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 dieser Formteile 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 Kunststoff-Formmassen 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 optischer Kunststoffformteile 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 oder PVD- (Physical Vapor Deposition) und PACVD-Verfahren (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 3-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).
Neuartiges Spritzgieß-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 Messunterlagsscheibe. Ein in den Auswerferplatten platzierter Wirbelstrom-Sensor 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. Abb. 2 zeigt beispielhaft den Einfluss der Nachdruckhöhe auf die Auswerfer- beziehungsweise Adhäsionskraft beim Entformen unterschiedlich beschichteter Formeinsätze.
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 antiadhäsiver Beschichtungssysteme und Formmassen.
Über den Forschungsbereich Kunststoffe im Fraunhofer LBF
Mit dem Forschungsbereich Kunststoffe, hervorgegangen aus dem Deutschen Kunststoff-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.
Auf der Messe K 2016 in Düsseldorf, 19.-26.10.2016, beteiligt sich das Fraunhofer LBF in Halle 7 am Fraunhofer-Stand SC01.
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 dieser Formteile 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 Kunststoff-Formmassen 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 optischer Kunststoffformteile 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 oder PVD- (Physical Vapor Deposition) und PACVD-Verfahren (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 3-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).
Neuartiges Spritzgieß-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 Messunterlagsscheibe. Ein in den Auswerferplatten platzierter Wirbelstrom-Sensor 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. Abb. 2 zeigt beispielhaft den Einfluss der Nachdruckhöhe auf die Auswerfer- beziehungsweise Adhäsionskraft beim Entformen unterschiedlich beschichteter Formeinsätze.
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 antiadhäsiver Beschichtungssysteme und Formmassen.
Über den Forschungsbereich Kunststoffe im Fraunhofer LBF
Mit dem Forschungsbereich Kunststoffe, hervorgegangen aus dem Deutschen Kunststoff-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.
Auf der Messe K 2016 in Düsseldorf, 19.-26.10.2016, beteiligt sich das Fraunhofer LBF in Halle 7 am Fraunhofer-Stand SC01.
