Übertragung der Grundlagen auf die Spritzgießverfahrensvariante Druckverfestigung
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Die Standard-Formgebungsverfahren, Spritzgießen und Spritzprägen, bergen für die Fertigung op-tischer Kunststoffbauteile Nachteile, gerade im Bereich hochwertiger und dickwandiger Optiken. Durch den bei der Erstarrung zeitlich und räumlich versetzten Phasenübergang und die damit verbundenen lokalen Temperatur- und Druckunterschiede entstehen Formabweichungen, Einfallstellen und Eigenspannungen. Ein Verfahren, dass diese beim üblichen Spritzgießen und Spritzprägen auftretende Probleme vermeidet, ist die sogenannte Druckverfestigung. Bei homogener Schmelztemperatur in der Kavität erfolgt ausschließlich durch Einwirkung von Druck eine simultane und schnelle Verfestigung der Schmelze. Der Abkühlvorgang erfolgt vollständig in der festen Phase. Im Vorgängerprojekt wurden wichtige Erkenntnisse über das Materialverhalten unter Druck gewonnen. Es wurde geschlussfolgert, dass eine Verfestigung durch Kompression bei geeigneter Parameterwahl möglich ist. Im Rahmen des aktuellen Vorhabens wurde der Prozess der Druckverfestigung erfolgreich auf den Spritzgießprozess übertragen. Hierfür wurde ein neues Werkzeug konzipiert, konstruiert und gebaut. Als besondere Herausforderungen haben sich dabei die Regelung der Temperierung und die Auslegung der Spaltmaße erwiesen. Durch eine Fokussierung der Arbeiten auf den Werkzeugbau konnten diese Punkte erfolgreich behandelt werden. Im Rahmen der Materialcharakterisierung wurden für zwei Polycarbonat-Typen mit unterschiedlichem mittlerem Molekulargewicht adiabate pvT-Diagramme erstellt und der Glasübergangsbereich ermittelt. Bei der Untersuchung der hergestellten Probekörper hat sich gezeigt, dass es mit dem Verfahren der Druckverfestigung möglich ist, dickwandige und dabei eigenspannungsarme und maßhaltige Bauteile herzustellen. Die Einflüsse von Temperatur, Druck, Material, sowie der Prozessführung wurden experimentell untersucht. Dabei stellte sich heraus, dass sich bei Verfestigungsdrücken gegen Ende des Glasübergangs die besten Ergebnisse hinsichtlich des Eigenspannungszustandes zeigen. Weiterhin wurde gezeigt, dass die Bauteilabmessungen durch die Wahl der Prozessparameter gezielt eingestellt werden können. Eine Entformung unter Restdruck hatte dabei keine nachweisbaren negativen Auswirkungen auf die untersuchten Bauteileigenschaften. Eine für die Etablierung der Spritzgießvariante Druckverfestigung maßgebliche Prozessgröße ist die Zykluszeit. Diese beträgt aktuell noch etwa 20 min. In exemplarischen Versuchen wurde eine Zykluszeitverkürzung erreicht und aufgezeigt, dass durch eine angepasste Prozess- und Temperaturführung das Potential besteht diese weiter zu senken. Auf der Basis der umfangreich gewonnenen Erkenntnisse besteht noch weiterer Forschungsbedarf auf dem Gebiet der Druckverfestigung. So wären die Prüfung wichtiger anwendungsrelevanter optischer Eigenschaften druckverfestigter Bauteile und Langzeituntersuchungen unter Einfluss von Umgebungsbedingungen von Interesse.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
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Druckverfestigung - ein neues Verfahren zur Herstellung hochpräziser Kunststoffoptiken. 1. VDI-Konferenz "Kunststoffe in optischen Systemen", VDI Wissensforum GmbH (Hrsg.), Erlangen (2010), S. 57-79.
Ehrenstein, G.; Drummer, D.; Rudolph, N.; Schmidt, A.
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Dickwandige Kunststoffoptiken – Druckverfestigung als neues Verfahren für präzise Bauteile In: Tagungsband 2. VDI-Fachkonferenz Kunststoffe in optischen Systemen, Erlangen, 2011.
Jungmeier, A.; Drummer, D.; Kühnert, I.
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Compression Induced Solidification – A Novel Processing Technique for Precise Thermoplastic Optical Components with Negligible Internal Stresses. ISRN Optics, Vol. 2012 (2012), Article ID 872816.
Drummer, D.; Jungmeier, A.; Wildner, W.; Kühnert, I.
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Einfluss der Prozessführung auf die Bauteileigenschaften bei der Druckverfestigung amorpher Thermoplaste. Zeitschrift Kunststofftechnik, 02/2012, S. 138-178.
Drummer, D.; Schmidt, A.; Seefried, A; Ehrenstein, G.W.; Kühnert, I.:
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Processing of Thermoplastic Optics by Compression Induced Solidification. In: Tagungsband International Light Simulation Symposium (ILISIS), Nürnberg, 2012.
Drummer, D.; Jungmeier, A.; Kühnert, I.
