Angusstrennen mit temperierten Sonotroden

Beispiel eines Bauteilverbundes mit runden Linsen. (Bildquelle: KUZ)

Ein geläufiges Verfahren für das Trennen von Linsen aus ihrem Bauteilverbund ist das Ultraschalltrennen. Dieses Trennverfahren ermöglicht qualitativ hochwertige Ergebnisse in einer sehr kurzen Zykluszeit. Entsprechend der zu trennenden Linsenkonturen werden Schneidsonotroden entwickelt: Sie besitzen einseitig abgeschrägte Schneiden und können somit den Großteil der durch Ultraschallanregung entstehenden Schmelze definiert von der Linse wegleiten. Die geringen Zykluszeiten resultieren daraus, dass die Schmelzebildung infolge der Einwirkung des Ultraschalls in Verbindung mit einer definiert aufgebrachten Trennkraft direkt in der Trennebene entsteht. Durch die zunehmende Dämpfung der Schallwellen im Kunststoff wird Wärme freigesetzt, die schließlich zum Plastifizieren des Materials in der Trennebene der Linse führt. Dieser Effekt ist im besonderen Maße von der einwirkenden Ultraschallamplitude abhängig.

Ultraschalltrennung von kleinen Linsen und Mikrolinsen

Verfahrensprinzip des Ultraschalltrennens. (Bildquelle: KUZ)

Der Großteil der heutigen Maschinentechnik, welche für die Ultraschalltrennung genutzt wird, ist für groß dimensionierte Angusssysteme ausgelegt und einer minimal aufbringbaren Trennkraft. Das Kunststoff-Zentrum in Leipzig (KUZ) entwickelte einen neuen Forschungsansatz für die Trennung von kleinen Linsen und Mikrolinsen mittels Ultraschall. Der Trennprozess für kleine Linsen und Mikrolinsen soll dabei so materialschonend wie möglich durchgeführt werden, um zukünftig Ausschussquoten in der industriellen Produktion zu minimieren. Einerseits wurden die Schneidsonotroden definiert temperiert: Mithilfe einer temperierten Schneidsonotrode konnte die zum Trennen erforderliche Amplitude etwa um die Hälfte reduziert werden. Bezogen auf den Trennprozess resultiert daraus eine deutlich geringere Schwingungsbeanspruchung für das optische Formteil. Andererseits wurde für die Durchführung der Trennversuche eine mit einem Servoantrieb betriebene Versuchsmaschine eingesetzt, welche Trennkräfte im einstelligen Newtonbereich realisieren konnte. Dadurch wurde gewährleistet, dass der Trennprozess infolge einer auf das Material abgestimmten Amplitude in Verbindung mit einer auf die Dimension des Formteils abgestimmten Trennkraft erfolgte. Der Trennprozess war somit insbesondere für kleine Linsen und Mikrolinsen materialschonender im Vergleich zu anderen Trennverfahren. Im Rahmen des Forschungsprojektes wurden unter Anwendung dieser Ansätze runde und eckige Linsen aus PMMA, PC und COP mit Arbeitsfrequenzen von 20 und 40 kHz untersucht.

Vorarbeiten notwendig

Versuchsaufbau für das Ultraschalltrennen. (Bildquelle: KUZ)

Bevor praktische Versuche erfolgen konnten, war es erforderlich, Schneidsonotroden für die Arbeitsfrequenzen 20 und 40 kHz zu entwickeln. Schneidsonotroden sind Schwingkörper, die eine komplizierte geometrische Ausprägung besitzen und ein ebenso kompliziertes Schwingverhalten aufweisen. Ultraschallsonotroden werden longitudinal angeregt und deren Anwendungen so konzipiert, dass die Sonotrode die Schwingungen auch longitudinal an das Formteil weitergibt. Eine weitere Herausforderung bestand darin, die Schneidsonotroden temperiert betreiben zu können. Die Wärmeleitung im Ultraschallschwingsystem kann bei temperierten Sonotroden zu einer Erwärmung und gar Schädigung des Ultraschallkonverters führen. Weiterhin würde eine Schneidsonotrode, die über 100 °C erhitzt wird, dazu führen, dass sich das Ultraschallschwingsystem nicht mehr in der vorgegebenen Resonanzfrequenz des Generators befindet. Die Resonanzlänge eines Schwingkörpers ist material-, form- und temperaturabhängig. Aus diesem Grund wurden die Schneidsonotroden individuell für diese Bedingungen ausgelegt. Die Auslegung, der Abgleich und die Fertigung der Schneidsonotroden erfolgte im Kunststoff-Zentrum Leipzig (KUZ). Auch die Technologie zur kontaktlosen Temperierung von Schneidsonotroden wurde im Institut entwickelt.

Getrennte Linse aus COP. (Bildquelle: KUZ)

Getrennte Linse aus COP. (Bildquelle: KUZ)

Ein Ultraschalltrennprozess kann zudem nur dann erfolgreich ablaufen, wenn die zu trennenden Linsen sachgemäß in einer auf sie angepassten Aufnahmevorrichtung fixiert sind. Ist dies nicht der Fall, werden die Linsen zum Mitschwingen angeregt, was hohe Ausschussquoten zur Folge hat. Auch die Formteilaufnahmen wurden im KUZ entwickelt und gefertigt ebenso die Versuchsanlage, die speziell für Ultraschallanwendungen im Mikrobereich konzipiert wurde. Sie ermöglicht Untersuchungen mit Arbeitsfrequenzen von 20, 40 und 60 kHz mit Generatortechnik von Branson Ultraschall, Dietzenbach-Steinberg.

Im Anschluss an die Versuche wurden die getrennten Linsen auf Qualitätskriterien mikroskopisch überprüft: die Gratbildung, die Bauteilspannung, die Polarisationseigenschaften sowie die Einhaltung maßlicher Toleranzen. Mit einer Arbeitsfrequenz von 40 kHz ließen sich die besten Trennergebnisse erzielen.

Ergebnisse und weiterführende Forschungspläne

Der Forschungsstelle ist es gelungen, saubere und homogene Trennflächen zu erarbeiten, die bei PC und COP ein höheres qualitatives Niveau erreichten als bei PMMA. Diese positiven Ergebnisse sind primär auf die Servoantriebstechnik des eingesetzten Versuchsstands zurückzuführen, die kleinste Schneidkräfte reproduzierbar ermöglichte. Der Einsatz einer temperierten Schneidsonotrode führte hingegen zu keinem signifikanten Verbessern der Trennergebnisse, jedoch konnte dadurch die Schwingungsbelastung infolge des Ultraschalls reduziert werden. Durch die Ultraschalleinwirkungen wurden keine Bauteilspannungen freigesetzt.

Mit dem entwickelten Trennverfahren ist es möglich, kleine Linsen bis hin zu Mikrolinsen materialschonend, gratarm und partikelfrei von ihrem Anguss zu trennen. Die erarbeitete Technologie bietet somit im Vergleich zu anderen Verfahren eine schonendere Materialverarbeitung und damit eine Reduzierung des Ausschussanteils. Zukünftig sollen fortführende Untersuchungen hinsichtlich der ultraschallgerechten Angussanbindung und neuer Ansätze in der Schneidsonotrodengestaltung folgen. Damit wäre es denkbar, in puncto materialspezifischer und geometrischer Besonderheiten beim Ultraschalltrennen, individuelle Lösungskonzepte zu erarbeiten.

Dank

Das Forschungsprojekt „Endkonfektionieren von sensiblen Linsen mit temperierten Sonotroden“ wurde gefördert vom Bundesministerium für Wirtschaft und Technologie (Reg. Nr. 49-MF170008).