Mikrospritzgießen – ein langer, anspruchsvoller Weg

Die Miniaturisierung ist seit Jahrzehnten schon ein großes Thema, um komplexe und funktionale Komponenten auf kleinem Bauraum und mit reduziertem Gewicht unterbringen zu können. Das Spritzgießen von Kunststoffen eignet sich daher für die wirtschaftliche Herstellung von hochpräzisen und funktionellen Bauteilen in großen Stückzahlen, die in den unterschiedlichsten Branchen Anwendung finden. Jedoch ist auf dem Markt eine kontroverse  Auffassung, was unter Mikrospritzgießen zu verstehen ist. Der Kunststoffverarbeiter Stamm, Hallau, Schweiz, hat dies für sich selbst definiert und spricht von Mikrospritzgussteilen, wenn folgende Kriterien erfüllt sind: Gewicht < 0.1 g, Dimensionen < 0.2 mm und Toleranzen < +/- 10 µm. Grössere Bauteile sind für den schweizerischen Spezialisten technische Kleinteile.

Auf den ersten Blick scheint die Herstellung von Mikrospritzgießteilen „nur“ eine Reduktion der Abmessungen und des Gewichtes eines Bauteiles zu sein, aber die Herausforderungen liegen in kleinen Details, die über die erfolgreiche Realisation entscheiden. Es gilt, den gesamten Herstellprozess zu betrachten und aufeinander abzustimmen. Je kleiner die Bauteile werden, umso stärker wirken sich Fehler in den einzelnen Prozessen aus und entscheiden über eine erfolgreiche Umsetzung.

Simulation stößt beim Mikrospritzgießen an Grenzen

Das Mikrozahnrad hat einen Kopfkreis-Durchmesser von 0.4 mm. Um die Eckenradien der Verzahnung realisieren zu können, durfte für die Drahterosion ein maximaler Drahtdurchmesser von 0.02 mm verwendet werden.

Schon bei der Entwicklung eines Mikrospritzgussteils müssen alle Aspekte der Anwendung, der Herstellung und Weiterverarbeitung betrachtet werden, um die Basis für eine qualitative und prozesssichere Produktion zu schaffen. Eine offene und partnerschaftliche Kultur aller Beteiligten ist hierbei Grundvoraussetzung, da erste Ideen meist überarbeitet und justiert werden müssen. In diesem Prozess gilt es, die Herausforderungen des herzustellenden Bauteils mit den gewonnenen Erfahrungen abzugleichen. Alle Details müssen analysiert und bewertet werden. Treten irgendwelche Unsicherheiten auf, müssen diese dementsprechend separat betrachtet und wenn nötig mit Versuchen überprüft werden. Füllsimulationen haben sich in den letzten Jahren zwar gut weiterentwickelt, aber bei den winzigen Dimensionen zeichnen sich immer wieder Unterschiede von der Theorie zur Praxis ab. Nur durch das Zusammenspiel von Erfahrung, Versuchen und Simulationen können aussagekräftige Beurteilungen zur Machbarkeit getroffen werden und „die Grenzen des Machbaren“ können immer wieder aufs Neue verschoben werden.

Synchron zur Bauteilentwicklung ist die konstruktive Erstellung des Werkzeugkonzeptes erforderlich. Sämtliche Anpassungen müssen hierbei kontinuierlich vom Werkzeugbau, der Produktion, der Qualitätssicherung und der Logistik reflektiert werden, um das Mikrospritzgussteil umsetzen zu können. Nur durch den Einbezug von allen Disziplinen des „Modernen Fünfkampfs der Spritzgießtechnik“ kann die Basis für qualitative und prozesssichere Produktionen gewährleistet werden.

Werkzeugbau: Präzision ist größte Herausforderung

Bei der Herstellung eines Wundverschlusssystems musste für die extrem kleinen Formkerne eine Speziallegierung gewählt werden, die der Belastung während des Spritzgießprozesses standhält.

Bei der Werkzeugherstellung gilt es, das geeignete Verfahren zur Fertigung der Miniaturkavitäten ausfindig zu machen. Meist kommen hier traditionelle Verfahren wie Senk-, Drahterodieren oder HSC-Fräsen zum Einsatz. Allerdings müssen diese Verfahren zur Herstellung der minimalen Konturen weiterentwickelt und optimiert werden. Aber auch andere Technologien wie die Laserbearbeitung oder das LIGA-Verfahren werden eingesetzt. Neben der erforderlichen Geometrie ist auch die erzielbare Oberflächengüte entscheidend über das Verfahren, da diese einen wesentlichen Einfluss auf das Entformen des Mikroteiles hat.

Der Materialauswahl für die einzelnen Werkzeugkomponenten muss ebenfalls eine besondere Aufmerksamkeit geschenkt werden. Hier eignen sich hochlegierte und gehärtete Stähle, die auf die einzelnen Werkzeugfunktionen abgestimmt sein müssen. Eine hochsegmentierte Bauweise des Werkzeuges stellt die Entlüftung des Werkzeuges sicher und bietet Vorteile bei einer allfälligen Reparatur.

Das geeignete Angusssystem muss zum einen auf das Bauteil und zum anderen auf die Wirtschaftlichkeit ausgelegt werden. Zum Einsatz kommen hierbei Kaltkanalsysteme, Teilheißkanäle und direktes Anspritzen über einen Vollheißkanal. Zu berücksichtigen ist jedoch der Temperaturhaushalt des Werkzeuges und die Verweilzeit des Materials.

Doch die größte Herausforderung bei der Werkzeugherstellung ist die Präzision. Da ein Werkzeug aus vielen Einzelkomponenten besteht und jeder Prozess eine Fertigungstoleranz benötigt, können diese zu Gratbildungen, Formversatz, Entlüftungsproblemen oder zur Nichtfunktion von beweglichen Komponenten führen. Des Weiteren weisen die Kleinstteile meist sehr enge Toleranzen auf, die eingehalten werden müssen. Nur durch eine ausgefeilte und werkzeugbezogene Herstellstrategie können entstandene Abweichungen kompensiert und ein perfektes Werkzeug hergestellt werden.

Standardmaschinen für Mikrospritzgießen modifizieren

Montagehilfe erforderlich: Die Entnahme des 0.007g schweren Bauteils konnte nur mit einem Spezialgreifer umgesetzt werden, da sich die Teile extrem elektrostatisch aufgeladen haben.

Beim Mikrospritzgiessen kommen neben der Ein- und Mehrkomponententechnik auch variotherme oder Spritzprägeprozesse zum Einsatz. Ebenfalls können auch Hybridbauteile erfolgreich hergestellt werden. Auf dem Markt werden diesbezüglich verschiedene Maschinenkonzepte angeboten, und es ist eine Frage des Gesamtkonzeptes, welches System das Geeignete ist. Wichtig sind allerdings immer eine homogene Aufbereitung der Schmelze mit kurzen Verweilzeiten, präzise Führungen, schnelle Reaktionszeiten und genaue Positionierungen der Maschine. Stamm setzt diesbezüglich auf Standardmaschinen und modifiziert diese für die Mikrospritzgießanwendungen. Am Ende ist jedoch der Mensch entscheidend, der sich mit Werkzeug, Maschine und Material vereinen muss, um aus den unterschiedlichsten Polymeren ein Mikrospritzgussteil herstellen zu können. Die Interpretation von Fehlerbildern und deren Ursache wird mit Abnahme der Bauteilgrösse immer komplexer und fordert eine Betrachtung von allen Faktoren, um Lösungen zu finden.

Auch an das Handling der Winzlinge werden erhöhte Anforderungen gestellt, da die Mikroteile, aufgrund der kleinen Dimensionen, empfindlich sind und sich statisch aufladen können. So beginnt die Logistik mit der Entnahme aus dem Spritzgießwerkzeug und muss bis zum finalen Einsatz betrachtet werden.

Um die Qualität der Mikroteile sicherzustellen, muss neben den erforderlichen Messmitteln, die auf die kleinen Dimensionen und Toleranzen ausgelegt sind, ebenfalls eine zuverlässige Q-Strategie implementiert werden. Ziel muss es sein, dass bauteilspezifische Fehlermerkmale schon in der Bemusterungsphase erkannt werden und dementsprechende Abstellmaßnahmen und Prüfungen eingeleitet werden können.

Zurückblickend auf über 20 Jahre Erfahrung im Bereich des Mikrospritzgießen kann gesagt werden, dass die Maschinentechnologie im Werkzeugbau, der Spritzerei und der Qualitätssicherung deutliche Fortschritte gemacht hat und durch die ausgereifteren Simulationen eine zusätzliche Unterstützung besteht. Allerdings ist dies nur die halbe Miete auf dem langen Weg zum Mikrospritzgussteil. Entscheidend sind die hochqualifizierten Mitarbeiter, die in den unterschiedlichen Disziplinen fachübergreifend zusammenarbeiten wollen. Dies erfordert eine offene und kooperierende Firmenkultur mit den dazugehörigen Abläufen und Prozessen. Paart man dies nun noch mit Passion, Innovationskraft und Ausdauer, hat man den Schlüssel zur erfolgreichen Realisation von Mikrospritzgussteilen in den Händen.

Fakuma: Halle B2, Stand  2116