Unterschiedliche Klein- und Mi-krospritzgießteile aus Kunststoffen finden Einsatz in immer mehr Anwendungen. Dabei werden in Produkten wie zum Beispiel für die Medizintechnik, in optischen oder elektronischen Komponenten immer höhere Anforderungen an die Bauteilqualität verlangt, bei gleichzeitig zunehmender Bauteilkomplexität[1,2]. Problematisch hierbei sind hohe Scher- und Dehnströhmungen verbunden mit einer schnellen Abkühlung beim Füllen der Kavität, was insbesondere zu starken Orientierungen im Bauteil führen kann[3]. Dies führt letztlich zu einem veränderten Gebrauchs- und Langzeitverhalten spritzgegossener Bauteile[4].
Eine erhöhte Werkzeugtemperatur verhindert bzw. reduziert das Einfrieren der Schmelze während der Einspritzphase. Jedoch führt dies zu einer erheblichen Zykluszeiterhöhung und damit zu reduzierter Wirtschaftlichkeit. Mithilfe einer dynamischen Temperierung der Kavität können beide Ziele realisiert werden: Während der Füllphase kann eine hohe Werkzeugtemperatur das Fließen der Schmelze begünstigen, im Anschluss durch schnelles Abkühlen des Formteils die Zykluszeit reduzieren[5].
Dies kann erreicht werden durch Einsatz von Zweikreis-Temperiersystemen, die das Werkzeug abwechselnd mit kaltem oder heißem Temperiermedium kühlen oder heizen. Um den Temperaturwechsel gezielt in der Kavität wirken zu lassen, muss das Temperiermedium auch möglichst nahe hinter dieser entlang geführt werden[6]. Konventionelle Fertigungstechnologien für Spritzgießwerkzeuge stoßen dabei schnell an ihre Grenzen, sodass innovative Technologien für die Gestaltung von Werkzeugen und Werkzeugeinsätzen notwendig sind.
MIt Lasercusing-Technologie Werkzeuge optimieren
In der von der Hofmann Innovation Group entwickelten Technologie des Lasercusing wird das Spritzgießwerkzeug bzw. nur einzelne Werkzeugeinsätze schichtweise aus Metallpulver aufgebaut. Dabei können die Temperierkanäle nahezu beliebig platziert und geometrisch gestaltet werden. Ein optimales Verarbeiten des Metallpulvers sorgt dafür, dass die Belastbarkeit des Werkzeugstahls auch in Lasercusing-Bauteilen erreicht wird.
Grundvoraussetzung stellt dabei eine maximale Verdichtung des aufgeschmolzenen Pulvers dar. Untersuchungen zeigen, dass die Dichte bzw. die Porosität gesinterter Teile denen eines Blockmaterials entspricht. So sind auch die mechanische Belastbarkeit oder die Härte auf einem vergleichbaren Niveau.
Die Lasercusing-Technologie ermöglicht insbesondere eine optimale Platzierung der Temperierkanäle direkt hinter der Kavitätswand, wodurch hohe Temperaturwechsel in der Kavität erreicht werden können. Ein weiterer Vorteil ist, dass gezielt nur die Werkzeugbereiche aktiv temperiert werden, die für die Formteilbildung relevant sind. Zum restlichen Werkzeug können diese Rapid Tooling-Einsätze weitgehend thermisch isoliert werden, sodass die dynamisch zu temperierenden Werkzeugbereiche, sprich die thermische Masse, möglichst minimiert werden. So wirkt die Temperierung da, wo sie Nutzen bringt.
Hochdynamische Temperierung der Formteilkavität
Die Temperierung der Rapid Tooling-Einsätze erfolgt durch ein Zweikreis-Wasser-Temperiergerät der Single Temperiertechnik, Hochdorf. Dieses kann Wasser drucküberlagert mit Vorlauftemperaturen von bis zu 200 °C zum Aufheizen der Kavität nutzen. So ist ein schnelles Aufheizen, als auch ein schnelles Abkühlen mit Temperaturen um etwa 40 °C erreichbar. Durch die Gestaltung der konturnahen Temperierkanäle ist eine sehr homogene Temperaturverteilung sicher gestellt sowie eine Heiz- und Kühlraten bis
etwa 25 K/s in der Kavität.
Für die Untersuchungen des Einflusses der Temperierung auf das Füllverhalten bzw. die erreichbare Fließweglänge und die Orientierungen im Bauteil wird ein leicht fließendes Polycarbonat PC OD2015 (Bayer Material Science, Leverkusen) verwendet. Die Herstellung erfolgt auf einer Allrounder 370U 700-30/30 (Arburg, Loßburg) mit einer Plastifiziereinheit mit eineSchneckendurchmesser von 15 mm.
Im Bild ist der kavitätsnah gemessene Temperaturverlauf der Lasercusing Werkzeugeinsätze während der variothermen Temperierung dargestellt. Mit unterschiedlichen Vorlauftemperaturen können verschiedene Werkzeugtemperaturen beim Einspritzen erreicht werden.
Verbesserte Fließfähigkeiten
Nach der Füllung erfolgt das Umschalten der Ventilsteuerung auf ca. 40 °C temperiertes Wasser zur Kühlung der Kavität auf Entformungstemperatur um eine sichere Entformung zu erreichen. Es sind die erreichbaren Fließweglängen in Abhängigkeit der Werkzeugtemperatur und Spritzdruck dargestellt. Mit Überschreiten eines minimalen Einspritzdruck von etwa 850 bar erfolgt eine Füllung der Fließspiralen-Geometrie. Dieser Schwellwert verringert sich mit steigender Werkzeugtemperatur leicht. Ein steigender Einspritzdruck erhöht die erreichbare Fließweglänge, welche sich asymptotisch einem Maximum annähert. Dieses wird bereits mit Drücken bei 1.000-1.200 bar erreicht. Aufgrund des Erkaltens der Schmelze und des Druckverlustes in der Kavität führt eine Steigerung des Druckes nur zu einer marginalen Erhöhung des Fließweges.
Größere Fließwege lassen sich mit Erhöhung der Werkzeugtemperatur erzielen. Bei Einspritzdrücken von 1.800 bar lässt sich bei Erhöhung der Werkzeugtemperatur von 100 °C auf 180 °C nahezu eine Verdoppelung des Fließweges erreicht. Auch bei geringeren Drücken ist eine Steigerung des Fließweges um ein Drittel möglich.
Um die Schmelze schonender und scherärmer in die Kavität fließen zu lassen, sind reduzierte Fließgeschwindigkeiten ratsam. Damit einher gehend reduziert sich auch der erreichbare Fließweg. Wie abgebildet, kann durch eine höhere Werkzeugtemperatur der gleiche Fließweg mit reduzierter Einspritzgeschwindigkeit erreicht werden. So halbiert eine Reduzierung der Fließgeschwindigkeit von 10 cm³/s auf 2 cm³/s die erreichbare Fließweglänge bei 100 °C Werkzeugtemperatur. Wird die Kavität vor der Einspritzphase auf 180 °C temperiert, können gleichbleibende Fließwege erzielt werden. Umgekehrt erhöht sich der Fließweg nicht zwingend, wenn Temperatur und Geschwindigkeit gesteigert werden. Der erreichbare Fließweg stagniert bei Erhöhung des Volumenstromes von 10 cm³/s auf 18 cm³/s.
Orientierungsarmes Spritzgießen
Eine dynamisch temperierte Kavität ermöglicht nicht nur größere Fließwege. Es können auch verarbeitungsbedingte Orientierungen im Spritzgussbauteil reduziert werden, welche besonders bei dünnwandigen Bauteilen auftreten. Exemplarisch ist die Herstellung von Platten (35 x 35 mm mit einer Dicke von 0,5 mm) dargestellt. Diese Platten wurden einerseits mit einer konventionell konstanten Werkzeugtemperierung von 100 °C bzw. mit einer dynamischen Formnesttemperierung mit 180 °C beim Einspritzen hergestellt. In der Abbildung ist links der kavitätsnahe Temperaturverlauf bei konventioneller und dynamischer Temperierung gezeigt. Um gezielt Orientierungen abzubauen, wird das Abkühlen ca. 5 Sekunden verzögert, sodass die Schmelze in der heißen Kavität verstärkt relaxieren kann. Unter polarisiertem Durchlicht wird der Effekt deutlich (rechts).
Eine konventionell konstante Werkzeugtemperatur von 100 °C führt zu einem schlagartigem Erkalten der Schmelze, was die fließbedingten Orientierungen einfrieren lässt. Dies wird deutlich an der großen Anzahl an Isochromaten (Linien gleicher Farben durch die Doppelbrechung des Lichtes infolge der Orientierung) im Bauteil, welche zum Anguss deutlich zunehmen. Mittels Aufheizen der Kavität auf 180 °C und einer verzögerten Abkühlung können die Orientierungen signifikant reduziert werden. Durch die Temperierung des Werkzeugs oberhalb des Glasübergangsbereichs (ca. 145 °C) liegt der Werkstoff noch schmelzeförmig in der Kavität vor, sodass Molekülorientierungen relaxieren können. Lediglich angussnah ist noch eine leichte Lichtbrechung erkennbar. Hier reicht die Relaxationszeit nicht aus, bzw. wird durch den anliegenden Nachdruck fixiert.
Zusammenfassung
Eine gezielte Temperaturführung der Kavität ermöglicht ein verbessertes Füllverhalten und kann den Grad an Orientierungen im Bauteil reduzieren. Durch möglichst schnelle Heiz- und Kühlraten muss sich bei einer variothermen Werkzeugtemperierung dabei die Zykluszeit nicht sonderlich verlängern. Hierzu sind neben möglichst hohen bzw. niedrigen Vorlauftemperaturen des Temperiermediums besonders die Gestaltung der Kanäle im Werkzeug wichtig.
Eine kavitätsnahe Temperierung erreichen Werkzeugeinsätze mit konturnahen Temperierkanälen, deren Gestaltung die Fertigung mittels der Lasercusing-Technologie flexibel ermöglicht. Weitere Untersuchungen widmen sich neben Fragen zum Gebrauchsverhalten der Bauteile insbesondere der Optimierung der Lasercusing-Einsätze als auch der Verbesserung der Temperierung. Ziel weiterer Arbeiten ist dabei das Erreichen optimaler Bauteileigenschaften bei gleichzeitig minimalen Zykluszeiten.
Die Autoren danken der Bayerischen Forschungsstiftung (AZ-986-11) für die finanzielle Unterstützung, sowie den Projektpartnern Oechsler, Single Temperiertechnik und Hotec. Weiterhin danken wir Arburg und Bayer Material Science für die Bereitstellung von Maschinentechnik und Material.
Literatur:
[1] Angelov, A.K.; Coulter, J.P.: Micromolding product manufacture: A progress report. SPE Proceedings ANTEC, Chicago 2004, S. 748-751.
[2] Drummer, D.; Ehrenstein, G.W.; et al.: Innovative Prozesstechnologien für die Herstellung thermoplastischer Mikrobauteile – Analyse und vergleichende Bewertung. Zeitschrift Kunststofftechnik 8 (2012) 5, S. 439-467.
[3] Haberstroh, E.; Brandt, M.: Mechanische Kennwerte für Mikroteile aus Kunststoffen. Konstruktion 11/12 (2005), S. 51-56.
[4] Meister, S.; Jungmeier, A.; Drummer, D.: Long Term Properties of Injection Moulded Micro-Parts: Influence of Part Dimensions and Cooling Conditions on Ageing Behaviour. Macromolecular Materials and Engineering 297 (2012) 10, S. 994-1004.
[5] Giessauf, J.; Pillwein, G.; Steinbichler, G.: Die variotherme Temperierung wird produktionstauglich. Kunststoffe 98 (2008) 8 S. 87-92
[6] Drummer, D.; Gruber, K.; Meister, S.: Wechseltemperierung steuert Bauteileigenschaften. Kunststoffe 101 (2011) 4, S. 46-49
