Erarbeitung von maschinentechnischen Grundlagen einer neuartigen Plastifiziervorrichtung mit inverser Plastifizierschnecke und Einspritzkolben für die Herstellung von Mikrobauteilen aus Kunststoffen über das Spritzgießverfahren sowie deren Erprobung und Analyse
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Im Rahmen des Forschungsvorhabens wurde zusammen mit der Arburg GmbH & Co. KG, Loßburg, die inverse Schnecke als alternatives Plastifizierverfahren für das Mikrospritzgießen konzipiert, die Plastifiziermechanismen analysiert und anschließend das Konzept erfolgreich in eine konventionelle Spritzgießmaschinentechnik implementiert. Das Verfahren der inversen Schnecke beruht auf der kinematischen Umkehr der bewegten Flächen. Dies bedeutet, dass die Schneckenwendel einer üblichen Plastifizierschnecke auf die Zylinderwand des Plastifizierkolbens übertragen werden. Dadurch können die guten Homogenisierungseigenschaften dieser Plastifiziermethode erhalten bleiben, während gleichzeitig kleinere Zylindervolumina realisiert werden können. Das Plastifizieren des Kunststoffgranulats und das Einspritzen der aufgeschmolzenen Formmasse wird über einen innenliegenden Kolben realisiert, der in seinem Durchmesser deutlich kleiner als die derzeit kleinste 3-Zonen-Schnecke (12 mm) ausgeführt ist. Dies ermöglicht es, den Einspritzweg insgesamt zu verlängern und somit besser kontrollieren zu können. Insgesamt kann so eine höhere Präzision erreicht und gleichzeitig die zum Betreiben der Anlagentechnik minimal notwendige Materialmenge deutlich reduziert werden. Im Rahmen des Projekts wurden die verfahrenstechnischen Grundlagen erarbeitet sowie die die prinzipielle Einsetzbarkeit des Plastifizierkonzepts nachgewiesen. Im Anschluss wurden die einzelnen Funktionsgruppen (Einzugszone, Schnecken- und Kolbengeometrie, Rückstromsperre) auf ihre konzeptionellen Fehler untersucht und systematisch verbessert und das Konzept für die Integration in eine serienmäßige Spritzgießmaschine optimiert. Parallel dazu wurde ein Versuchswerkzeug entworfen und gefertigt, um die Plastifizierleistung anhand von Mikrobauteilen, die mittels inverser Schnecke hergestellt werden, beurteilen zu können. Daran anschließend erfolgte die Inbetriebnahme und Funktionskontrolle der neu entwickelten Plastifiziereinheit sowie die Bewertung der Plastifizierleistung (u. a. Reproduzierbarkeit, Dosierverhalten und -genauigkeit) im direkten Vergleich mit etablierten Mikrospritzgießverfahren. Durch die Verwendung von Materialien und Testgeometrien, die bereits bei der Forschergruppe 702 zum Einsatz kamen, können die Ergebnisse der Forschergruppe erweitert werden. Gleichzeitig kann die Leistungsfähigkeit der inversen Schnecke direkt mit den bereits untersuchten Technologien (Ultraschallplastifizierung, Schmelzevorkompression, Spritzgießen in thermisch gering leitfähige Kavitäten) verglichen werden. Die Untersuchungen der mittels inverser Schnecke hergestellten Mikrobauteile zeigen, dass diese in Bezug auf ihre Morphologie und ihre mechanischen Eigenschaften mit der Qualität spritzgegossener Bauteilen vergleichbar sind. Durch die alternative Plastifiziermethode entsteht zudem keine höhere Materialbelastung als bei konventionellen Plastifiziermethoden. Besonders die extrem kurzen Verweilzeiten bedingt durch das kleine Volumen und die hohe Präzision der Einspritzbewegung macht das Verfahren der inversen Schnecke zu einer vielversprechenden Alternative zu konventionellen Herstellverfahren für Mikroformteile aus thermisch sensiblen Kunststoffen.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
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Innovative manufacturing processes for plastics parts with micro features. Proceedings of the Multi Material Micro Manufacturing (4M) Conference. San Sebastian, Spain, 2013
Hopmann, C.; Schöngart, M.; Eilbracht, S.; Behmenburg, C.; Fischer, T.
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Kleinste Schmelzemengen reproduzierbar einspritzen. Mikroproduktion 12 (2013) 1, S. 30-34
Hopmann, C.; Fischer, T.
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New Plasticizing Concept for Micro Injection Molding. Proceedings of the Annual Technical Conference (ANTEC) of the Society of Plastics Engineers (SPE). Boston, USA, 2013
Hopmann, C.; Fischer, T.; Behmenburg, C.
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Plasticising and Injecting Lowest Quantities of Plastic. Proceedings of the 29th Annual Meeting of the Polymer Processing Society (PPS). Nuremberg, Germany, 2013
Hopmann, C.; Neuß, A.; Weber, M.; Fischer, T.
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Innovative Plasticizing Method for Micro Injection Molding. Proceedings of the Annual Technical Conference (ANTEC) of the Society of Plastics Engineers (SPE). Las Vegas, USA, 2014
Hopmann, C.; Fischer, T.; Klünker, E.
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New plasticising process for increased precision and reduced residence times in injection moulding of micro parts. CIRP Journal of Manufacturing Science and Technology, Volume 9, May 2015, Pages 51-56
Hopmann, C.; Fischer, T.
