Optimierung des morphologischen Multilayersystems von Mikrobauteilen mittels einer thermisch hoch flexiblen Prozessstrategie
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Ziel des Projektes war die theoretische und experimentelle Ermittlung jener Abkühlbedingungen im Spritzguss, die die Generierung von homogenen inneren Eigenschaften über dem kompletten Bauteilquerschnitt von thermoplastischen Mikrobauteilen ermöglichen. Einerseits wurde im Rahmen des Projektes der Einfluss der Werkzeugtemperatur beim dynamisch temperierten Spritzguss im Hinblick auf eine Homogenisierung der inneren Eigenschaften und somit auch auf resultierende physikalische Bauteileigenschaften betrachtet. Weiterhin wurden über eine simulative Prozessnachbildung, idealisierte Werkzeugtemperaturverläufe erarbeitet, welche in jeder finiten Schicht eines thermoplastischen Bauteiles für gleiche Abkühlbedingung im, für die Ausbildung innerer Eigenschaften relevanten, Kristallisationstemperaturbereich sorgen. Für die experimentelle Validierung der mittels Simulation eruierten Werkzeugtemperaturverläufe wurde aufgrund der Notwendigkeit von flexibel anpassbaren Kühlraten im Verlauf der Abkühlung ein neukonzeptioniertes Werkzeug-Temperierkonzept benötigt und eingesetzt, welches im Laufe des Projekts in Zusammenarbeit aller Projektpartner konzipiert und erstellt wurde. Eruierte Werkstoffe wurden mittels der alternativen Werkzeug-Temperier-Systeme verarbeitet. Die hergestellten Probekörper wurden hinsichtlich ihrer inneren Eigenschaften und der resultierenden physikalischen Bauteileigenschaften ausreichend charakterisiert. Die hochdynamische Temperierung mittels CO2 zeigte sich im Vergleich zur konventionellen dynamischen Temperierung mit Wasser als hochflexibel in Bezug auf eine gezielte Variation von Kühlraten innerhalb eines Kühlzyklus. Durch die Möglichkeit Kühl- und Heizkanalstrukturen mit Hilfe der generativen Fertigung kavitätsnah im Werkzeugeinsatz zu platzieren, können durch die eingesetzte Werkzeug-Temperier Variante sehr hohe Heiz- und Kühlraten erreicht werden, welche industriell erreichbare Werte übertreffen und somit auch potentiell kürzere Zykluszeiten ermöglichen. Das im Rahmen des Projektes entwickelte Simulationsmodell ermöglicht zudem das Einhalten von definierten Soll-Abkühlraten im gesamten Bauteil durch eine Kompensation von kristallisationsbedingten Effekten während der Abkühlung, die nur unter einer besonders realitätsnahen Berücksichtigung der Werkstoffparameter ermöglicht wird. Die notwendigen Korrekturen im Verlauf der Werkzeugtemperatur können durch die hochdynamische Temperierung mittels CO 2 unter Variation der Gasinjektionsparameter gezielt eingehalten werden. Dadurch wird neben der Manipulation der Eigenschaften über die Werkzeugtemperatur eine noch präzisere Einstellung innerer Eigenschaften und darüber hinaus definierter physikalischer Zieleigenschaften ermöglicht. Die Ergebnisse der Bauteilcharakterisierung zeigen, dass sich über die Wahl der Werkzeugtemperatur eine starke Beeinflussung von sowohl inneren als auch physikalischen Bauteileigenschaften erzielen lässt. Während bei niedrigen Werkzeugtemperaturen in angussfernen Bauteilbereichen deutlich schwächer ausgeprägte innere Eigenschaften auftreten, können in angussnahen Bereichen auch bei niedriger Werkzeugtemperatur hohe Kristallisationsgrade aufgrund von scherinduzierten Kristallisationsvorgängen, registriert werden. In den angussfernen Sektionen bleibt diese durch die Abnahme des Volumenstroms aus und ein thermisch induziertes Kristallisationsverhalten dominiert. Die hohe Unterkühlung der Schmelze durch die große Differenz zwischen Werkzeugtemperatur und Schmelzetemperatur führt demnach insbesondere in den angussfernen Bauteilbereichen zu schwach ausgeprägten inneren Eigenschaften. Als Resultat zeigt sich ein deutliches Eigenschaftsgefälle über dem Fließweg. Durch eine Erhöhung der Werkzeugtemperatur sinkt die Differenz und lässt ein ausgeprägteres kristallines Gefüge entstehen. Gleichzeitig kommt es durch die Temperaturerhöhung zur stärkeren Relaxation und dem Abbau von orientierten Randschichten, was letztendlich zu einer Annäherung und Homogenisierung von Bauteileigenschaften über dem Fließweg führt. Bei einer ausreichend hoch gewählten Werkzeugtemperatur von 190 °C kann ein homogenes Gefüge über dem gesamten Bauteilquerschnitt erzielt werden, was anhand von Nanoindentermessungen gezeigt werden konnte. Stift-Scheibe Versuche zeigten, dass optimale Verschleißeigenschaften bei Temperaturen im Bereich von 150 °C erzielt werden können und sich eine weitere Temperaturerhöhung negativ auf die Reibeigenschaften auswirkt. Infrarotspektroskopische Analysen zeigten die Möglichkeit, über die durch die Gasinjektionsparameter variabel einstellbare Abkühlrate von Werkzeug- auf Entformungstemperatur die inneren Bauteileigenschaften zu beeinflussen. Bei einer Werkzeugtemperatur von 190 °C und nachfolgender Abkühlung mit 5 bzw 10 K/s konnten dabei homogene innere Eigenschaften über dem Bauteilquerschnitt erzeugt werden und über Nanoindentermessungen eine resultierende homogene Gefügesteifigkeit über dem Bauteilquerschnitt nachgewiesen werden. Geringere Abkühlraten favorisieren dabei bedingt durch den längeren Zeitraum der Wachstumsphase kristalliner Überstrukturen eine stärker ausgeprägte Kristallinität und zeigten dementsprechend auch höhere Gefügesteifigkeiten sowie bessere Verschleißeigenschaften in den tribologischen Versuchen. Die gewonnenen Kenntnisse wurden zur Herstellung von Demonstratorbauteilen in Form eines Mikrozahnrades angewandt. Die Ergebnisse konnten zeigen, dass durch die variabel einstellbaren Abkühlraten eine Beeinflussung innerer Eigenschaften bei Einhaltung einer isotropen Gefügestruktur erzeugt werden können. Durch Abkühlraten im Bereich von 1 bis 80 K s^-1 (gemittelte Werte im Kristallisationstemperaturbereich von PA 12) kann dabei eine große Bandbreite an unterschiedlichen Bauteileigenschaften abgedeckt werden.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
- Effects of high cooling rates on solidification for nucleated and non-nucleated semi-crystalline thermoplastics. Zeitschrift Kunststofftechnik 13 (2017), Seite 212-232
Meister, S.; Fischer, C.; Drummer, D.
- Einfluss der Werkzeugtemperatur auf die lokale Ausbildung der Bauteileigenschaften beim dynamisch temperierten Mikrospritzguss. 8. Kolloquium Mikroproduktion (2017)
Fischer, C., & Drummer, D.
- Micro Components with Locally Different Properties Realized by Segmented tempered Injection Molding. SPE Proceedings Antec (2017), Seite 951-955
Fischer, C., & Drummer, D.
- Influence of a locally variable mold temperature on injection molded thin-wall components. Journal of Polymer Engineering 38 (2018), Seite 475-481
Fischer, C.; Jungmeier, A.; Peters, G.; Drummer, D.
(Siehe online unter https://doi.org/10.1515/polyeng-2017-0100) - Achieving homogeneous properties for thin-walled components through dynamic temperature control. Zeitschrift Kunststofftechnik 15 (2019), Seite 353-369
Fischer, C.; Merle, B.; Drummer, D.
