Das Potenzial des Spritzgießens reicht für adaptronische Systeme

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Fraunhofer Institut für Keramische Technologien und Systeme (IKTS)

LANXESS AG

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Um die Fertigungsrisiken beim Spritzgießen zu minimieren, wurden folgende Schritte ausgeführt:

Es wurden Kunststoffe ausgewählt, deren Haftung auf den Oberflächen der adaptronischen Einzelkomponenten geprüft und die geeigneten Prozessbedingungen ermittelt.
Das Design der Prototypen einschließlich aller Einzelteile und Verbindungselemente wurde festgelegt. Anschließend fand die Konstruktion der Komponenten und Einsätze der Spritzgießform statt.
Schließlich wurden die Form und die Einlegeteile hergestellt, bevor man mit der Herstellung und Charakterisierung der Prototypen begann.

Formschluss oder Hinterschneidung sorgt für die Haftfestigkeit beim Spritzgießen

Zur Prüfung der Haftfestigkeit kamen folgende thermoplastische Kunststoffe zur Anwendung: ABS (Toyolac 250-X10, Hersteller Toray Group, Tokio/Japan), PBT (Pocan B 1600, Lanxess AG, Leverkusen), POM (Hostaform C 13021, Ticona GmbH, Kelsterbach) und Polycarbonat (Makrolon 2800, Bayer Materialscience AG, Leverkusen). Es wurde festgestellt, dass diese weder auf den Oberflächen der Multilayeraktoren noch auf den Metalleinlegern haften. Für eine stabile Polymerbeschichtung sind deshalb im Design der Einlegeteile Formschlusselemente oder Hinterschneidungen vorzusehen.

Die Auswahl der Kunststoffe erfolgte schließlich auf der Grundlage der Verarbeitungsbedingungen. Für alle weiteren Untersuchungen und die Fertigung des Demonstrators wurde der Thermoplast ABS ausgewählt. Dieser Kunststoff hat eine mittlere Schmelztemperatur von etwa 240 °C und rund 0,5% Formschwund.

Elektroniklote können beim Spritzgießen erweichen oder schmelzen

Übliche Elektroniklote können unter der Wärmeeinwirkung der Kunststoffschmelze beim Einspritzen in die Kavität erweichen oder schmelzen. So war zu testen, ob sich Lotverbindungen zur Gestaltung der inneren und äußeren elektrischen Kontakte anwenden lassen. Für diese Tests wurden bei sechs Aktoren an jeder Elektrode jeweils zwei Drähte (AWG 28) angelötet. Dabei kamen zwei verschiedene Lote mit verschiedenen Schmelzpunkten zur Anwendung: ein bleifreies Lot (Sn95.5Ag3.8Cu0.7, TS 217 °C) und ein bleihaltiges Lot (Sn85Pb13.5Ag1.5, TS 301 °C).

Nach dem Umspritzen wurde durch eine Kapazitäts- oder Widerstandsmessung die Funktionalität der Lotkontakte auf einfache Weise überprüft. Keiner der sechs Aktoren ging defekt. Das heißt: Beide Lotsorten halten den für den Kunststoff ABS relevanten Prozessbedingungen stand. Für die Prototypen wurde schließlich das bleihaltige Lot Sn85Pb13.5Ag1.5 eingesetzt.

Mehrere Herausforderungen an einem Spritzgieß-Prototyp demonstriert

Die Möglichkeiten des Kunststoff-Spritzgießens wurden anhand zweier unterschiedlicher Prototypen demonstriert. Der erste Prototyp besteht aus einem Aktor mit Polymerumhüllung und integrierten Metallendkappen (Bild 1 – siehe Bildergalerie). Beim zweiten Musterteil handelt es sich um ein Stellglied mit inhärenter Wegübersetzung, bestehend aus einer Differentialanordnung von zwei Aktoren (Bild 2).

Ziel dieses komplex aufgebauten Verbundbauteils ist die gleichzeitige Demonstration mehrerer technischer Herausforderungen: der Zusammenführung einer Vielzahl von Einzelkomponenten zu einem Verbundelement, der elektrischen Verdrahtung aktiver Komponenten sowie deren elektrische und mechanische Isolation und der Integration eines Steckverbinders als Schnittstelle für die elektrische Ansteuerung.

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