Mikro-Spritzgießanlage
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Fertigungstechnologien für Piezomodule mit integrierter Keramikfaser-Kompositen und Funktionspolymeren zum Einsatz in aktiven metallischen Bauteilen: Das wesentliche Ziel des Projektvorhabens ist die Erforschung einer neuen großserienfähigen Kunststofftechnologie für die Herstellung komplexer Piezomodule unter Verwendung einer 2K- Mikrospritzgießanlage. Dabei sollen Piezoelemente über geeignete Bestückungssysteme der Spritzgießkavität zugeführt und fixiert werden. In dem sich anschließenden Injektionsprozess wird das modulare Werkzeug mit einem elektrisch leitfähigen thermoplastischen Kunststoff gefüllt. Die so elektrisch und mechanisch verbundenen Piezokeramiken werden durch Freigabe definierter Kavitätsräume in einem nachfolgenden Einspritzprozess mit elektrisch isolierendem Kunststoff umgeben und gleichzeitig das Packaging vorgenommen. Hieraus resultieren besondere Herausforderungen an die technologische Umsetzung, wie die Auswahl elektrisch leitfähiger thermoplastischer Kunststoffe und Additive, die Positionierung und die Fixierung der Piezoelemente und die Werkzeugkonstruktion. Die so hergestellten µIM-Piezomodule sollen in einer weiteren Spritzgießstufe in eine thermoplastische Umhüllung eingebettet werden, um sie zwischen Metallschichten für die Weiterverarbeitung in der Prozesskette „Umformen“ vorzubereiten. Einen wesentlichen Forschungsschwerpunkt bildet die Simulation des Spritzgießprozesses sowie der hybriden Modulstruktur infolge herstellungsbedingter thermischer Belastung. Auf Basis der Simulationsergebnisse erfolgt eine Sensitivitätsanalyse zur Einstellung optimaler Prozessfenster für den 2K-Mikrospritzguss. Prozessentwicklung zur Herstellung flexibler hybrider Mikrosystemkomponenten (ZIM-KF Projekt): Anforderungen, bei Funktionsintegration elektronischer Komponenten in oder auf Textilien, deren Funktion zu sichern und gleichzeitig Optik, Haptik und den biegeschlaffen Charakter der Textilien zu erhalten, sind teilweise gegensätzlich und lassen sich nur mit Hilfe von speziellen Hybridprodukten zufriedenstellend erfüllen. Voraussetzung für die Herstellung von Hybridprodukten z. B. aus Kunststoff und Textil ist es, einen zuverlässigen Komponentenverbund herzustellen und als besondere Herausforderung an die Textil- und Verarbeitungstechnik diese Aufgabenstellung zu lösen. Erschwerend ist, dass Textilien herstellungsbedingt Fadenschlichten aufweisen, welche als Trennmittel wirken. Die Forschungsergebnisse wurden in einem entwickelten Anlagendemonstrator mit angepasster Mikrospritzgießmaschine und automatisierten Handhabesystemen für die Herstellung von Smart-Labels mit RFID-Chips auf textilen Gewebebändern umgesetzt. Mit vorgelagerten Labortests und der Demonstratoranlage lassen sich die Funktionssicherheit ausgewählter Lösungen zum Verbinden thermoplastischer Kunststoffe und Textilien und zur mediendichten Kapselung von Elektronikkomponenten prüfen und nachweisen. Anforderungen an Mikrospritzgießwerkzeuge zur Bauteilfertigung: Im Rahmen des Vorhabens „Anforderungen an Mikrospritzgießwerkzeuge zur Bauteilfertigung“ in Zusammenarbeit mit der TU Chemnitz wurde angestrebt, die geforderten Toleranzen und Wiederholungsgenauigkeiten im Mikrospritzgießwerkzeugbau zu analysieren und nachzuweisen. Die Herstellung hochpräziser Makrostrukturen wird mit einem erheblichen Aufwand in der Bearbeitungsstrategie der Werkzeuge verbunden. Aus diesem Grund war ein Nachweis der Abbildungsgenauigkeit im Mikrospritzgießprozess erforderlich. Die Abbildungsgenauigkeit repräsentiert das Maß der Qualität der Bauteile. Im Zuge der Forschungsarbeiten war es notwendig hinsichtlich unterschiedlicher Fertigungstechnologien, Mustereinsätze für das Werkzeug (einschließlich Musterbauteile) zu fertigen. Modularisierung von Mikrospritzgießwerkzeugen zur effizienten Fertigung von kleinsten Kunststoffund Verbundbauteilen (ZIM-KF Projekt): Im Zuge des Projektes wurden prinzipielle Richtlinien zur Konstruktion und der Fertigung von Werkzeugen für das Mikrospritzgießen aufgestellt. Auf dieser Basis wurde ein Stammwerkzeugkonzept erarbeitet, konstruiert und gefertigt sowie ein Demonstratorbauteil als hybrides Mikrobauteil mit Metalleinleger gewählt. Am Beispiel des Demonstators wurden Prozessuntersuchungen an der Battenfeld MS50 durchgeführt und ausgewertet. Darüber hinaus wurde der Prozess mittels Spritzgusssimulation analysiert und mit den Versuchen verglichen. Für das Demonstratorbauteil wurde zudem ein Handhabekonzept zur automatisierten Zuführung der Metalleinleger konzeptioniert. Weiterführend wurden Werkzeugeinsätze für die Herstellung von Zugstäben im Kleinmaßstab konstruiert und gefertigt. Damit erfolgte die Herstellung von Probekörpern auf der MS50. Gleichzeitig erfolgte die Herstellung von Zugproben im konventionellen Maßstab und ein Vergleich der mechanischen Kennwerte beider Probekörpergeometrien.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
- Bewertung prozessbedingter Eigenspannungen von mikrospritzgießverarbeiteten piezo-aktiven Hybridmodulen. Z. Kunststofftechnik/Journal of Plastics Technology. (2011), Nr. 1, S. 17-43
Heinrich, M.; Kroll, L.; Walther, M.; Elsner, H.
- CNT-filled PP compound for in-situ bonding and connection of piezoelectric ceramics by using multi-component micro injection molding. In: Neugebauer, R.: Tagungsband „Integration of Active Functions into Structural Components”, 3rd Scientific Symposium CRC/Transregio 39 PT-PIESA, 12.-13. Oktober 2011, Chemnitz: 2011, S. 29-34, ISBN: 978-3-00-035549-3
Heinrich, M.; Kroll, L.; Walther, M.; Elsner, H.
- Initial stress behaviour of micro injection-moulded devices with integrated piezo-fibre composites. 4th International Joint Conference on Integrated Systems, Design and Technology. Siegen: 2010. In: Fathi, M. (Hrsg.): Integrated Systems, Design and Technology 2010. Knowledge Transfer in New Technologies. 1. Aufl. Berlin: Springer, 2011. S. 109-120. ISBN: 978-3-642-17383-7
Walther, M.; Nendel, W.; Heinrich, M.; Klärner, M.; Tröltzsch, J.; Kroll, L.
- Microinjection molding of polypropylene filled with multiwall carbon nanotubes - Influence of processing parameters on the mechanical properties. 2nd nanotoday Conference, Waikoloa, USA, 2011
Walther, M.; Heinrich, M.; Kroll, L.; Sichting, F.
- Mikrosysteme auf Basis der Mehrkomponentenmikrospritzgießtechnologie (Microsystems based on Multi Component Micro Injection Moulding Technology). Mikrosystemtechnik Konferenz 2011, Darmstadt (Germany), 2011 Oct 10-12 pp 583-586(ISBN978-3-8007-3367-5)
Schulze, R.; Heinrich, M.; Wegener, M.; Schueller, M.; Kroll, L.; Geßner, T.
- Polymerbased piezoelectric modules by microinjection moulding technology for SHM. SHMII-5, Cancun, Mexico, 2011
Heinrich, M.; Schulze, R.; Wegener, M.; Kroll, L.; Walther, M.; Schüller, M.; Geßner, T.
- Enabling the factories of the future: The role of smart systems in manufacturing and robotics. Smart Systems Integration 2012, Zürich
Tracht, K., Kuhfuss, B., Brinksmeier, E., Busse, M., Kroll, L., Hogreve, S., Garbrecht, M., Lehmhus, D., Heinrich, M., Bosse, S.
- Large scale hybrid technologies for lightweight structures. The 1st MDEATED International Conference, Pattaya, Thailand, 2012
Heinrich, M.; Sichting, F.; Walther, M.; Kroll, L.
- Process-related mechanical properties of conductive Nanocomposites based on CNT-filled Polypropylen. NanoSpain Conference 2012, Santander, Spain, 2012
Heinrich, M.; Kroll, L.; Sichting, F.
- „Textilhybride mit Elektronik und thermoplastischen Kunststoffen“. Tagungsband 13. Chemnitzer Textiltechniktagung, 2012
Peter Schmiedel, Christoph Doerffel, Dietrich Kresse, Wolfgang Nendel, Lothar Kroll, Tuan Anh Tran Hoang, Hans-Jürgen Heinrich, Johannes Barth, Volker Reichert, Björn Dormann, K. Lehmann
