Definierte lokale Eigenschaftsbeeinflussung beim Spritzgießen thermoplastischer Mikrobauteile unter dynamisch temperierter Prozessführung, Erkenntnistransfer-Projekt
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Im Rahmen des Transferprojekts wurde der Einfluss einer lokal definiert inhomogenen und homogenen Tempaturverteilung auf die Ausbildung lokaler innerer und resultierender Bauteileigenschaften für spritzgegossene Mikrobauteile untersucht. Zur Erzielung der wissenschaftlichen Zielsetzungen wurde zunächst ein Werkzeugkonzept von Seiten zweier Industriepartner und des Lehrstuhl für Kunststofftechnik konstruiert und gebaut. Hierbei kam ein dynamisches Temperiersystem mit Heizkeramiken zum Einsatz, welches die Kühlung mittels Wasser realisiert hat. Mit Hilfe von eruierten Werkstoffen wurden unterschiedliche Mikrobauteile mit lokal definiert inhomogenen sowie lokal definiert homogenen Bauteileigenschaften über prozessspezifische Temperierstrategien gefertigt und hinsichtlich ihrer inneren Eigenschaften und ihres resultierenden mechanischen Bauteilverhaltens charakterisiert. Die Ergebnisse zeigen, dass für Bauteile aus Polyamid und Polypropylen hohe Gradierungen der Bauteileigenschaften realisiert werden können, was auf die starke Beeinflussbarkeit der inneren Eigenschaften aufgrund des werkstoffcharakteristischen Kristallisationsverhaltens zurückgeführt werden konnte. Bauteile aus Polyoxymethylen zeigen hingegen aufgrund der hohen Kristallisationskinetik keine deutlichen Unterschiede in den mechanischen Eigenschaften. Alterungseinflüsse aufgrund der unterschiedlichen Werkzeugtemperaturen konnten nicht nachgewiesen werden. Eine Homogenisierung der Bauteileigenschaften wurde zum einen mittels einer Erhöhung der Werkzeugtemperatur, zum anderen mittels einer zweistufigen Abkühlstrategie untersucht. Hierbei konnte eine Erhöhung der Werkzeugtemperatur eine deutliche Eigenschaftshomogenisierung über die Fließweglänge ermöglichen, wobei eine zweistufige Abkühlstrategie zu einer vollständigen Homogenisierung der Bauteileigenschaften geführt hat. Dies wurde auf die zunächst hohe Werkzeugtemperatur während des Einspritzvorgangs zurückgeführt, mit welcher scherinduzierte Orientierungen größtenteils aufgelöst werden konnten. Eine anschließende Kristallisation innerhalb der Kristallisationstemperatur führt zu einer homogenen Eigenschaftsausbildung. Die Ergebnisse zur Prozessparameteranalyse mittels der Rennstreckengeometrie konnten zeigen, dass sowohl eine Erhöhung der Werkzeugtemperatur als auch eine Erhöhung der Einspritzgeschwindigkeit zu einer Erhöhung der Abformgenauigkeit führten, was auf das Kristallisationsverhalten des Werkstoffs zurückgeführt werden kann. Neben der Herstellung und Charakterisierung spritzgegossener Bauteile wurde das Abkühlverhalten bei der Fertigung von Bauteilen mit gradierter Werkzeugtemperatur simulativ erfasst. Hierzu wurden mitunter Kenntnisse basierend auf der Messung der Schmelzetemperatur während der Versuche mittels einer Thermoelementplatte sowie von durchgeführten FSC-Messungen genutzt, um neben einer abkühlabhängigen Berücksichtigung des Kristallisationsverhaltens die Bewertung resultierender innerer Eigenschaften zu ermöglichen. Ergebnisse konnten zeigen, dass sich in Abhängigkeit der vorliegenden lokalen Werkzeugtemperatur unterschiedliches Abkühlverhalten der Polymerschmelze zeigt, was zur Kristallisation thermisch unterschiedlich gelegener Kristallisationsbereiche führt. Dies kann als Ursache für die unterschiedlichen inneren Eigenschaften bei verschiedenen Werkzeugtemperaturzonen betrachtet werden. Mit Hilfe der gewonnenen Kenntnisse wurden des Weiteren Demonstratorbauteile im Sinne einer Lanzettengeometrie mitunter mittels der gradierten Prozessstrategie spritzgegossenen und hinsichtlich ihrer inneren Eigenschaften und des daraus resultierenden mechanischen Bauteilverhaltens untersucht. Die Ergebnisse konnten zeigen, dass durch die gezielte Anpassung der inneren Eigenschaften das Einstichverhalten im Spitzenbereich sowie das Bruchverhalten im Lanzettenanfangsbereich deutlich verbessert werden kann.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
- (2017) Influencing hardness and wear during the dynamic tempered microinjection molding process by considering isothermal holding time. Polym Eng Sci (Polymer Engineering & Science) 57 (2) 121–128
Fischer, Christopher; Seefried, Andreas; Merle, Benoit; Göken, Mathias; Drummer, Dietmar
(Siehe online unter https://doi.org/10.1002/pen.24394) - Einfluss der Bauteildimensionen auf das Alterungsverhalten spritzgegossener Mikrobauteile aus Polycarbonat. 7. Kolloquium Mikroproduktion, Seite 94-102, Aachen, 2015
Drummer, D.; Meister, S.
- Influence of short fibre reinforcement on properties of injection moulded micro parts in dependence of fibre content and part dimensions. Microsystem Technologies 21 (2015) 12, Seite 1-9
Drummer, D.; Heinle, M.; Meister, S.
(Siehe online unter https://doi.org/10.1007/s00542-015-2752-8) - Layer‑dependent characterization of wear behavior on variothermal injection moulded micro parts using pin on disc measurements. Microsystem Technologies 22 (2016) 6, Seite 1-8
Meister, S.; Hertle, S.; Drummer, D.
(Siehe online unter https://doi.org/10.1007/s00542-016-3051-8)
