Hochpräzise Kunststoffoptiken durch anwendungsoptimierte Druckverfestigung
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Um die wissenschaftliche Zielsetzung zu erreichen, wurde in Zusammenarbeit mit den Projektpartnern zunächst eine Probekörpergeometrie definiert und anschließend ein entsprechendes Werkzeug konzipiert, konstruiert und gebaut. Das Material wurde hinsichtlich Fließ- und Verfestigungsverhalten in isothermen pvT und HKR Messungen charakterisiert. Die Prozessauslegung der Abkühlzeiten auf Werkzeug bzw. Entformungstemperatur erfolgte mittels Simulation des Einspritz- und Abkühlvorgangs. Im Rahmen des Projektes wurden unterschiedliche Bauteile mit Variation der Parameter Druckhöhe, Angleichzeit, Kompressionszeit, Druckhaltezeit und Kühlzeit gefertigt und hinsichtlich deren Maßhaltigkeit, Eigenspannungen und Orientierungen sowie Mikrostrukturabformung charakterisiert. Die Ergebnisse zeigen, dass die Faktoren Kompressionszeit, Druckhaltezeit und Kühlzeit im Rahmen der Druckverfestigung nur geringen Einfluss auf die untersuchten Bauteileigenschaften zeigen. Demgegenüber wird die Maßhaltigkeit der Bauteile durch hohe Angleichzeiten und Drücke begünstigt. Hierbei zeigen die Ergebnisse gute Übereinstimmung mit dem ermittelten Verfestigungsverhalten der Materialcharakterisierung und deuten auf eine Verfestigung bei vollständiger Abkühlung auf Werkzeugtemperatur durch Drücke > 1000 bar hin. Die Folge sind geringe Schwindungswerte der hergestellten Bauteile, wobei sogar ein Übertreffen der Werkzeugmaße ermöglicht wurde. Eine Kompensation von Temperaturunterschieden in der Schmelze durch hohe Drücke konnte im Rahmen der Untersuchungen nicht realisiert werden. Die Auswertung der inneren Spannungen der druckverfestigten Bauteile zeigt eine Zunahme dieser bei Erhöhung des Drucks und der Angleichzeit. Dies konnte auf ein Zurückfließen der Polymerschmelze in den Angussbereich durch den Druckanstieg in der Kavität zurückgeführt werden. Die Abformung der Mikrostruktur wird nur beim Einspritzen der Schmelze in ein unterhalb der Glasübergangstemperatur temperiertes Werkzeug aufgrund der Ausbildung einer erstarrten Randschicht behindert. Untersuchungen zum Alterungsverhalten der druckverfestigten Proben zeigen eine starke Abhängigkeit der physikalischen Alterung von der Druckhöhe beim Durchschreiten des Glasübergangs. Hierbei führt eine Überkompression der Proben zu einem thermodynamischen Ungleichgewicht, welches durch die Druckverfestigung eingefroren wird und deutliche Alterungseffekte bei Warmauslagerung hervorruft. Im Rahmen des Transferprojekts konnte gezeigt werden, dass durch Einspritzen in ein verzögert geheiztes Werkzeug eine deutliche Reduktion der zykluszeitbestimmenden Angleichzeit möglich ist. Durch die Überlagerung des Werkzeugaufheizprozesses mit der Angleichphase auf Werkzeugtemperatur ist eine Reduzierung der Zykluszeit um bis zu 50 % möglich, bei gleichbleibenden Eigenschaften der druckverfestigten Bauteile. Dies wirkt sich positiv bei der wirtschaftlichen Betrachtung im Vergleich zum konventionellen Spritzguss aus, da kostenintensive Nacharbeitsschleifen aufgrund nicht vorhersehbarer Schwindung sowie nachhaltigkeitsmindernde Effekte wie erhöhter Materialverbrauch durch überdimensionierte Angusssysteme vermieden werden können.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
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Analysis of the processing-pressure dependent refractive index of Poly(methyl methacrylate) by transmission measurements of glass-filled Specimen. Polymer testing 71 (2018), Seite 217-222
Wildner, W.; Drummer, D.
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Influence of the Mold Temperature and Part Thickness on the Replication Quality and Molecular Orientation in Compression Injection Molding of Polystyrene. Intern. Polymer Processing 34 (2018) 4, Seite 425-433
Roth, B.; Zhou, M.-Y.; Drummer, D.
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Analysis of the Processing-Pressure Dependent Refractive Index of Polycarbonate by Transmission Measurements of Glass-filled Specimen. Polymer Engineering & Science (2019)
Roth, B.; Wildner, W.; Drummer, D.
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Dynamic compression induced solidification. Polymers 12 (2020) 488
Roth, B.; Wildner, W.; Drummer, D.
