Analyse der Ultraschallplastifizierung für das Mikrospritzgießen
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Im Rahmen des Forschungsvorhabens wurde die Ultraschallplastifizierung für das Mikrospritzgießen umfassend analysiert. Das Verfahren beruht auf der physikalischen Eigenschaft polymerer Formmassen, sich unter zyklischen Deformationen aufgrund von äußeren Reibungsverlusten und innerer Moleküldämpfungen zu erwärmen. Es stellt damit ein alternatives Verfahren zu der üblicherweise eingesetzten Schneckenplastifizierung dar. Die hohen Anregerfrequenzen bewirken dabei ein Aufschmelzen des Kunststoffs innerhalb kürzester Zeit. Darüber hinaus ermöglicht das Verfahren, nur die Menge an Kunststoff aufzuschmelzen, die für den nächsten Schuss benötigt wird. Im Rahmen der ersten Projektperiode konnte die prinzipielle Einsetzbarkeit energetischen Ultraschalls für die Plastifizierung nachgewiesen werden. Dabei wurde auch die Verfahrensvariante der Direktinjektion entwickelt, die eine einfache Herstellung von Mikrobauteilen ermöglicht und so eine erste Bewertung der Ultraschallplastifizierung erlaubt. Die genauen Einflussfaktoren auf das Plastifizierverhalten wurden im Rahmen der zweiten Projektperiode identifiziert und systematisch untersucht. Insbesondere die beiden Erwärmungsmechanismen, die Kontaktflächenreibung sowie die volumetrische Erwärmung, wurden dabei umfassend getrennt voneinander betrachtet. Dabei konnte der Zusammenhang zwischen verschiedenen Werkstoffkennwerten und der volumetrischen Erwärmung nachgewiesen und mit Hilfe eines numerischen Modells in guter Näherung abgebildet werden. Die Kontaktflächenreibung beeinflusst im entscheidenden Maße, an welcher Stelle innerhalb der Plastifizierkammer zuerst die Erwärmung stattfindet. Durch die so gebildeten lokalen Hotspots wird die Erwärmung durch intermolekulare Schwingungsdämpfung begünstigt. Die Untersuchungen der mittels Ultraschallplastifizierung hergestellten Mikrobauteile zeigt, dass diese in Bezug auf ihre Morphologie und ihre mechanischen Eigenschaften nicht an die Qualität spritzgegossener Bauteilen heranreichen. Die Ursachen dafür sind vor allem in der schlechten Mischwirkung der bisher untersuchten Verfahrensvarianten zu sehen. Eine Verbesserung des Verfahrens ist durch die Kombination der Ultraschallplastifizierung mit einem Einspritzkolben zu erwarten, jedoch noch nicht umfassend untersucht. Auch die Materialbelastung ist bei der Plastifizierung mit Ultraschall deutlich höher als bei konventionellen Plastifiziermethoden. Dennoch stellt das Verfahren aufgrund seiner extrem kurzen Heizzeiten und der punktgenauen Dosiermöglichkeit eine mögliche Alternative zu konventionellen Plastifiziermethoden für das Herstellen von Mikrobauteilen aus Kunststoff dar.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
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S1] Michaeli, W.; Kamps, T.: Erwärmung von thermoplastischen Kunststoffen mit Ultraschall für das Mikrospritzgießen. Tagungsumdruck zum MikroSystemTechnik Kongress, Berlin, 2009
Michaeli, W.; Kamps, T.
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Heating and plasticizing thermoplastics with ultrasound for micro injection molding. Proceedings of the 68th Annual Technical Conference (ANTEC) of the Society of Plastics Engineers (SPE), Orlando, FL, USA, 2010
Michaeli, W.; Kamps, T.
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Fertigung von Mikrobauteilen aus Kunststoff mittels Ultraschallplastifizierung und Direktinjektion. Tagungsband zum Kolloquium Mikroproduktion und Abschlusskolloquium SFB 499, Karlsruhe, 2011
Michaeli, W.; Hopmann, Ch.; Fischer, T.; Kamps, T.
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Manufacturing of polymer micro parts by ultrasonic plasticization and direct injection. Microsystem Technologies 17 (2011) 2, S. 243-249
Michaeli, W.; Kamps, T.; Hopmann, Ch.
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Plastifizierung von Kunststoffen mit Ultraschall beim Mikrospritzgießen. Dissertation, RWTH Aachen, 2011, ISBN 3-86130-718-9
Kamps, T.
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Heating and Melting of Thermoplastics using Energetic Ultrasound. Proceedings of the 12th International Conference of the European Society for Precision Engineering and Nanotechnology, Stockholm, Schweden, 2012
Hopmann, Ch.; Michaeli, W, Fischer, T.
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Ultraschallplastifizierung kleinster Schmelzemengen. Mikroproduktion 10 (2012) 2, S. 46-50
Fischer, T.; Hopmann, Ch.; Michaeli, W.
