventionelle Spritzgießtechniken stoßen bei der Herstellung von Mikrobauteilen häufig infolge der Trägheit der Prozessregelung und der Prozesstechnik an ihre Grenzen. Die angestrebten hohen Einspritzgeschwindigkeiten und -drücke können nicht in eine hohe Fließfront- geschwindigkeit in der Kavität übertragen werden. Die Energie hoher Schneckenvorschub- geschwindigkeiten führt zunächst zur Kompression der Kunststoffschmelze. Erst in einem zweiten Schritt wird die Kavität durch die resultierende Schmelzeexpansion gefüllt. Der Prozess der zeitversetzten Formfüllung weist eine geringe Reproduzierbarkeit auf.
    Das Spritzgießen mit Schmelzevorkompression ist eine Prozessstrategie zur Herstellung von Bauteilen mit geringer Wandstärke bei dem die Kompressibilität der Kunststoffschmelze gezielt als intrinsischer Druckspeicher genutzt wird. Dabei wird der Kunststoff zunächst bei geschlossener Verschlussdüse komprimiert. Anschließend wird diese geöffnet und eine definierte Schmelzemenge expandiert in die Kavität. Neben einer verbesserten Repro- duzierbarkeit des Prozessablaufs und der Bauteileigenschaften werden höhere Fließfrontgeschwindigkeiten erwartet.

    Zielsetzung und Lösungsweg

    Das wesentliche Ziel des Forschungsprojektes ist es, das Potenzial des Spritzgießens mit Schmelzevorkompression für die Herstellung von Mikrobauteilen zu untersuchen. Die Bewertung des Verfahrens im Vergleich zum konventionellen Spritzgießen soll auf Basis eines Prozessmodells geschehen.
    Im Rahmen des Projektes soll daher die Entwicklung eines Werkzeugkonzeptes zum Spritzgießen von Mikrobauteilen mit kavitätsnaher Schmelzevorkompression sowie das Erarbeiten eines geeigneten Prozessfensters und -modells zur Beschreibung des Verfahrens erfolgen. Wichtigstes Arbeitsergebnis ist die Umsetzung in ein Spritzgießwerkzeug und die funktionstüchtige Prozessrealisierung. Des Weiteren sind die für das Spritzgießen mit Schmelzevorkompression relevanten Werkstoffeigenschaften wie die Kompressibilität und das rheologische Verhalten bei hohen Schergeschwindigkeiten zu bestimmen. Zur Erarbeitung der Modellvorstellung dienen neben der Prozessevaluierung, erste Parameterstudien und Bauteiluntersuchungen. Diese umfassen die Morphologie, mechanische Eigenschaften, die Abformgenauigkeit sowie die erreichbaren Bauteildimensionen und die Werkstoffschädigung.

    Wesentliche Ergebnisse der 1. Förderperiode

    Durch die Umsetzung eines modularen Spritzgießwerkzeuges mit kavitätsnaher Schmelze- vorkompression konnte eine leistungsfähige Prozess- und Werkzeugtechnik für unterschiedliche amorphe und teilkristalline Kunststoffe und Formteilgeometrien entwickelt werden, Bild 1.


    Bild 1: Werkzeug für das Spritzgießen mit Schmelzevorkompressions

    Die Auslegung des Prozesses und der Prozesstechnik erfolgt auf der Basis des in pvT-Messungen ermittelten Kompressions- und Expansionsverhaltens der Modellwerkstoffe. Die Festlegung des thermischen Prozessfensters anhand der pvT-Daten führt dazu, dass Kunststoffe mit ausgeprägter druckabhängiger Verschiebung des Glasübergangs- bzw. des Kristal- lisationsbereiches, z. B. Polybutylenterephthalat (PBT), nur eingeschränkt für das Spritzgießen mit Schmelzevorkompression eingesetzt werden können. Für ein optimales Füllvolumen ist eine Kompression erforderlich, die bei solchen Thermoplasten durch eine stark eingeschränkte Beweglichkeit der Molekülketten zu einer Viskositätserhöhung führt. Ein Füllen der Kavität wäre dann nicht mehr möglich.
    Die Prozessevaluation mit Werkstoffen unterschiedlicher Viskosität zeigte zwischen dem Spritzgießen mit und ohne Schmelzevorkompression grundlegende Unterschiede in der Charakteristik des Druckverlaufes in der Kompressionskammer, Bild 2. Am Beispiel der Sensormessstrecke (4 x 140 x 0,5 mm) wird deutlich, dass beim Spritzgießen mit Schmelzevorkompression (durchgehende Linie) hervorgerufen durch die vorangestellte Kompression der Druck im Heißkanal stark ansteigt. Die Formfüllung der Kavität beginnt im dargestellten Beispiel nach 2,5 s. Einhergehend mit einem starken Druckabfall im Heißkanal steigt der Werkzeuginnendruck sehr schnell an. Daraus resultiert eine sehr kurze Einspritzzeit. Im Gegensatz dazu wird beim konventionellen Spritzgießen (gestrichelte Linie) der Druck im Heißkanal während des Einspritzens aufgebaut. Das Füllen der Kavität erfolgt verzögert und benötigt mehr Zeit, hier parallel zum Formfüllen beim Spritzgießen mit Schmelzevorkompression dargestellt.



    Bild 2: Druckverlauf im Heißkanal und der Kavität am Beispiel der Sensormessstrecke (Linie: Spritzgießen mit Schmelzevorkompression, gestrichelt: Spritzgießen, POM C9021, Tm = 210°C, Tw = 110°C)

    Durch den stark exponentiellen Druckabfall bei der Schmelzeexpansion werden nachfolgend in der Kavität um ein vielfaches höhere Fließfrontgeschwindigkeiten als beim konventionellen Spritzgießen erreicht, welche mit dem Fließweg stark abnehmen, Bild 3. Die resultierenden Formteileigenschaften sind durch stärker orientierte und dünnere Randschichten geprägt. Außerdem ist auf Grund der hohen Fließfrontgeschwindigkeiten eine gute Abformqualität zu erwarten. Weitere Ergebnisse zeigen, eine höhere Reproduzierbarkeit der Formteileigenschaften E-Modul, Bruchdehnung und Formteilgewicht beim Spritzgießen mit Schmelzevorkompression im Gegensatz zum konventionellen Spritzgießen.



    Bild 3: Fließfrontgeschwindigkeit am Beispiel Campus-Zugstab 1:8
    (POM C9021, Tm=210°C, Tw=110°C)

    Ein Prozessmodell für das Spritzgießen mit Schmelzevorkompression wird auf der Basis des Kompressionsverhaltens der Modellwerkstoffe in Kombination mit der Prozesscharakteristik erarbeitet. Ausgehend vom Druckverlauf im Heißkanal und in der Kavität soll die Beschreibung des Fließverhaltens in der Kavität erfolgen.

    Wesentliche Ergebnisse der 2. Förderperiode

    Das Spritzgießen mit kavitätsnaher Schmelzevorkompression von Bauteilen aus teilkristallinen Thermoplasten wurde in der zweiten Projektphase umfassend sowohl für Mikrobauteile als auch für eher flächige Bauteile mit sehr geringen Wanddicken sowie für mikrostrukturierte Bauteile untersucht. Die von der Kompressionsgeschwindigkeit abhängige Kompressibilität der Kunststoffschmelze kann besonders durch eine langsame Kompression effektiv als Energiespeicher genutzt werden. Die daraus resultierende hohe Fließfrontgeschwindigkeit zu Beginn der Formfüllung führt zu einer Reduzierung der Dicke der erstarrten Randschicht und hat dadurch signifikante Vorteile für die Herstellbarkeit besonders dünnwandiger Bauteile und der Abformgenauigkeit von Mikrostrukturen, Bild 4.




    Bild 4: Abformgenauigkeit von mikrostrukturierten Platten aus POM
    oben: resultierende Strukturhöhe (Soll-Strukturhöhe: 50 µm)
    mitte: REM-Aufnahme der Mikrostruktur (Soll-Strukturhöhe: 100 µm, quer orientiert)
    unten: Lichtmikroskopie in polarisiertem Durchlicht an Dünnschnitt
    (Soll-Strukturhöhe: 100 µm, quer orientiert)

    Die aus der Prozesscharakteristik resultierenden Eigenschaften der Bauteile sind geringer als die der mit demselben Werkzeug und vergleichbaren Verarbeitungsparametern spritzgegossenen Bauteile, Bild 5 links. Während der Kristallisationsgrad über den Bauteilquerschnitt in der Regel vergleichbare Werte annimmt, treten geringere Randschichtdicken und veränderte Sphärolithgrößenverteilungen auf. Die resultierenden mechanischen Eigenschaften sind gegenüber spritzgegossenen Bauteilen niedriger und korrelieren nur bedingt mit dem Kristallisationsgrad, Bild 5 rechts.


    Bild 5: Eigenschaften expansionsspritzgegossener skalierter Zugstäbe aus PP in Abhängigkeit der Zugstabgröße und der Verarbeitungstemperatur
    links: Speichermodul bei 23°C
    rechts: Kristallisationsgrad

    Das Prozessmodel für das Spritzgießen mit Schmelzevorkompression von Steinbichler und Rajganesh ermöglicht für dünnwandige, flächige Bauteile bei gegebenen Werkstoffkenndaten und bekannter Bauteilgeometrie die Berechnung der erforderlichen Kompressionsdrücke und –volumina. Durch Anpassung des Modells konnte bei bekannten Werkstoffkenndaten, Kompressionsdruck und –volumen auf Basis des ortsaufgelösten Bauteilquerschnittes der Fließweg in der Kavität vorhergesagt werden, Bild 6 rechts. Eine zufriedenstellende Vorhersage des Fließweges war nur für hohe Kompressionsdrücke möglich, bei geringeren Kompressionsdrücken werden tendenziell längere als in der Praxis realisierte Fließwege vorhersagt. Ursache hierfür sind vermutlich die vom Modell für flächige Bauteile angenommenen Abkühlbedingungen, die eine Abkühlung über die Seitenwände des Bauteils und die damit verbundene Reduzierung des Querschnitts nicht berücksichtigen.


    Bild 6: Berechnete und gemessene Dicke der erstarrten Randschicht (links) und Einfluss dieser auf den Fließweg in der Kavität (rechts) für eine 0,5 mm Platte aus POM



    Ansprechpartner

    Dipl.-Ing. Karoline Vetter
    EMail: vetter(a)lkt.uni-erlangen.de

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