Bessere Bauteile für Optik und Mikrotechnik

Erweitertes Spritzprägen

Spritzgießen zählt aufgrund der Automatisierbarkeit, der hohen Reproduzierbarkeit und zumeist nicht erforderlichen Nacharbeit zu den wichtigsten Produktionsverfahren. Einen Nachteil dieser Technik, die häufig starken Orientierungen der Produkte (Anisotropie) soll das "erweiterte Spritzprägen" vermeiden, ein Verfahren, das bislang vergleichsweise selten eingesetzt wird.

Versuchskörper Blitzlichtlinse – Oberflächenqualitäten sichtbar machen.

Beim Spritzgießen führen verschiedene Eigenheiten wie hohe Deformationsgrade und -geschwindigkeiten sowie die ebenfalls hohen Abkühlgeschwindigkeiten zu - geometrieabhängig - mehr oder weniger ausgeprägten Anisotropien der Spritzgießteile. Häufig sind jedoch Bauteile mit möglichst isotropen Eigenschaften gefordert, um einerseits eine möglichst hohe Oberflächenqualität sowie Maß- und Formgenauigkeit zu erreichen und andererseits um Verzug, innere Spannungen und Orientierungen gering zu halten. Besonders optische Teile sind anfällig für Anisotropie, da innere Spannungen und Orientierungen die optische Brillanz aufgrund von Doppelbrechungseffekten stark einschränken.

Abhilfe kann hierbei eine Sonderform des Spritzgießens bieten, das Spritzprägen. Bei diesem Verfahren wird die Kunststoffschmelze in ein Werkzeug mit vordefiniertem Prägespalt gespritzt und dann mit einem Prägehub der Werkzeughälften ausgeformt. Hierbei sind zwei Verfahren gängig:

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  • Vollständige Füllung der Kavität
  • Teilfüllung der Kavität

Aufgrund der hohen Abkühlgeschwindigkeit im Werkzeug beschränkt sich das Spritzprägen von dünnwandigen Bauteilen und Mikroteilen vor allem auf das Verfahren mit einer vollständigen Füllung der Kavität. Bei einem Prägehub mit Teilfüllung und einer bereits eingefrorenen Fließfront würde es sonst zu Oberflächendefekten und den eigentlich zu vermeidenden inneren Spannungen und Orientierungen kommen. Das Spritzprägen zeichnet sich vor allem durch die geringere Materialscherung und Orientierungen aus. Da der Nachdruck nicht über den Anguss, sondern auf die gesamte projizierte Bauteiloberfläche wirkt, kommt es zu einer Verringerung der Einfallstellen. Außerdem ist aufgrund des Einspritzens in die geöffnete Kavität eine verbesserte Entlüftungswirkung zu beobachten. Dem gegenüber stehen höhere Investitionen in ein konstruktiv angepasstes Werkzeug und eine spezifisch angepasste Prozesssteuerung.

Entscheidender Verarbeitungsschritt beim Spritzprägen ist der Prägehub. Dieser ist beim konventionellen Prägeverfahren zeit- oder weggesteuert, wodurch die Genauigkeit des gesamten Prozesses bezogen auf den Mikrobereich relativ gering ist. Zeit- oder Wegsteuerung ermöglichen nur einen starren Prozess, ohne Informationsrückfluss vom Verhalten des gespritzten Teils.

Mit Kenntnis über die thermodynamischen Zustände des Materials in der Kavität und einer Informationsrückkopplung aus dem Werkzeug lässt sich eine dem eingesetzten Material angepasste Prozessführung aufbauen. Somit kann auf das jeweilige Materialverhalten während der Prägephase eingegangen werden, um einen dynamische, flexiblen und materialschonenden Verfahrensablauf zu gewährleisten.

Die Abteilung für Mikrospritzguss bei Wittmann Battenfeld beschäftigt sich seit einiger Zeit mit der Realisierung solcher dynamischer Spritzprägeprozesse, um entsprechende Qualitätssteigerungen zu erzielen. Technologische Basis dafür ist eine Spritzgießmaschine der Micropower-Serie, die aufgrund ihrer Flexibilität, Reproduziergenauigkeit und Dynamik gewählt wurde.

Vom Spritzprägen zum Hi-Q Shaping
Mit diesen Zielvorgaben wurde das Hi-Q Shaping im Zuge des EU-Programmes "Cotech" gemeinsam mit Microsystems UK, dem Karlsruher Institut für Technologie KIT, der University of Bradford, der Technischen Universität Dänemark DTU und dem Institut für Mikrosystemtechnik Imtek entwickelt. Dafür wurde eine neue Software generiert und an der Micropower Spritzgießmaschine angepasst.

In diesem Verfahren spielt, ähnlich dem normalen Spritzprägen, die aktive Bewegung der Schließeinheit während des Spritzprozesses eine wichtige Rolle. Hier werden jedoch die Führungsgröße bzw. Messgröße um Daten für Temperatur und Druck erweitert, um den Prägedruck (Nachdruck) prozessspezifisch über den Schließweg regeln zu können. Ziel ist es, dynamisch und präzise oberhalb der Glasübergangstemperatur großflächig den Prägedruck auf das Teil auszuüben. So wird es möglich, die Materialspannungen drastisch zu reduzieren, da die Verformungen bei deutlich geringeren Schwergeschwindigkeiten ablaufen. Die hohe Dynamik gepaart mit Präzision der Bewegung ist notwendig, weil Mikroteile aufgrund der geringen Größe bzw. Dicke schneller erstarren als größere Teile, was das Zeitfenster für den Prägehub auf einen Bruchteil der sonst üblichen Werte verkleinert. Die Viskosität der Schmelze wird daher in jedem Zustand automatisch berücksichtigt.

Aufgrund der sehr steifen, spielfreien und trotzdem präzisen Kniehebelkonstruktion der gewählten Spritzgießmaschine ist es möglich, toleranzarme Bewegungen der Aufspannplatten und somit exakte Prägehübe zu realisieren. Vor allem bei Mikrostrukturen hat die Präzision der Schließbewegung hohen Einfluss auf die Druckverteilung im Spritzling. Auch die Temperaturverhältnisse sind aufgrund des geringeren Volumens und der kleinen Oberflächen weitaus kritischer als bei größeren Teilen. Dieses Verfahren ist ein hochdynamischer Prägeprozess, der nur in der Verbindung entsprechender Software, Regelungstechnik und Maschinenperfomance umsetzbar ist.

Optische Bauteile
Bei den Untersuchungen wurde als beispielgebender Versuchskörper eine Blitzlichtlinse verwendet. Hier werden hohe Anforderungen an die optischen Eigenschaften des Formteils und dessen Oberflächenqualität gestellt. Diese Linsen bestehen aus dem Polycarbonat Makrolon LED 2045, einem Polymer mit hoher Lichttransmission.

Neben dem PVT-Diagramm sind als weiterer wichtiger Materialparameter die effektive Temperaturleitfähigkeit aeff sowie die Glasübergangstemperatur TG zu erwähnen, da diese eine Berechnung der aktuellen Massetemperatur zu jedem Zeitpunkt ermöglichen und der Prozess somit erst beherrschbar wird. Außerdem müssen Zielvorgaben über die endgültigen Bauteilabmaße sowie die gewünschte Dichte vorhanden sein.

Um qualitative Aussagen über Eigenspannungen und Orientierungen zu ermöglichen, bediente man sich der Doppelbrechungseffekte. Als Doppelbrechung wird die Eigenschaft von optisch anisotropen Medien bezeichnet, ein Lichtbündel in zwei senkrecht zueinander polarisierte Teilbündel zu trennen. Der Nachweis einer doppelbrechenden Substanz geschieht beispielsweise mit Hilfe der Polarisationsmikroskopie. Bei Drehung der Probe zwischen gekreuzten Polarisationsfiltern ändert sich die Helligkeit bzw. die Farbe des doppelbrechenden Objektes, während optisch isotrope Materialien keine Veränderungen im Bild zeigen. Aussagen über die Oberflächenqualität der produzierten Teile konnten mit vergleichender Lichtmikroskopie getroffen werden.

Dieser neue und fortschrittliche Prozess ermöglicht es, Teile mit konstantem Gewicht, günstigem Schwindverhalten, guter Oberflächenqualität sowie geringeren Orientierungen und inneren Spannungen herzustellen. Haupteinflussfaktoren auf die Qualität der Spritzgussteile sind

  • Werkzeugtemperatur
  • Prägekraft
  • Prägezeit

Die Untersuchungen zeigten, dass dieses Verfahren im Vergleich zum Standardprägen geringere Toleranzen ermöglicht. Des Weiteren konnten die inneren Spannungen reduziert werden, um die Lichtdurchlässigkeit deutlich zu verbessern.

Außerdem weist das Hi-Q Shaping ähnliche Zykluszeiten auf wie der konventionelle Spritzguss und ist somit etwa zehn Mal schneller als mit einer ähnlichen variothermen Prozessführung. Dieser Umstand macht dieses Verfahren ökonomisch und energieeffizient, da - bei vergleichbarer Teilequalität - keine hohen Investitionen in komplexe Heiz- und Kühlsysteme notwendig sind. Generell kommt es bei einem Einsatz des Spritzprägeverfahrens zu einer Verbesserung der optischen Eigenschaften sowie der Oberflächenqualität.

Der Beitrag basiert auf einem Manuskript von Martin Philipp-Pichler, Wittmann Battenfeld

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