Grundlagenuntersuchung zum Trennen, Umformen und Montagespritzguss und deren Interdependenz für die Herstellung beständig mediendichter elektronischer Systeme
Ur- und Umformtechnik, Additive Fertigungsverfahren
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Die wachsende Elektronifizierung in vielen Anwendungsbereichen mit zunehmend anspruchvolleren Einsatzbedingungen, die durch gleichzeitige Einwirkung von Temperatur, Medien und mechanische Beanspruchungen gekennzeichnet sind, führt zu einem steigenden Bedarf an flexibel anpassbare elektronische Systeme mit hoher Funktionsdichte und Widerstandsfähigkeit gegen vielfältige Einsatzbeanspruchungen. Das Umspritzen von schergeschnittenen Metalleinlegeteilen im Montagespritzgießverfahren stellt ein sehr günstiges Herstellungsverfahren für Schaltstrukturen und Steckverbinder dar. Eine zunehmend gestellte Anforderung ist hierbei die beständige Mediendichtheit der Komponenten, die sich bislang nur eingeschränkt durch aufwändige Zusatzprozesse erreichen lässt. Darauf aufbauend, ist das übergeordnete Ziel des Projekts die Erzeugung mediendichter Kunststoff-Metall-Hybride für elektronische Anwendungen in einer kurzen Prozesskette unter Berücksichtigung der Interdependenz der Einzelprozesse der Metall- und Kunststoffverarbeitung. Zentraler Ansatz des Projekts ist die Strukturierung metallischer Einleger, wodurch eine Verbesserung der Mediendichtheit der Kunststoff-Metall-hybridbauteile erreicht werden soll. Für das Projekt wurde die vollständige Prozesskette aus Schneiden und Umformen am Lehrstuhl für Fertigungstechnologie und dem Montagespritzgießverfahren in einer automatisierten Zelle am Lehrstuhl für Kunststofftechnik umgesetzt. Im Rahmen der Untersuchungen konnte das Einbringen von Quernuten mittels Prägen als vorteilhaft identifiziert werden. Es wurde in grundlagenwissenschaftlichen Untersuchungen die Abbildung der Nutgeometrie im Zusammenhang mit dem auftretenden Werkstofffluss analysiert. Hierbei beeinflusst der axiale Werkstofffluss die Nutgeometrie, wohingegen der lokale laterale Werkstofffluss wesentlich die Einlegerkontur bestimmt. Darüber hinaus wurde die Rissbildung an den Kanten der Einleger untersucht. Hier konnte aufgezeigt werden, dass eine Verrundung der Kanten mittels Mikroprägen die Spannungskonzentration an den Kanten reduziert und infolgedessen eine Rissbildung sowie somit eine mögliche Leckage verhindert werden kann. Anhand erweiterter Strukturierungskonzepte mittels einer sekundäre Oberflächenstrukturierung, welche im Sinne einer hierarchischen Struktur überlagert wird, wurde der Einfluss der Anhaftung von Kunststoff und Metall untersucht. In diesem Zusammenhang war auch die elektrochemische Strukturierung metallischer Einleger Gegenstand der Arbeiten. Hierbei konnte die zentrale Bedeutung der Ausbildung von Hinterschnitten für die Herstellung einer flächigen Anhaftung, welche die Herstellung mediendichter Kunststoff-Metall-Hybridbauteile fördert, nachgewiesen werden. Weitergehend wurden grundlegende Zusammenhänge zur Bildung von Leckagen erarbeitet und die Formierung der Leckagepfade in Abhängigkeit der Strukturierung dargelegt. Dadurch konnte das Verständnis der Wirkmechanismen mediendichter Bauteile erweitert werden. Hierbei konnte auch aufgezeigt werden, dass durchgehende, gleichgerichtete Strukturen über alle Seitenfläche des Einlegers einen positiven Effekt auf die Dichtheit haben. Die Umsetzung in Form einer umlaufenden Nut wurde im Folgeverbundprozess durch die Kombination einer lokalen angepassten Schnittkontur und einem nachgelagerten Prägeprozess realisiert. Durch Analyse grundlegender Zusammenhänge hinsichtlich der gezielten Steuerung des Werkstoffflusses wurde ein Prozessverständnis für die gezielte Prozessauslegung für die umformtechnische Strukturierung metallischer Einleger erarbeitet. In Kombination mit dem Verständnis der Wirkmechanismen der Leckagebildung ist die Basis für die allgemeine Übertragung der Erkenntnisse in die industrielle Anwendung für die Steigerung der Leistungsfähigkeit mediendichter Kunststoff-Metall-Hybridbauteile geschaffen.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
- Calculation of the anisotropic, temperature-dependent thermal expansion coefficient (TEC) of parts made from short-fiber-reinforced polymers. In: SPE (Hrsg.): Proc. ANTEC, 2013, S. 1-7
Vetter, M.; Drummer, D.
- Dichtheit von Steckverbindern unter Temperaturbelastung. In: Song, J. (Hrsg.): Proc. 4. Int. Connectors Symposium, 2013, S. 79–94
Vetter, M.; Drummer, D.; Ehrenstein, G. W.
- Konstruktiv arbeiten mit der anisotropen thermischen Dehnung von verstärkten Kunststoffen. In: Konstruktion, (2013)11/12, S. 83–87
Vetter, M.; Drummer, D.
- The Anisotropic, Temperature-Dependent Thermal Expansion Coefficient (TEC) of Short-Fiber-Reinforced Polymers. 13th Annual International Polymer Colloquium, Madison, USA, 26.04.2013
Vetter, M.
- Montagespritzgießen von mechatronischen Komponenten. Dissertation, Lehrstuhl für Kunststofftechnik, Erlangen 2014
Heinle, M.
- Embossing of Metal Inserts for Subsequent Assembly Injection Moulding of Media Tight Electronic Systems. KEM (Key Engineering Materials) 639 (2015), S. 99-106
Frey, P.; Heinle, M.; Leisen, C.; Drummer, D.; Merklein, M.
(Siehe online unter https://doi.org/10.4028/www.scientific.net/KEM.639.99) - Influence of Metal Inserts with Microformed Edges on Subsequent Injection Assembly Moulding for Media Tight Electronic Systems. In: Qin, Y.; Dean; T.A.; Lin, J; Yuan, S. J.; Vollertsen, F. (Hrsg.): New Forming Technology 2015 - Proceedings of the 4th ICNFT, MATEC Web of Conferences, 2015, S. 1-7
Frey, P.; Heinle, M.; Drummer, D.; Merklein, M.
(Siehe online unter https://doi.org/10.1051/matecconf/20152109013) - Effect of Residual Stress on the Distortion of Microembossed Metal Inserts for Assembly Injection Moulding. In: Tosello, G.; Nørgaard Hansen, H.; Ehmann, K.; Dimov, S. (Hrsg.): 4M/IWMF2016 Conference: Proceedings of 11th International Conference on Multi-Material Micro Manufacture, 2016, S. 213-216
Frey, P.; Höhler, C.; Merklein, M.
- Einfluss mikrogeformter Kanten an Metalleinlegern auf die Temperaturwechselbeständigkeit mediendichter Kunststoff-Metall Hybriden. Zeitschrift Kunststofftechnik 2018, 14, S. 212-232
Heinle, M., Frey, P., Merklein, M., Drummer, D.
(Siehe online unter https://doi.org/10.3139/O999.03032018) - Electrochemical treatment of aluminum inserts for tight polymer-metal hybrid applications. 18th Annual International Polymer Colloquium, Madison, USA, 04.05.2018
Kleffel, T., Drummer, D.
- Electrochemical treatment of metal inserts for subsequent assembly injection molding of tight electronic systems. Journal of Polymer Engineering 2018, 28, S. 675-684
Kleffel, T., Drummer D.
(Siehe online unter https://doi.org/10.1515/polyeng-2017-0432) - Erweiterte Funktionalitäten durch hybride Werkstoffe mit Kunststoffen. Jahresmagazin Werkstofftechnik 2018, S. 95-101
Drummer, D.
- One-step electrochemical treatment of metal inserts for tight polymer-metal hybrid applications. In: SPE (Hrsg.): Proc. ANTEC, 2018, S. 1-8
Kleffel, T., Drummer D.
- (2019) Haftungsinkompatible Kunststoff-Kunststoff-Verbunde mit gesteigerter Mediendichtheit mittels aufgesinterter Mikrostrukturen. Zeitschrift Kunststofftechnik 15 314-334
Ott, C.; Kleffel, T., Wolf, M., Drummer, D.
- Analysis of the formation of gap-based leakages in polymer-metal electronic systems with labyrinth seals. Journal of Polymer Engineering 2019
Kleffel, T., Frey, P., Merklein, M., Drummer, D.
(Siehe online unter https://doi.org/10.1515/polyeng-2019-0098)
