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Simulation - Auch eine Option für den Mikrospritzguss? Cindy Löser, KUZ - Kunststoff-Zentrum in Leipzig gGmbH Beim Makrospritzgießen ist es eine übliche Methode, den Spritzgießprozess zu simulieren, um schneller die optimalen Ergebnisse bei Produktdesign und Fertigung zu erhalten. Diese ist aber nach jetzigem Stand der Erkenntnis noch nicht zuverlässig auf den Mikrobereich übertragbar. Bei Formteilen mit sehr kleinen Wanddicken zeigen Untersuchungen ungenaue Ergebnisse bzgl. der Formfüllung und resultierender Druckverluste. Zum einen ist das auf fehlende Genauigkeit der Materialdaten und zum anderen auf die nicht ausreichend präzise Formulierung der erforderlichen, vor allem thermischen Randbedingungen zurückzuführen. Beim Mikrospritzgießen werden diese Randbedingungen umso wichtiger, da mit zunehmendem Miniaturisierungsgrad das Verhältnis der Oberfläche zum Volumen des Formteiles steigt und dementsprechend der Einfluss der thermischen Verhältnisse zwischen Werkzeug und Formteil auf das Füll- und Erstarrungsverhalten zunimmt. Im Rahmen eines Forschungsprojektes am Kunststoff-Zentrum in Leipzig (KUZ) wurden systematische Untersuchungen an mikrostrukturierten Formteilen zur Korrelation zwischen den Ergebnissen der Spritzgießsimulation und der Formfüllung bzw. Abformung der mikrostrukturierten Formteile in der Realität durchgeführt. Das Prozessverständnis des Mikrospritzgießens sollte grundlegend untermauert werden sowie Zusammenhänge zwischen Prozessparametern beim Spritzgießen und erreichter Abformqualität der Mikrostrukturen zu qualifizieren. Das Ziel war es, die Vorteile der Spritzgießsimulation für Makroformteile auch auf die Mikrotechnik zu übertragen.
Für die Realisierung wurde eine komplexe Untersuchungsmethode entwickelt, die unter Verwendung zahlreicher Sensoren die Aufzeichnung der wichtigsten beim Spritzgießprozess entstehenden Prozessgrößen ermöglicht. Nicht nur der Werkzeuginnendruck an verschiedenen Stellen in der Kavität sondern auch der Druckverlauf im Einspritzzylinder ist aufgrund der Kompressibilität der Schmelze und dem daraus resultierenden Volumenstrom beim Einspritzen in die Kavität von besonderer Bedeutung. Formteil Das speziell für diese Maschine entwickelte Mikrofließstab-Werkzeug erlaubt eine unkomplizierte Änderung der Formteildicke im Bereich von 0,2-1,0 mm. Die Formteildicke beeinflusst die Druck- und Abkühlverhältnisse in der Schmelze und damit die Strukturabformung. Die Abformgenauigkeit wird mit Hilfe von auf dem Fließstab angeordneten zylindrischen Mikrostrukturen (Ø: 100-200 μm, h = 150 μm) untersucht. Die drei Mikrostrukturbereiche befinden sich in verschiedenen Abständen zum Anguss auf einer Hälfte des Fließstabes (Abb. 1). Das Spritzgießwerkzeug ermöglicht die Variation der Wanddicke in 4 Stufen über austauschbare Leisten. Sensoren und Mikrostrukturen bleiben bei der Wanddickenänderung unangetastet. Das Werkzeugkonzept ist durch folgende Merkmale charakterisiert (Abb. 2):
Abformung der Mikrostrukturen Die Überprüfung der Abformgenauigkeit wurde mit Hilfe des konfokalen Weisslichtmikroskops ConfoCam C301 der Fa. Confovis realisiert. Eine hohe Abformgenauigkeit zeigt sich, wenn der obere Durchmesser der Mikrostrukturen scharfkantig und die Deckfläche nicht kuppelartig sondern als flache Ebene abgebildet wird. Ausgewertet wird dabei nicht nur die Höhe der Mikrostruktur sondern auch der Durchmesser der Deckfläche zur Überprüfung der Abformgenauigkeit. Ergebnisse Im Rahmen dieser systematischen und umfassenden experimentellen Untersuchungen konnten folgende Erkenntnisse gewonnen werden: ![]() Abb. 3: Steigende Wärmeübergangskoeffizienten mit zunehmender Zylinder- bzw. Werkzeugtemperatur bei einer Einspritzgeschwindigkeit von 50 mm/s
KUZ - Kunststoff-Zentrum in Leipzig gGmbH Erich-Zeigner-Allee 44 Tel.: +49 (0) 341 4941-500 Internet: www.kuz-leipzig.de |
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