Precisely and rapidly mirco-structuring of glass parts by micro injection molding technology
Final Report Abstract
Obwohl der Spritzguss ein großes Potential für die Fertigung von Mikrobauteilen aus Glas aufweist, gibt es nach dem heutigen Stand der Forschung noch grundlegende Einschränkungen, die eine breite Anwendung dieser Formgebungstechnik verhindern. Zu diesen zählen, dass die rheologischen Eigenschaften von Standard-Silicatgläsern weit außerhalb des Prozessfensters der Spritzgusstechnik (zu hohe Verarbeitungstemperaturen) liegen, die erhöhten Verschleiß der Maschinenteile (geringe Abbildungsgüte) und niedrige Stückzahlen aufgrund kurzer Wartungsintervalle erwarten lassen. Einen Ausweg stellen alternative Glassysteme, sog. niedrig-Tg Gläser (nichtsilicatische Glassysteme) dar, deren Formgebungsverhalten nur in Ansätzen erforscht ist, die aber allgemein als wenig thermisch stabil gelten und über eine geringe mechano-chemische Resistenz verfügen. Bezüglich dieser Herausforderungen war die materialwissenschaftliche Zielsetzung (AG Deubener) des Projekts, geeignete niedrig-Tg Glastypen zu synthetisieren, sowie deren thermische, rheologische und mechano-chemische Eigenschaften, aber auch das Kontaktverhalten zu Formwerkstoffen zu untersuchen. Auf der Seite der Werkstofftechnik (AG Ziegmann) war das Ziel, für Kunststoffbauteile angewandte Mikrospritzgusstechnik für die Glasformgebung anzupassen und geeignete Bedingungen zu finden, die ein präzises und schnelles Abformen ermöglichen. Auf der Basis des avancierten Neubaus einer Spritzgussmaschine in der AG Ziegmann, die eine Verarbeitungstemperatur von 650°C (T4 ≤ 923 K) erlaubte, standen zunächst Phosphatgläser im Zentrum der Glasentwicklung. bzw. Untersuchung ihrer relevanten Eigenschaften. Dies betraf primär das thermische (Kristallisationsneigung) und thermomechanische Verhalten (Rheologie, Stabilität, Kontaktverhalten zu Formenwerkstoffen) der Schmelzen bei Tg - T4 - TL sowie deren mechano-chemische Glaseigenschaften (Härte, Risswachstum, Wasseradsorption) bei Raumtemperatur. Hier stellten sich vor allem Metaphospatgläser mit Kombinationen aus Alkali-/Erdalkalimetallkationen mit Zn2+ (ZAP/ZAEP Gläser) aufgrund der hydrolytischen Resistenz und geringer Isokomentemperatur T4 als besonders geeignet heraus. Für die Bewertung des Kontakts Werkzeug – ZAP/ZAEP Gläser wurden Werkstoffpaarungen auf ca. 650 °C erhitzt (T4) und die Grenzfläche während (Kontaktwinkel) und nach der thermischen Behandlung (Adhäsionsverhalten, mikrochemische Analyse) untersucht. Hieraus wurden bestimmte Edelstahlqualitäten als geeignet identifiziert. Für die Verarbeitung der entwickelten Gläser wurde eine Spritzgießmaschine konstruiert und gebaut, die den Anforderungen an den Werkstoff Glas standhalten soll. Die Konstruktion der Spritzgießmaschine wurde so ausgelegt, dass sie Einspritztemperaturen von bis zu 700 °C, ein Schussvolumen von max. 5 cm³, eine Zykluszeit von max. 60 s und die Vermeidung abrasiven Verschleißes im Bereich der Glasförderung und Einspritzung bei Einspritzdrücken von bis zu 2000 bar umsetzen kann. Darüber hinaus wurde es durch die Konstruktion ermöglicht, die Spritzgießmaschine mit geringem Aufwand zu einem vertikalen Hochdruck-Kapillarrheometer umzurüsten. Eine Methode zum Messen des Drucks im Testzylinder bei hohen Temperaturen wurde entwickelt und zum Patent angemeldet. Für die Verarbeitung der Glasschmelzen im Mikrospritzguss wurden ein- und mehrstufige Einspritzkonzepte getestet, die jedoch bisher nicht zum gewünschten Erfolg führten. Aus den Versuchen konnten jedoch Erkenntnisse über das Aufschmelzverhalten des Glases im Prozess und über das Anhaftverhalten an den verwendeten Materialien unter den gegebenen Prozessbedingungen gewonnen werden. Das Ziel, Demonstrationsbauteile im Förderzeitraum zu fertigen, ist hingegen nicht erreicht worden. Es stellte sich heraus, dass der Mikrospritzguss besonders für die Schmuckindustrie von Nutzen ist, da teuere händische Nachbearbeitungsschritte (Schleifen, Polieren) minimiert werden könnten. Während der Projektlaufzeit haben daher Gespräche zwischen Herstellern von Glasschmuckartikeln und den Antragstellern stattgefunden, die eine Verwertung der Ergebnisse signalisierten.
Publications
- Mechanical properties of sulfophosphate glasses, MSA Short Course 2011 - Sulfur in magmas and melts and its importance for natural and technical processes, Goslar, 21.-23. August 2011
S. Striepe, J. Deubener
- Viscosity and kinetic fragility in alkaline-earth-zinc-phosphate glasses, 5th Intern. workshop on flow and fracture of advanced glasses (FFAG5), St. Malo, Frankreich, 18.-22. März 2011
S. Striepe, J. Deubener
- Viskosität und kinetische Fragilität in Erdalkali-Zink-Phosphat-Gläser, 85. Glastechnische Tagung der DGG 2011, Saarbrücken, 1.-3. Juni 2011
S. Striepe, J. Deubener
- Micromechanical properties of (Na,Zn)-sulfophosphate glasses, J. Non-Cryst. Solids 358 (2012) 1032-1037
S. Striepe, N. Da, J. Deubener, L. Wondraczek
(See online at https://doi.org/10.1016/j.jnoncrysol.2012.01.045) - Viscosity and kinetic fragility of alkaline earth zinc phosphate glasses, J. Non-Cryst. Solids 358 (2012) 1480-1485
S. Striepe, J. Deubener
(See online at https://doi.org/10.1016/j.jnoncrysol.2012.03.031) - Effect of lithium-to-magnesium ratio in metaphosphate glasses on crack-tip condensation and sub-critical crack growth, J. Non-Cryst. Solids 375 (2013) 47-54
S. Striepe, J. Deubener
(See online at https://doi.org/10.1016/j.jnoncrysol.2013.04.063)
