Kunststoffbauteile besser entformen

Werkstoffe 10. 12. 2016
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Fraunhofer-LBF entwickelt neuartiges Spritzgieß-Messwerkzeug

Bei der Produktion optischer Kunststoffbauteile zählt das Entformen zu den anspruchsvolleren Schritten. Mehr Kenntnisse insbesondere über die hier wirkenden Adhäsionskräfte können Herstellern helfen, die Entformung zu verbessern. Dies kann sich wiederum positiv auf die Möglichkeiten beim Produktdesign auswirken und die Kosten senken. Vor diesem Hintergrund haben Wissenschaftler des Fraunhofer-Instituts für Betriebsfestigkeit und Systemzuverlässigkeit LBF im Rahmen eines IGF-Forschungsvorhabens mehrerer Fraunhofer-Institute ein neuartiges Spritzgieß-Messwerkzeug entwickelt. Damit lassen sich Adhäsionskräfte quantifizieren sowie innovative antiadhäsive Beschichtungen und Formmasserezepturen analysieren. Profitieren von diesem neuen Messwerkzeug können Hersteller von Maschinen- und Werkzeugkomponenten sowie die Entwickler antiadhäsiver Beschichtungssysteme und Formmassen.

Hochwertige optische und mikrostrukturierte Bauteile aus Kunststoffen haben in den letzten Jahren in der Massenfertigung von Optiksystemen eine erhebliche Bedeutung erlangt. Dazu zählen zum Beispiel komplexe Linsensysteme für lichttechnische Anwendungen in der Automobilindustrie, Kameraoptiken bei Mobiltelefonen oder optische Bauteile in der Medizintechnik. Hergestellt werden solche Komponenten in erster Linie durch Spritzgießen, Spritzprägen und Heißprägen oder verwandte Verfahren. Dabei steigen die Ansprüche an das Design und die Qualität der Bauteile immer mehr, gleichzeitig soll die Fertigung kostengünstig und prozesssicher sein.

Bei der Fertigung von diesen Formteilen sind häufig hohe Massetemperaturen und lange Kontaktzeiten der Polymerschmelze mit der formgebenden Werkzeugoberfläche erforderlich. Der Nachteil: Die Klebeneigung und die Entformungskräfte sind hoch, was wiederum die Effizienz der Prozesse begrenzt, mögliche Produktdesigns einschränkt und zudem hohe Stückkosten verursacht.

In begrenztem Umfang lässt sich die Entformbarkeit durch anwendungsspezifische Additivierungen der Kunststoffformmassen verbessern (interne Trennmittel). Externe Trennmittel, die zur Reduzierung von Haft- und Reibeffekten zyklisch auf die Werkzeugoberfläche aufgebracht werden, sind für die Herstellung hochwertiger Formteile zumeist ungeeignet, da sie zu einer Trübung oder Vergilbung der Komponenten führen können.

Die Forschungs- und Entwicklungsarbeiten zur Verbesserung der Entformbarkeit von optischen Kunststoffformteilen konzentrieren sich daher auf die Bereitstellung von Werkzeugbeschichtungen mit guten antiadhäsiven Eigenschaften und hoher Verschleißbeständigkeit, um schadensfrei und reproduzierbar entformen zu können. Dabei verfolgen Forscher unterschiedliche Beschichtungsansätze, wie nasschemisch aufgebrachte Schichtsysteme (Galvanotechnik) oder durch physikalische Verfahren wie PVD (Physical Vapor Deposition) und PACVD (Plasma Assisted Chemical Vapor Deposition). Aktuelle Untersuchungsergebnisse zu dieser Thematik sind im Abschlussbericht des IGF-Vorhabens 496ZN veröffentlicht, das mehrere Fraunhofer-Institute in Kooperation durchgeführt haben.

Im Rahmen dieses Forschungsprojekts hat das Fraunhofer-LBF ein neuartiges Spritzgieß-Messwerkzeug entwickelt. Mit ihm lassen sich Adhäsionskräfte quantifizieren beziehungsweise innovative antiadhäsive Beschichtungen und Formmasserezepturen analysieren. Dabei handelt es sich um ein temperierbares Drei-Platten-Werkzeug mit einer zentral positionierten Aufnahmeeinheit für auswechselbare Formeinsätze mit unterschiedlichsten Oberflächenstrukturen und Beschichtungen. Die Formteilgeometrie gestalteten die LBF-Wissenschaftler als ebene Scheibe. Sie wird mittig über einen konischen Kaltkanal angespritzt (Abb. 1).

     

Abb. 1: Entformungskraftmessung am Fraunhofer LBF: Auswerferseite des Spritzgießwerkzeugs mit Formteil (li.), Messwerterfassung mit LabVIEW (re.) (Bild: Fraunhofer LBF)

 

Messwerkzeug quantifiziert Adhäsionskräfte

Das Spritzgieß-Messwerkzeug ist mit einem mehrstufigen, federnd gelagerten Abdrück- und Rückhaltesystem ausgestattet. Dieses System stellt beim Öffnen des Werkzeugs sicher, dass sich Formteil und Anguss vollständig von der Düsenseite lösen, ohne die Haftung auf der Auswerferseite zu beeinflussen. Das Entformen des Spritzlings erfolgt über eine zentrale Auswerfereinheit­ mit integrierter Kraftmessung. Dazu dient eine piezoelektrische Messunterlagscheibe. Ein in den Auswerferplatten platzierter­ Wirbelstromsensor erfasst den Entformungshub. Somit kann für jeden Spritzzyklus ein Kraft-Zeit- beziehungsweise Kraft-Weg-Diagramm ermittelt werden.

Damit können die Wissenschaftler den Entformungsvorgang und die dabei zu überwindenden Entformungskräfte detailliert quantitativ beurteilen. Druck- und Tempe­ratursensoren dienen zur Überwachung der Prozessparameter.

Entformungskräfte praxisgerecht beurteilen

Im Verlauf des Forschungsprojekts unternahmen die LBF-Wissenschaftler Spritzgießversuche und Entformungskraftanalysen an unbeschichteten und beschichteten Werkzeugeinsätzen. Dabei variierten sie Verfahrensparameter wie Schmelze- und Werkzeugtemperaturen, Nachdruckhöhen­ beziehungsweise Nachdruckprofile und Verweilzeiten. Abbildung 2 zeigt beispielhaft den Einfluss der Nachdruckhöhe auf die Auswerfer- beziehungsweise Adhäsionskraft beim Entformen von unterschiedlich beschichteten Formeinsätzen.

Abb. 2: Auswerferkräfte beim Spritzgießen mit unbeschichteten und antiadhäsiv beschichteten Formeinsätzen (Bild: Fraunhofer-LBF)

 

Mit dem neuen Spritzgieß-Messwerkzeug lassen sich die Entformungskräfte bei verschiedensten Prozessbedingungen praxisgerecht beurteilen. Daher ist es besonders interessant für die Hersteller von Maschinen- und Werkzeugkomponenten sowie die Entwickler von antiadhäsiven Beschichtungssystemen und Formmassen.

Über den LBF-Forschungsbereich Kunststoffe

Mit dem Forschungsbereich Kunststoffe,­ hervorgegangen aus dem Deutschen Kunst-
stoff-Institut DKI, begleitet und unterstützt das Fraunhofer-LBF seine Kunden entlang der gesamten Wertschöpfungskette von der Polymersynthese über die Formulierung des Werkstoffs, seine Verarbeitung und das Produktdesign bis hin zur Qualifizierung und Nachweisführung von komplexen sicherheitsrelevanten Leichtbausystemen. Der Forschungsbereich ist spezialisiert auf das Management kompletter Entwicklungsprozesse und berät seine Kunden in allen Entwicklungsstufen. Hochleistungsthermoplaste und Verbunde, Duromere, Duromer-Composites und Duromer-Verbunde sowie Thermoplastische Elastomere spielen eine zentrale Rolle. Der Bereich Kunststoffe ist ein ausgewiesenes Kompetenzzentrum für Additivierungs-, Formulierungs- und Hybrid-Fragestellungen. Umfassendes Know-how besteht in der Analyse und Charakterisierung von Kunststoffen und deren Veränderung während der Verarbeitung sowie in der Methodenentwicklung zeitaufgelöster Vorgänge bei Kunststoffen.

Das Fraunhofer-LBF entwickelt, bewertet und realisiert im Kundenauftrag maßgeschneiderte Lösungen für maschinenbauliche Komponenten und Systeme, vor allem für sicherheitsrelevante Bauteile und Systeme. Dies geschieht in den Leistungsfeldern Schwingungstechnik, Leichtbau, Zuverlässigkeit und Polymertechnik. Neben der Bewertung und optimierten Auslegung passiver mechanischer Strukturen werden aktive, mechatronisch-adaptronische Funktionseinheiten entwickelt und prototypisch umgesetzt. Parallel werden entsprechende numerische sowie experimentelle Methoden und Prüftechniken vorausschauend weiterentwickelt.

Die Auftraggeber kommen aus dem Automobil- und Nutzfahrzeugbau, der Schienenverkehrstechnik, dem Schiffbau, der Luftfahrt, dem Maschinen- und Anlagenbau, der Energietechnik, der Elektrotechnik, dem Bauwesen, der Medizintechnik, der chemischen Industrie und weiteren Branchen. Sie profitieren von ausgewiesener Expertise der mehr als 400 Mitarbeiter und modernster Technologie auf mehr als 11 560 Quadratmetern Labor- und Versuchsfläche an den Standorten Bartningstraße und Schlossgartenstraße.

Kontakt

Dipl.-Ing. Joachim Amberg
E-mail: joachim.amberg@lbf.fraunhofer.de

 

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