Ein Beispiel ist das Überspritzen von Elektronik zum Schutz der empfindlichen Bausteine vor mechanischen Stößen oder auch aggressiven flüssigen oder gasförmigen Medien. Bei der Verwendung von technischen Thermoplasten können zudem weitere Funktionselemente wie beispielsweise Schnapphaken zur Anbindung an die Umgebung integriert werden. Dies ist bei den üblichen Verfahren zum Schutz von elektrischen Schaltungsträgern, wie dem Lackieren oder dem Vergießen, nicht möglich. Bei letzteren muss zudem eine Vergusskammer vorgesehen werden, was zu konstruktiven Einschränkungen führt.

Bauteile schwierig zu umspritzen

Werden Elemente im Werkzeug, seien es Einlegeteile oder Kavitätskomponenten, um- oder überspritzt, so sind diese während des Spritzgießprozesses einem komplexen thermisch-mechanischen Belastungskollektiv ausgesetzt. Aufgrund der hohen Schmelzefront-Geschwindigkeit und dem zum Füllen benötigten Druck sind dies zum einen mechanische Belastungen, also Druck- oder Schubkräfte. Zum anderen kommt es zu einer thermischen Belastung je nach Werkzeug- und Schmelzetemperatur sowie Wärmekapazität und -leitfähigkeit der Werkstoffe und thermischem Übergängen. Gerade bei den filigranen und empfindlichen elektronischen Schaltungsstrukturen und Bauteilen kann dies zur Schädigung oder sogar zum Ausfall führen.

Die möglichen Belastungen auf ein elektronisches Bauelement sind schematisch skizziert. Die Schmelze übt beim Umströmen des Bauteils auf dieses eine direkte, dem Druck vermutlich proportionale kurzzeitige Kraft aus. In Abhängigkeit der Bauteil- und Fließkanalgeometrie resultieren richtungsabhängige Druck- und Schubkräfte, die auf das Bauteil einwirken. In Abhängigkeit der Schmelzetemperatur, der Wärmeeindring- und Wärmeübergangskoeffizienten von Kunststoff und Bauteil bildet sich ein bestimmter Wärmestrom und damit eine erhöhte Temperatur von Bauteil und Lötstelle aus. Dies kann zu einer thermischen Schädigung führen.

Es sind dabei auch Wechselwirkungen nicht auszuschließen. So können beispielsweise erhöhte Temperaturen zu verringerten mechanischen Eigenschaften der Werkstoffe führen. Für die Auslegung von Produkten und Prozessen ist es somit von hohem Interesse die wirkenden Belastungen zu kennen und vor allem auch zu wissen wie diese durch die Werkstoffauswahl, die Prozessführung und die Konstruktion beeinflusst werden können.

Im Prozess messen

Ziel der wissenschaftlichen Untersuchungen ist es, die mechanischen und thermischen Belastungen, die während des Spritzgießprozesses auf die elektronischen Komponenten wirken, direkt im Prozess zu messen und durch eine gezielte Variation des Werkstoffverhaltens, der Prozessparameter und konstruktiven Randbedingungen deren Einflüsse zu ermitteln und zu quantifizieren. Diese Kenntnisse können dann in die Auslegung von Baugruppen und Herstellungsprozessen einfließen. Im Folgenden werden erste Erkenntnisse zu den mechanischen Belastungen und dem Einfluss der Schmelzefrontgeschwindigkeit auf diese dargestellt.

Spezielles Werkzeug entwickelt

Unterstützt von der Firma Wiesauplast/MIDTronic, Wiesau, hat der Lehrstuhl für Kunststofftechnik, Erlangen, ein Spritzgießwerkzeug entwickelt, das es ermöglicht, ebendiese komplexen Belastungen auf kleine Komponenten, wie elektronische Bauelemente, direkt und am Entstehungsort zu messen. Es wurde eine spezielle Sensorik und Einbautechnik entwickelt, die es erstmalig ermöglicht, nicht nur den Druck in eine Richtung, sondern die von der Schmelze in alle drei Raumrichtungen ausgeübten Kräfte aufzunehmen. Komponenten dieses Aufbaus werden dabei vom Sensorhersteller Kistler, Winterthur, Schweiz, bereitgestellt. Durch seinen modularen Aufbau gestattet das Werkzeug zahlreiche Variationen der Probekörpergeometrie wie auch der Prozessführung beispielsweise durch Prägen oder Schäumen. Neben der hier dargestellten Analyse der mechanischen Belastungen ist es mit diesem Prüfaufbau möglich, gleichzeitig die thermischen Verhältnisse zu analysieren und mit den mechanischen Ergebnissen zu korrelieren. Somit können Ausfallkriterien der umspritzten Bauteile sowohl nach mechanischen und gleichzeitig thermischen Gesichtspunkten erarbeitet werden.

Versuchsdurchführung

Für die nachfolgend dargestellten Untersuchungen wurde ein ungefülltes und ein mit 25 Gewichtsprozent Glasfasern gefülltes Polyamid 66 (Ultramid A3K und Ultramid A3EG5, von BASF, Ludwigshafen) eingesetzt. Die Massetemperatur betrug 280°C, die Werkzeugtemperatur 80°C. Es handelt sich um einen Spritzgießzyklus ohne Nachdruck mit 15 Sekunden Kühlzeit, um die Vorgänge während des Einspritzens und Abkühlens detailliert beobachten zu können. Die Untersuchungen wurden auf einer Spritzgießmaschine vom Typ Engel ES 330H / 200V / 80HL (Engel, Schwertberg, Österreich) mit einem Schneckendurchmesser von 25 mm durchgeführt. Die in den Diagrammen angegebenen Fließfrontgeschwindigkeiten in x-Richtung der Kavität wurden über die Ansprechzeiten zweier baugleicher Drucksensoren (Typ: 6157BAE, Kistler) bestimmt. Es werden Ergebnisse zum Kraftverlauf in x- und z-Richtung gemeinsam mit den Messungen der Werkzeug-Innendrucksensoren dargestellt, sowie eine Auswertung der maximalen Kräfte in Fließrichtung (Fx,?max) bei unterschiedlichen Fließfrontgeschwindigkeiten.

Erste Ergebnisse

Die Diagramme zeigen exemplarisch, welche Messergebnisse und Informationen über die in einer Schmelze wirkenden Kräfte mit der Sensortechnik erzielt werden können. Es sind die Kraftverläufe in Fließrichtung (Fx) und senkrecht (Fz) dazu gemeinsam mit dem Druckverlauf in der Kavität dargestellt. Es zeigt sich ein sehr starker Ausschlag der Kraft senkrecht zur Bauteiloberfläche (Fz). Synchron dazu kommt es zu einem geringeren Kraftpeek in Fließrichtung (Fx) der Schmelze.

Es fällt dabei auf, dass während des Abkühlens auf das Messelement eine Kraft entgegengesetzt zur Fließrichtung (??Fx) entsteht. Deutlich wird dies durch das Abdriften der Kraft  während des Abkühlens in negative Richtung. Diese Kraft ist auf die  Schwindung des Kunststoffes zurückzuführen und wird sozusagen „eingefroren“. Die bisherigen Untersuchungen zum Einfluss der Prozessparameter lassen erkennen, dass durch deren Variation die Ausprägung der Kräfte stark beeinflusst werden kann. Die Ergebnisse zeigen, dass beispielsweise bei den gewählten Randbedingungen die hohe Einspritzgeschwindigkeit, die in einer hohen Fließfrontgeschwindigkeit resultiert, eine erhöhte maxi-male Kraft in Fließrichtung (Fx,?max) zur Folge hat.

Schlussfolgerungen

Das dargestellte Kraftdelta in Fließrichtung (??Fx) und die daraus resultierende Spannungen können eine „Vorlast“ darstellen und müssen, beispielsweise bei einer Gebrauchssimulation mit beachtet werden. Das Schwindungs- und Verzugsverhalten während der Abkühlphase ist somit neben der Belastung in der Füllphase ein weiterer wichtiger zu berücksichtigender Effekt. Er kann das Bauteilversagen gerade unter dynamischer Langzeitbelastung, wie sie etwa durch Temperaturwechsel entstehen, stark beeinflussen.

Der Kraftpeek in Fließrichtung (Fx) während des Füllvorgangs resultiert aus dem Impulsübertrag der strömenden Schmelze. Der Impuls der Schmelze ist abhängig von deren tatsächlichen Geschwindigkeit und Dichte in der Kavität. So scheint es zunächst offensichtlich, dass eine Steigerung der Einspritzgeschwindigkeit eine Krafterhöhung zur Folge hat.
Die Ausbildung der tatsächlichen Fließfront-Geschwindigkeit in der Kavität ist jedoch abhängig vom Impulsübertrag der Schnecke infolge der Vorschubbewegung auf die Schmelze im Schneckenvorraum, deren Kompressions- und Expansionsbedingungen und -eigenschaften sowie nicht zuletzt den Abkühlbedingungen der Schmelze in der Kavität.

Über die weiteren Prozessparameter die beim Spritzgießen variiert werden können, wie der Werkzeug- und Massetemperatur, ergeben sich zusätzliche Stellschrauben für eine Prozessoptimierung im Hinblick auf die mechanischen Belastungen bei der Kavitätsfüllung. Durch die Erhöhung der Massetemperatur lässt sich durch eine Reduzierung der Viskosität eine geringere Belastung erwarten, jedoch ist davon auszugehen, dass sie auch eine Erhöhung der Schwindung zur Folge hat. Diese kann wie gezeigt ebenso zu einer Belastung der umspritzten Strukturen führen und stellt zudem eine bleibende Last dar.

Einen wichtigen Parameter bei der Schwindungsreduktion stellt der Nachdruck dar. Jedoch ist auch hier davon auszugehen, dass der Druck und gegebenenfalls Effekte einer vorhandenen Schmelzeströmung während der Nachdruckphase Kräfte auf die Bauelemente bedeuten, die zu deren Schädigung führen können. Typische Ausfallursachen von umspritzten elektronischen Komponenten, wie die Rissbildung oder das Abkippen von Bauelementen können direkt mit den wirkenden Kräften in Verbindung gebracht werden.

Betrachtet man sich die Einbausituation eines gelöteten Widerstandes, so ist zu erkennen, dass der unter dem Bauteil vorhandene Hohlraum beim Überspritzen nicht zwangsläufig mit Schmelze gefüllt wird. Die von der Schmelze ausgeübte Kraft in z-Richtung führt somit zu einer beim Biegebalken ähnlichen Belastungssituation.

Bei großflächigen Bauelementen und/oder hohen Drücken kann dies als eine mögliche Ursache für eine Rissbildung im Bauelement gesehen werden. Ebenso können entsprechende geometrische Rahmen- und Prozessbedingungen zu hohen Kräften und Momenten in Fließrichtung führen und dadurch das Abkippen von Bauelementen bewirken.

Zusammenfassung und Ausblick

Um eine Vorhersage der optimalen Fertigungsbedingungen tätigen zu können, ist es notwendig, eine zweigeteilte Prozessbewertung durchzuführen. Nicht nur die Kräfte, sondern vor allem deren Einwirkzeitpunkt- und dauer dürfen als zentrale Einflussfaktoren genannt werden. Während Bauteile vor allem aufgrund der geometrischen Randbedingungen wie einer schlechten Positionierung oder nicht ausreichender Befestigung auf den kurzzeitig, hohen Kraftpeak in Fließrichtung mit Versagen im Prozess reagieren, so werden die durch die zwar geringen, aber lang einwirkenden und durch Erstarren des Kunststoffes in der Baugruppe eingefrorenen Spannungen, das Versagensverhalten im Langzeitgebrauch zentral beeinflussen.

In der Schnittmenge zwischen möglichst geringer Kurzzeitbelastung durch Schmelzeströme und -drücke im Prozess und niedriger Langzeitbelastung durch die Schwindung und thermische Dehnung müssen die idealen werkstofflichen, geometrischen und prozesstechnischen Rahmenbedingungen ermittelt werden, was auf Basis der entwickelten Prozesstechnik in weiteren Untersuchungen geschehen soll. Diese Informationen können zum einen zur Erarbeitung von Gestaltungs- und Verarbeitungshinweisen für die praktische Anwendung herangezogen werden. Zum anderen können damit bislang unzugängliche Kenndaten generiert werden, die eine Bewertung und eventuelle Verbesserung der Vorhersagegenauigkeit von Spritzgießsimulationsprogrammen ermöglicht.

Höhere Marktchancen

Elektronische Formteile in der Elektro- und Automobilindustrie werden zum Schutz vor äußeren Einflüssen oft in Kunststoff eingebettet und davon ummantelt. Das Umspritzen von Elektronikbauteilen ist jedoch knifflig, denn während des Prozesses herrschen hohe Drücke und Temperaturen. Diese können die filigranen metallischen Strukturen beschädigen oder die mechanischen Bauteileigenschaften beeinträchtigen. Wissenschaftler der Universität Erlangen-Nürnberg vom Lehrstuhl für Kunststofftechnik (LKT) haben wichtige Parameter im Prozess direkt untersucht. Sie berichten über die ersten Erkenntnisse zu den mechanischen und thermischen Belastungen und den Einfluss der Schmelzefront-Geschwindigkeit auf die Auslegung der Baugruppen, das Werkzeug und den Herstellprozess.

 

 

Autor

Über den Autor

Martina Vetter, Prof. Dietmar Drummer