Mikrostrukturierte Formteile auf Basis thermoplastischer Folien
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Die im Rahmen des Vorhabens gewonnenen Erkenntnisse zeigen, dass mittels des im Spritzgießprozess integrierten Mikrothermoformens folienbasierte Mikrostrukturteile mit dreidimensionalen Funktionsstrukturen bei Zykluszeiten von weniger als 3 Minuten im Versuchsstadium realisiert werden können. Hierbei konnten sowohl pinförmige als auch lamellenförmige Strukturen hergestellt werden. Analysen der Prozesscharakteristik zum zeitabhängigen Temperaturverhalten des Systems bestätigen das Erreichen der geforderten, homogenen Folientemperaturen durch eine Erwärmung über das dynamisch temperierte Werkzeug und die direkte Abhängigkeit der Folientemperatur von der kavitätsnah gemessenen Werkzeugtemperatur, wobei Wärmeverluste zu berücksichtigen sind. Hinsichtlich eines einstufigen Umformens bei gleichzeitigem Hinterspritzen, was der Prozessvariante Schmelzeumformung entspricht, kam es zu großen Streuungen der Mikrothermoformergebnisse, woraufhin sich diese Methode als nicht zielführend herausgestellt hat. Die Kombination aus gasbasierter Umformung und anschließendem Hinterspritzen zeigte hingegen hohes Potenzial sowie sehr gute Reproduzierbarkeit, wobei werkstoffliche und prozesstechnische Abhängigkeiten für Mikropins und Lamellengeometrien erfolgreich erarbeitet werden konnten. Generell hat sich gezeigt, dass steigende Verstreckverhältnisse mit zunehmender Folientemperatur bzw. zunehmendem maximalen Gasdruck erzielt werden. Die Effekte der Temperaturerhöhung können mit der größeren molekularen Beweglichkeit erklärt werden. Eine Drucksteigerung verbunden mit einer Erhöhung der Druckanstiegsgeschwindigkeiten hingegen bewirkt gesteigerte Dehngeschwindigkeiten. Diese können laut Literatur in erhöhten Streckspannungen sowie einer Verschiebung der Glasübergangstemperatur zu höheren Temperaturen resultieren. Ein Einfluss der Druckanstiegsgeschwindigkeit bei gleichem Maximaldruck zeigt hingegen nur an den Prozessgrenzen, d.h. beim Erreichen der Bruchdehnung der Folie, Einfluss. Hier führt eine reduzierte Druckanstiegsgeschwindigkeit zum Vermeiden eines Einreisens der Folie, was durch die verminderte Dehngeschwindigkeit und eine daraus resultierende Erhöhung der Bruchdehnung erklärt werden kann. Höchste Verstreckverhältnisse können bei Folientemperaturen im Bereich der Glasübergangstemperatur bei geringen Drücken erreicht werden. Während eine Orientierung der Folie unterhalb der Glasübergangstemperatur, bedingt durch die höhere Steifigkeit der Folie, negativen Einfluss auf das Umformergebnis hat, ist im Bereich der Glasübergangstemperatur kein signifikanter Einfluss vorhanden. Hier kommt es insbesondere bei den Pingeometrien zu einem Versagen der Proben mit Übersteigen der Glasübergangstemperatur, was auf den starken Abfall der mechanischen Kennwerte zurückgeführt werden kann. Bei den eingesetzten Lamellengeometrien, welche im Vergleich zu den Pingeometrien kleinere, allerdings hinsichtlich der industriellen Anforderungen gebräuchlichere Aspektverhältnisse aufweisen, kommt es bei Erreichen der Glasübergangstemperatur zur Ausbildung eines maximalen Aspektverhältnisses, welches durch einen weiteren Anstieg der Temperatur nicht weiter beeinflusst werden kann. In Bezug auf das Langzeitverhalten zeigt sich, dass aufgrund von Relaxationsvorgängen Mikrothermoformen bei Temperaturen im oder über dem Glasübergangstemperaturbereich günstig für die Formstabilität ist. Verfahrensbedingt kommt es durch den Mikrothermoformvorgang zu einer starken Ausdünnung der Folie, insbesondere von freistehenden, nicht am Werkzeug anliegenden Bereichen. Die verminderte Ausdünnung von am Werkzeug anliegenden Bereichen kann auf Reibeffekte zurückgeführt werden, da eine Abkühlung der Folie bei Werkzeugkontakt durch die prozessbedingte Erwärmung über das Werkzeug nahezu ausgeschlossen werden kann. In Bezug auf eine Homogenisierung der Wanddicken hat sich gezeigt, dass sich ein Einlaufradius im Bereich der Foliendicke günstiger im Vergleich zu einem deutlich größeren Einlaufradius auswirkt.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
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Microthermoforming integrated in the injection moulding process for the fabrication of film-based microstructured parts. International Polymer Processing 30 (2015) 3, 381-389
Jungmeier, A.; Drummer, D.
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Mikrothermoformen thermoplastischer Folien im Spritzgießprozess. 7. Kolloquium Mikroproduktion, Aachen, 16./17.11.2015, 117-126; ISBN 978-3-00-050-755-7
Jungmeier, A.; Drummer, D.
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The effect of pressure and temperature on microthermoforming thermoplastic films integrated in the injection moulding process. Journal of Polymer Engineering (2015)
Jungmeier, A.
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Crystallization and Mechanical Properties of Polypropylene under Processing-Relevant Cooling Conditions with respect to Isothermal Holding Time. International Journal of Polymer Science 2016 (2016)
Fischer, C.; Drummer, D.
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Untersuchungen zum Mikrothermoformen von Polycarbonat-Folien und dessen Integration in den Spritzgießprozess. Zeitschrift Kunststofftechnik 12 (2016) 5, 356-381
Jungmeier, A.; Fischer, C.
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Crystallization and Component Properties of Polyamide 12 at Processing-Relevant Cooling Conditions. Polymer Engineering and Science 57 (2017) 4, 450- 457
Fischer, C.; Seefried, A.; Drummer, D.
