Verarbeitungsinduzierte morphologische Einflüsse auf die Eigenschaften thermoplastischer Mikrozahnräder
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Im Rahmen des Forschungsvorhabens wurden die Zusammenhänge der verarbeitungsinduzierten abkühlbedingten Morphologie und Gebrauchseigenschaften von spritzgegossenen Mikrozugstäben sowie Mikrozahnrädern in Bezug auf einer Optimierung des tribologischen Verhaltens untersucht. Zur Erzielung von hohen Abkühlgradienten bei gleichzeitig hohen Werkzeugtemperaturen wurden zwei Werkzeugkonzepte konstruiert und gebaut. Es wurde der Einfluss einer Variation der isothermen Haltezeit sowie der Werkzeugtemperatur auf die inneren Eigenschaften untersucht, welche zunächst mit Hilfe von Morphologieaufnahmen und Messungen des Kristallisationsgrades qualitativ und quantitativ bestimmt wurden. Ebenso wurde deren Auswirkung auf Verschleißeigenschaften mittels der Stift-Scheibe Prüfung nachgegangen. Mit Hilfe der hergestellten Mikroritzel wurden Getriebeversuche durchgeführt. Die Ergebnisse zeigen, dass für hergestellte Bauteile aus POM-C insbesondere die Werkzeugtemperatur, weniger die isotherme Haltezeit, Einfluss auf das entstehende Gefüge hat. Wie in der Literatur bekannt, führt eine steigende Werkzeugtemperatur zu einer Reduktion der Randschicht- und der transkristallinen Schichtdicke sowie des damit verbundenen Gradienten des Kristallisationsgrades von Rand zu Kern. Eine Variation der isothermen Haltezeigt zeigt für Bauteile aus POM-C bis zum Erreichen des Kristallisationstemperaturbereichs Einfluss in Form einer geringfügig zunehmenden Sphärolithgröße in der Kernschicht mit zunehmender isothermer Haltezeit. Ein messbarer Einfluss der isothermen Haltezeit auf den Kristallisationsgrad ist nicht aufzeigbar. Der geringe Einfluss der isothermen Haltezeit bei den Bauteilen aus POM-C wird auf die hohe Kristallisationskinetik des Werkstoffs und den für diesen Werkstoff zu geringen Abkühlgradienten zurückgeführt. An Bauteilen aus PA 12 konnte ein deutlicherer Einfluss der isothermen Haltezeit, insbesondere bei der Betrachtung der morphologischen Strukturen, im Kernbereich aufgezeigt werden. Signifikante Einflüsse auf die Randschicht sind nicht erkennbar. Die Stift-Scheibe Versuche zur Ermittlung tribologischer Kennwerte haben gezeigt, dass Proben, welche bei einer Werkzeugtemperatur über dem Kristallisationstemperaturbereich gefertigt wurden, die tendenziell niedrigsten Verschleißkennwerte aufweisen. Zu diesem Effekt lassen sich nun Kenntnisse von Makrobauteilen in die Mikrotechnik übertragen. Randschichten mit hohen Kristallisationsgraden und sphärolithischen Strukturen zeigen die geringsten Verschleißeigenschaften. Proben mit hoher Kristallisationskinetik, welche mit unterschiedlichen isothermen Haltezeiten gefertigt wurden, zeigen keine signifikanten Unterschiede bei den gemessenen Verschleißkennwerten. Bauteile mit einer vergleichsweise langsamen Kristallisationskinetik zeigen hingegen eine Abnahme des gemessenen Verschleißes mit zunehmender isothermer Haltezeit. Schnell kristallisierende Werkstoffe bieten nach den gewonnenen Erkenntnissen die Möglichkeit, optimale tribologische Eigenschaften bei Verwendung von Werkzeugtemperaturen oberhalb des Kristallisationstemperaturbereichs aufzuweisen. Des Weiteren führt ein anschließendes schnelles Abkühlen neben den optimierten tribologischen Eigenschaften zu einer Reduktion der Prozesszykluszeit. Bei Bauteilen mit langsamer Kristallisationskinetik bietet eine Erhöhung der isothermen Haltezeit bei Temperaturen im Bereich des Kristallisationstemperaturbereichs die Möglichkeit, die tribologischen Eigenschaften zu optimieren. Weiterhin konnte gezeigt werden, dass unterschiedliche Stahlscheibenrauigkeiten Einfluss auf gemessene Verschleißparameter haben. Mit einer Zunahme der Stahlscheibenrauigkeit resultieren höhere Verschleißkennwerte aufgrund des erhöhten Materialabtrags des Kunststoffstifts. Für Mikrobauteile bietet demnach eine Reduktion des industriell oftmals verwendeten Stahlscheibenrauheitswerts von 1,5 µm auf 0,5 µm die Möglichkeit, signifikant niedrigere Verschleißkennwerte zu erzielen. Nach aktuellem Stand sind insbesondere die inneren Eigenschaften, wie beispielsweise morphologische Strukturen und Kristallisationsgrad sowie die Rauigkeit des Stahlpartners entscheidend in Hinblick auf die resultierenden tribologischen Eigenschaften. Im Rahmen des Projekts konnten erste Effekte unterschiedlicher, randnaher Morphologien auf resultierende Verschleißeigenschaften aufgezeigt werden. Die verwendeten Werkzeugkonzepte eröffneten hierbei die Möglichkeit, den Zeit- / Temperaturverlauf der Schmelze dahingehend zu beeinflussen, dass unterschiedliche innere Bauteileigenschaften generiert werden konnten, welche sich auf die Verschleißeigenschaften auswirken. Eine weitere Optimierung der Werkzeugtechnik kann eine tiefere Betrachtung der zeit- und temperaturabhängigen Strukturausbildung ermöglichen. Für die gezielte Betrachtung der abkühlbedingten Randschichteffekte ist die verwendete Prüftechnik noch nicht vollständig hinreichend. Bei weiterer Optimierung der Prüftechnik, beispielsweise durch Realisierung einer winkelgesteuerten Messwerterfassung, wäre eine präzise Untersuchung des Einflusses unterschiedlicher Oberflächentopographien auf tribologische Eigenschaften für Mikrobauteile möglich. Zudem kann somit eine genaue Auswertung von inneren Strukturübergängen realisiert werden.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
- Neuartiges Werkzeug- und Temperierkonzept für tribologisch optimierte Mikroteile. Konstruktion 1/2 (2014), Seite 61-66
Drummer, D.; Jungmeier, A.; Leisen, C.; Peters, G.
- The Influence of Inner Component and Topographical Properties on Tribological Parameters of Injection-Moulded Microparts. Advances in Mechanical Engineering 2014 (2014), Article ID 321674, 10 Seiten
Fischer, C.; Drummer, D.
(Siehe online unter https://doi.org/10.1155/2014/321674) - The Influence of Proccessing Temperature on Morphological and Tribological Properties of Injection-Moulded Microparts. Advances in Mechanical Engineering 2014 (2014), Article ID 218761, 9 Seiten
Fischer, C.; Leisen, C.; Merken, D.; Jungmeier, A.; Drummer, D.
(Siehe online unter https://doi.org/10.1155/2014/218761)
