Spritzgießen von Mikrobauteilen durch Schmelzevorkompression
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Ziel des Vorhabens war es, das Spritzgießen mit Schmelzevorkompression für die Herstellung thermoplastischer Mikrobauteile zu untersuchen. Mittels des in der ersten Projektphase entwickelten Spritzgießwerkzeuges kann eine kavitätsnahe Schmelzevorkompression umgesetzt und zu Beginn der Formfüllung hohe Fließfrontgeschwindigkeiten realisiert werden. Das Expansionsspritzgießen mit kavitätsnaher Schmelzevorkompression von Bauteilen aus teilkristallinen Thermoplasten wurde in der zweiten Projektphase umfassend sowohl für Mikrobauteile als auch für eher flächige Bauteile mit sehr geringen Wanddicken sowie für mikrostrukturierte Bauteile untersucht. Die von der Kompressionsgeschwindigkeit abhängige Kompressibilität der Kunststoffschmelze kann besonders durch eine langsame Kompression effektiv als Energiespeicher genutzt werden. Die daraus resultierende hohe Fließfrontgeschwindigkeit zu Beginn der Formfüllung führt zu einer Reduzierung der Dicke der erstarrten Randschicht und hat dadurch signifikante Vorteile für die Herstellbarkeit besonders dünnwandiger Bauteile und der Abformgenauigkeit von Mikrostrukturen. Die aus der Prozesscharakteristik resultierenden Eigenschaften der Bauteile sind geringer als die der mit demselben Werkzeug und vergleichbaren Verarbeitungsparametern spritzgegossenen Bauteile. Während der Kristallisationsgrad über den Bauteilquerschnitt in der Regel vergleichbare Werte annimmt, treten geringere Randschichtdicken und veränderte Sphärolithgrößenverteilungen auf. Die resultierenden mechanischen Eigenschaften sind gegenüber spritzgegossenen Bauteilen niedriger und korrelieren nur bedingt mit dem Kristallisationsgrad. Das Prozessmodel für das Spritzgießen mit Schmelzevorkompression von Steinbichler und Rajganesh ermöglicht für dünnwandige, flächige Bauteile bei gegebenen Werkstoffkenndaten und bekannter Bauteilgeometrie die Berechnung der erforderlichen Kompressionsdrücke und -volumina. Durch Anpassung des Modells konnte bei bekannten Werkstoffkenndaten, Kompressionsdruck und –volumen auf Basis des ortsaufgelösten Bauteilquerschnittes der Fließweg in der Kavität vorhergesagt werden. Eine zufriedenstellende Vorhersage des Fließweges war nur für hohe Kompressionsdrücke möglich, bei geringeren Kompressionsdrücken werden tendenziell längere als in der Praxis realisierte Fließwege vorhersagt. Ursache hierfür sind vermutlich die vom Modell für flächige Bauteile angenommenen Abkühlbedingungen, die eine Abkühlung über die Seitenwände des Bauteils und die damit verbundene Reduzierung des Querschnitts nicht berücksichtigen.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
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Einfluss der Prozesscharakteristik des Expansionsspritzgießens auf die Eigenschaften von Mikrobauteilen aus PP. In: Technomer 2009, 21. Fachtagung über Verarbeitung und Anwendung von Polymeren, Chemnitz, 2009
Vetter, K.; Kühnert, I.; Hülder, G.; Drummer, D.
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Expansion-Injection-Molding (EIM) by Cavity near Melt Compression. In: Proceedings of 4M/ICOMM 2009 Conference, Karlsruhe, 2009, S. 115-118
Vetter, K.; Jungmeier, A.; Kühnert, I.; Ehrenstein, G. W.
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Analyse von Skalierungseffekten beim Expansionsspritzgießen von Mikro- und Dünnwandbauteilen. In: Kolloquium Mikroproduktion und Abschlusskolloquium SFB 499. 11.-12. Oktober 2011, Karlsruhe (KIT Scientific Reports 7591), S. 181-186
Drummer, D.; Vetter, K.
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Expansion–injection–molding (EIM) by cavity near melt compression – About the process characteristic. CIRP Journal of Manufacturing Science and Technology 4 (2011) 4, S. 376–381
Drummer, D.; Vetter, K.
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Influence of Expansion Injection Moulding (EIM) upon Part Properties. In: 44th CIRP Conference on Manufacturing Systems, Madison (USA), 2011
Drummer, D.; Vetter, K.
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Präzise Abformung von Mikrostrukturen mittels Expansionsspritzgießen. Mikroproduktion 10 (2012) 3, S. 57-61
Drummer, D.; Vetter, K.
