title: Prozess- und werkstoffbedingte Verarbeitungsgrenzen thermoplastisch amorpher Dünnwandbauteile
Creators: name: Roth, Benedikt
Publisher: name: Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg (FAU)
Year: 2024
Subjects: subject: Spritzprägen
subject: Dynamische Temperierung
subject: Polycarbonat
subject: Fließgrenze
subject: Dünnwandtechnik

description: Im Zuge der Miniaturisierung von Kunststoffbauelementen in den stetig wachsenden Anwendungsfeldern Elektronik, Optik und Medizintechnik gewinnt die Mikrofertigungstechnik zunehmend an Bedeutung. Der steigende Bedarf an Bauteilen, wie zum Beispiel Mikrofluidikchips, welche eine oftmals komplex dreidimensionale Oberflächenstrukturierung bei gleichzeitig geringstmöglicher Wandstärke aufweisen müssen, stellt jedoch hohe Anforderungen an den zugrundeliegenden Fertigungsprozess des Spritzgießens. Die Herausforderungen im konventionellen Spritzgießen von Mikro- und Dünnwandbauteilen liegen in einer verringerten Oberflächenabformung oder unzureichender Formfüllung, geringer Dimensionsstabilität und Maßhaltigkeit sowie Verzug und Anisotropie durch Eigenspannungen und Orientierungen. Der hier vorgestellte Lösungsansatz sieht vor, durch die Kombination eines Spritzprägeprozesses mit einer dynamischen Werkzeugtemperaturführung die Fließfähigkeit der Schmelze zur Abformung von Oberflächenstrukturen weitestgehend aufrecht zu erhalten und über eine homogene Druckverteilung innerhalb der Kavität eine maximale Toleranzgüte bei gleichzeitig reduzierter innerer Anisotropie über die gesamte Bauteillänge sicherzustellen. Das Ziel dieser Arbeit ist die Erforschung der prozess- und werkstoffbedingten Verarbeitungsgrenzen amorpher Thermoplaste zur Ableitung eines Prozessfensters für die Herstellung dünnwandiger und oberflächenstrukturierter Bauteile im dynamisch temperierten Spritzprägen. Hierzu wird zunächst ein umfangreiches Materialverständnis zum Fließ- und Erstarrungsverhalten eines Polycarbonats auf Basis thermoanalytischer Verfahren geschaffen. Durch die Implementierung der Materialdaten in ein Werkstoffmodell wird der Prozess anschließend numerisch betrachtet. Über gezielte Verarbeitungsversuche unter Variation der Scherung, der Schmelzetemperatur und des Werkzeuginnendrucks werden die Erkenntnisse der Werkstoffcharakterisierung und Prozesssimulation mit den Bauteileigenschaften Abformung, Maßhaltigkeit sowie Eigenspannungen und Orientierungen verknüpft und hieraus eine Prozessstrategie zur Optimierung der Zielgrößen abgeleitet.
description: In the course of miniaturization of polymer components in the steadily growing application fields of electronics, optics and medical engineering, micro-manufacturing technologies are becoming increasingly important. However, the rising demand for components such as microfluidic chips, which often require complex three-dimensional surface structuring with the smallest possible wall thickness, places high demands on the underlying manufacturing process of injection molding. The challenges of this process involve reduced replication quality or short shots, low dimensional stability and dimensional accuracy, as well as warpage and anisotropy due to residual stresses and orientations. The presented approach is to combine an injection-compression molding process with dynamic mold temperature control in order to maintain the flowability of the melt for the molding of surface structures and to ensure maximum tolerance quality with simultaneously reduced internal anisotropy over the entire part length by means of a homogeneous pressure distribution within the cavity. The aim of this work is to investigate the process- and material-related processing limits of amorphous thermoplastics in order to derive a process window for the production of thin-walled and surface-structured components in injection-compression molding with dynamic mold temperature control. To this end, a comprehensive material understanding of the flow and solidification behavior of a polycarbonate is created on the basis of thermoanalytical methods. By implementing the generated data in a material model, the process is then analyzed by means of a numerical simulation. The findings of the material characterization and process simulation are linked to the component properties of replication quality, dimensional stability, residual stresses and orientations by means of processing experiments with variations in shear, melt temperature and cavity pressure and a process strategy for optimizing the target variables is derived from this.