Hochpräzise Mikrobauteile durch dynamisch temperiertes Spritzprägen
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Um die wissenschaftliche Zielsetzung zu erreichen, erfolgte zunächst die Auswahl von Werkstoffen zur Verarbeitung im Prozess, welche für das mögliche Anwendungsgebiet der Mikrofluidik in Frage kommen. Die gewählten Werkstoffe wurden im Anschluss hinsichtlich des druck- und abkühlgeschwindigkeitsabhängigen Erstarrungsverhaltens charakterisiert. Darüber hinaus erfolgte eine umfangreiche Datenerhebung hinsichtlich der für die Prozesssimulation notwendigen Eingangsparameter. Die Kombination der Erkenntnisse aus der Werkstoffcharakterisierung und umfangreichen Prozesssimulationen zum Füll- und Abkühlverhalten der Schmelze im Werkzeug ermöglichte die Festlegung eines Prozessfensters, innerhalb dessen die Spritzgießversuche durchgeführt werden konnten. Zur Umsetzung des Prozesses, wurde ein variothermes Mikrospritzprägewerkzeug gebaut, welches die in der Werkstoffcharakterisierung und Prozesssimulation ermittelten Spezifikationen abbilden konnte. Aufgrund einer wirtschaftlichen Umstrukturierung seitens der Firma GWK musste statt den geplanten keramischen Heizelementen auf ein deutlich trägeres Wassertemperiersystem mit maximal erreichbaren Werkzeugtemperaturen von 170 °C ausgewichen werden. Seitens der Central South University Shanghai wurde ein galvanisch hergestelltes Ni-Shim mit Mikrofluidikstrukturen bereitgestellt und zur Untersuchung der möglichen Abformgenauigkeit des Prozesses in das modular aufgebaute Werkzeug eingepasst. Im Rahmen des Projektes wurden Bauteile unter Variation der Parameter Prägespalt, Prägegeschwindigkeit, Prägekraft, Angleichzeit und Prägestrategie hergestellt und hinsichtlich der Abformgenauigkeit und Maßhaltigkeit sowie hinsichtlich innerer Bauteileigenschaften wie Orientierungen und Eigenspannungen untersucht. Die Ergebnisse der Werkstoffcharakterisierung haben gezeigt, dass die konventionelle Bestimmung der druckabhängigen Viskosität mit einem HKR und Gegendruckkammer insbesondere bei niedrigen Scherraten stark fehlerbehaftet sind. Ein Vergleich zwischen HKR-Messungen und GDV Messungen konnte einen exponentiellen Anstieg der Viskosität im Bereich niedriger Scherraten offenlegen. Im Rahmen der Parametervariation konnte festgestellt werden, dass im dynamisch temperierten Sprrtzprägen um bis zu 45 % höhere Aspektverhältnisse im Vergleich zum variothennen Spritzgießen erreicht werden können. Die Erkenntnisse einer reduzierten inneren Inhomogenität beim Spritzprägen dickwandiger Komponenten konnten jedoch nicht ohne weiteres auf Dünnwandbauteile übertragen werden. Insbesondere bei hochviskosen Materialien mit einer ausgeprägten Druckabhängigkeit des Erstarrungsbereichs kommt es infolge des Prägehubs zu Fließbewegungen innerhalb des engen Fließquerschnitts und damit zu einer Orientierung der Polymerketten, welche infolge der schnellen Abkühlung und überlagerter Kompression nicht mehr relaxieren können. Diesem Effekt kann durch einen zweistufigen Prägeprozess entgegengewirkt werden, bei dem die hohen Aspektverhältnisse zunächst durch hohe Prägegeschwindigkeiten und Prägekräfte erreicht werden und anschließend durch eine Druckentlastung die Relaxation dereingebrachten Orientierungen ermöglicht wird. So konnte innerhalb des abgesteckten Prozessfensters ein Optimalzyklus abgeleitet werden, welcher die Abformung der Mikrofluidikstrukturen bei gleichzeitig niedrigen Orientierungen und Eigenspannungen sowie hoher Maßhaltigkeit ermöglichte. Die Ergebnisse der Parametervariationen in der Prägestrategie Komplettfüllung deuteten weiterhin auf eine kompressionsratenabhängige Verfestigung im Prozess hin, welche auch in den Prozesssimulationen nicht vorhergesagt werden konnte. Dieser Effekt konnte analytisch in einem HKR mit geschlossener Gegendruckkammer nachgestellt und daraus eine empirische Gleichung zur möglichen Implementierung eines temperatur- und kompressionsratenabhängigen Verfestigungsdrucks in Prozesssimulationen abgeleitet werden.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
- Influence of the Mold Temperature and Part Thickness on the Replication Quality and Molecular Orientation in Compression Injection Molding of Polystyrene. International Polymer Processing 34, 2019, 4, Seite 425-433
Roth. B.; Zhou M.-Y.; Drummer, D.
(Siehe online unter https://doi.org/10.3139/217.3802) - Application optimized compression induced solidification. Journal of Plastics Technology 16, 2020, 4, Seite 109-132. ISSN: 0972-656X
Roth, B.; Drummer, D.
(Siehe online unter https://doi.org/10.3139/o999.01042020) - Isotropy of mechanical properties and environmental stress crack sensitivity in injection- and injection compression molding of polystyrene with different mold temperature. Polymer Engineering and Science 2021,1
Roth, B.; Drummer, D.
(Siehe online unter https://doi.org/10.1002/pen.25793) - Pressure equiilibrium time of cyclic olefin copolymer. Polymers 13, 2021,2309
Roth, B.; Drummer, D.
(Siehe online unter https://doi.org/10.3390/polym13142309)
