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Teilprojekt 2:
Ultraschallplastifizierung

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


  • Einleitung

    Für das Spritzgießen von Mikroteilen soll mit der Ultraschallplastifizierung ein Verfahren geschaffen werden, das minimale Schmelzemengen innerhalb kürzester Zeit zur Verfügung stellen kann. Somit sollen die für das Mikrospritzgießen bekannten Nachteile konven- tioneller Maschinentechnik (lange Verweilzeiten der Kunststoffschmelze, überdimen- sionierte Angüsse, unzureichend genaue Prozessführung) minimiert werden.



    Die Idee, Ultraschall bei der Herstellung von Kleinstformteilen zu nutzen, wurde vor dem Hintergrund formuliert, dass bisher kein optimal geeignetes Spritzgießmaschinenkonzept existiert, um Kunststoffeinzelteile mit Schussgewichten (inklusive Anguss) kleiner 0,01 g herzustellen. Genutzt wird der aus dem Schweißen von Kunststoffen bekannte Effekt, Werkstoffen mittels Ultraschall die zum Aufschmelzen notwendige Energie zuzuführen.
    In den Mikrospritzgießprozess integriert, kann die Sonotrode als schwingungserzeugende Komponente der Ultraschallanlage folgendermaßen eingebunden werden: Entweder ist diese in einer separaten Plastifizierkammer angeordnet, von der die aufbereitete Schmelze in den Einspritzzylinder überführt wird, oder sie dient gleichzeitig als Einspritzkolben, der die Schmelze eine Kavität drückt. Auf diese Weise wurde beispielsweise auch das Mikrozahlrad hergestellt, das oben im Bild zu sehen ist.

    Zielsetzung

    In dem Vorhaben soll die Verfahrensidee des Ultraschallplastifizierens, deren prinzipielle Machbarkeit bereits vor einiger Zeit nachgewiesen wurde, für verschiedene ungefüllte und gefüllte Formmassen analysiert werden. Es soll des Weiteren überprüft werden, inwieweit sich schon aus dem Ultraschall- schweißen bekannte Erkenntnisse auf die Ultraschallplastifizierung übertragen lassen und welche Parallelen bezüglich der Verarbeitungsgrenzen beider Verfahren gezogen werden können.
    Ziele im weiteren Projektverlauf sind, sowohl die physikalischen Zusammenhänge bei der Erwärmung grundlegend zu erarbeiten und zu modellieren, als auch durch die Verarbeitung verschiedener Polymerwerkstoffe ein breites Prozesswissen aufzubauen. Die Vorteile des Verfahrens sowie deren Restriktionen sind für verschiedene Fragestellungen bezüglich des Prozesses wie Materialschädigung oder Formteilhomogenität aufzuzeigen.

    Wesentliche Ergebnisse der 1. Förderperiode

    In der bisherigen Projektlaufzeit wurde ein Ansatz zur Verfahrensmodellierung entwickelt und grundlegende Zusammenhänge der Ultraschallplastifizierung vor dem Hintergrund des Werkstoffverhaltens und der Anlagentechnik einschließlich der veränderbaren Parameter systematisch erarbeitet. Die Wechselwirkungen der physikalischen Größen wurden in einer umfassenden Effektmatrix dargestellt. In praktischen Versuchen erwiesen sich zunächst die aufzuschmelzende Materialmenge, der eingesetzte Werkstoff, die gewählte Anregungsamplitude sowie die Gestaltung der Plastifizierkammer als entscheidend für das Plastifizierergebnis. Dies zeigte sich insbesondere beim Einsatz von Granulat als Ausgangshalbzeug, da in diesem Fall äußere Reibungsverluste zu einem Großteil der dissipierten Energie beitragen und Schmelze verstärkt in den Kontaktflächen gebildet wird.
    Mit der Verfahrensvariante der Direktinjektion wurde die Ultraschallplastifizierung ferner zu einem frühen Zeitpunkt dazu verwendet, Testbauteile in Kleinserien zu fertigen. Im Zuge dessen wurde der Versuchsstand in mehreren Stufen angepasst und erweitert, sodass er zur Bestimmung von Prozessfenstern, der Bauteilherstellung über die Direktinjektion, für Untersuchungen zur Materialdegradation und zur Analyse des Aufschmelzverhaltens genutzt werden konnte. Die Abformung von Mikrokavitäten gelingt auch im Detail, jedoch bestehen Einschränkungen hinsichtlich der erreichbaren Fließlängen. Über Messungen zur Materialdegradation ließ sich zum Teil gar kein molekularer Abbau feststellen, zum Teil lag er in der Größenordnung konventionell spritz- gegossener Formteile.

    Wesentliche Ergebnisse der 2. Förderperiode

    In der zweiten Projektphase wurden die beiden Aufheizmechanismen (Kontaktflächenreibung und volumetrische Dämpfung) umfassend analysiert. Die Untersuchungen wurden so gestaltet, dass beide Effekte getrennt voneinander betrachtet werden können. Die volumetrische Erwärmung wurde mit geometrisch definiertem Plattenmaterialien durchgeführt, das genau dsa Volumen der Plastifizierkammer ausfüllt. Somit konnte die lateralen Bewegungen und die damit einhergehende Kontaktflächenreibung minimiert werden. Die Aufheizkurven wurden mit einem IR-Werkzeuginnenthermometers sowie über eine Infrarotkammera dokumentiert. Der Temperaturverlauf in der Plastifizierkammer ist in Bild 2 dargestellt.


    Bild 2: Temperaturverlauf bei der Plastifizierung mittels Ultraschall (Material: Polycarbonat)



    Der Temperaturverlauf während der Plastifizierung lässt sich in zwei Teilbereiche untergliedern, die sich durch unterschiedliche Heizraten auszeichnen. In der ersten Phase des Prozess findet ein moderates Aufheizen der Probe statt. Im zweiten Teilbereich steigt die Temperatur aufgrund des höheren Dämpfungsvermögens im Bereich des Glasübergangs des Kunststoffs deutlich schneller an. Hier sind Heizraten von 1500-2000 K/s möglich. Nach den kurzen Aufheizphasen stagniert die Temperatur jeweils auf einem Niveau im Bereich der Verarbeitungstemperatur der Materialien. Temperaturen oberhalb des Niveaus sind nur schwer zu realisieren. Die experimentellen Untersuchungen lassen sich in erster Näherung auch gut mithilfe eines analytischen Prozessmodells abbilden. Unter der Annahme einer adiabaten Plastifizierkammer und einer isotropen Erwärmung im Kunststoff kann die Probentemperatur mithilfe extrapolierter Werkstoffkennwerte iterativ berechnet werden. Ein Verglecih zwischen den gemessenen und berechneten Erwärmungsverläufen ist in Bild 3 dargestellt.


    Bild 3: Gemessene und berechnete Erwärmungsverläufe bei der Plastifizierung mit Ultraschall


    Neben den Analysen zu den verschiedenen Plastifiziermechanismen wurde auch das Homogenisierungspotenzial des Verfahrens analysiert. Dabei wurde unabhängig von dem verwendeten Ausgangshalbzeug eine nur geringe Mischwirkung bei der Plastifizierung mit Ultraschall festgestellt. Die erreichbare Materialhomogenität kann dabei nur geringfügig von den Prozessparametern beeinflusst werden und ist primär von dem verwendeten Halbzeug abhängig. Für die Herstellung von qualiativ hochwertigen Mikrobauteilen ist es daher ratsam, pulverförmige Ausgangsmaterialien zu wählen.

    Um den möglichen industriellen Nutzen des Verfahrens aufzeigen zu können, wurde die Ultraschallplastifizierung in die Mikrospritzgießmaschinentechnik integriert. Durch die Kopplung mit einem hochdynamischen Einspritzkolben sind wesentlich höhere Einspritzdrücke (von bis zu 2000 bar) realisierbar. Darüber hinaus wurde eine dynamsiche Werkzeugtemperierung integriert, um eine höhere Abformgenaugkeit erreichen zu können. Erste Analysen mit diesem neuen Verfahren wurden anhand einer Mikroschraube durchgeführt (Bild4).


    Bild 4: Mittels Ultraschall und Einspritzkolben hergestellte Mikroschraube aus PP


    Ansprechpartner

    Dipl.-Ing. Torben Fischer
    EMail: fischer_t(a)ikv.rwth-aachen.de

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