Fundamental investigation of cutting, forming and assembly injection moulding and their interdependence for manufacturing durable tight electronic systems
Primary Shaping and Reshaping Technology, Additive Manufacturing
Final Report Abstract
Die wachsende Elektronifizierung in vielen Anwendungsbereichen mit zunehmend anspruchvolleren Einsatzbedingungen, die durch gleichzeitige Einwirkung von Temperatur, Medien und mechanische Beanspruchungen gekennzeichnet sind, führt zu einem steigenden Bedarf an flexibel anpassbare elektronische Systeme mit hoher Funktionsdichte und Widerstandsfähigkeit gegen vielfältige Einsatzbeanspruchungen. Das Umspritzen von schergeschnittenen Metalleinlegeteilen im Montagespritzgießverfahren stellt ein sehr günstiges Herstellungsverfahren für Schaltstrukturen und Steckverbinder dar. Eine zunehmend gestellte Anforderung ist hierbei die beständige Mediendichtheit der Komponenten, die sich bislang nur eingeschränkt durch aufwändige Zusatzprozesse erreichen lässt. Darauf aufbauend, ist das übergeordnete Ziel des Projekts die Erzeugung mediendichter Kunststoff-Metall-Hybride für elektronische Anwendungen in einer kurzen Prozesskette unter Berücksichtigung der Interdependenz der Einzelprozesse der Metall- und Kunststoffverarbeitung. Zentraler Ansatz des Projekts ist die Strukturierung metallischer Einleger, wodurch eine Verbesserung der Mediendichtheit der Kunststoff-Metall-hybridbauteile erreicht werden soll. Für das Projekt wurde die vollständige Prozesskette aus Schneiden und Umformen am Lehrstuhl für Fertigungstechnologie und dem Montagespritzgießverfahren in einer automatisierten Zelle am Lehrstuhl für Kunststofftechnik umgesetzt. Im Rahmen der Untersuchungen konnte das Einbringen von Quernuten mittels Prägen als vorteilhaft identifiziert werden. Es wurde in grundlagenwissenschaftlichen Untersuchungen die Abbildung der Nutgeometrie im Zusammenhang mit dem auftretenden Werkstofffluss analysiert. Hierbei beeinflusst der axiale Werkstofffluss die Nutgeometrie, wohingegen der lokale laterale Werkstofffluss wesentlich die Einlegerkontur bestimmt. Darüber hinaus wurde die Rissbildung an den Kanten der Einleger untersucht. Hier konnte aufgezeigt werden, dass eine Verrundung der Kanten mittels Mikroprägen die Spannungskonzentration an den Kanten reduziert und infolgedessen eine Rissbildung sowie somit eine mögliche Leckage verhindert werden kann. Anhand erweiterter Strukturierungskonzepte mittels einer sekundäre Oberflächenstrukturierung, welche im Sinne einer hierarchischen Struktur überlagert wird, wurde der Einfluss der Anhaftung von Kunststoff und Metall untersucht. In diesem Zusammenhang war auch die elektrochemische Strukturierung metallischer Einleger Gegenstand der Arbeiten. Hierbei konnte die zentrale Bedeutung der Ausbildung von Hinterschnitten für die Herstellung einer flächigen Anhaftung, welche die Herstellung mediendichter Kunststoff-Metall-Hybridbauteile fördert, nachgewiesen werden. Weitergehend wurden grundlegende Zusammenhänge zur Bildung von Leckagen erarbeitet und die Formierung der Leckagepfade in Abhängigkeit der Strukturierung dargelegt. Dadurch konnte das Verständnis der Wirkmechanismen mediendichter Bauteile erweitert werden. Hierbei konnte auch aufgezeigt werden, dass durchgehende, gleichgerichtete Strukturen über alle Seitenfläche des Einlegers einen positiven Effekt auf die Dichtheit haben. Die Umsetzung in Form einer umlaufenden Nut wurde im Folgeverbundprozess durch die Kombination einer lokalen angepassten Schnittkontur und einem nachgelagerten Prägeprozess realisiert. Durch Analyse grundlegender Zusammenhänge hinsichtlich der gezielten Steuerung des Werkstoffflusses wurde ein Prozessverständnis für die gezielte Prozessauslegung für die umformtechnische Strukturierung metallischer Einleger erarbeitet. In Kombination mit dem Verständnis der Wirkmechanismen der Leckagebildung ist die Basis für die allgemeine Übertragung der Erkenntnisse in die industrielle Anwendung für die Steigerung der Leistungsfähigkeit mediendichter Kunststoff-Metall-Hybridbauteile geschaffen.
Publications
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