Mikrospritzprägen Maschinendynamik macht Mikrospritzprägen möglich

Autor / Redakteur: Steffen Jacob / Peter Königsreuther

Bei der Herstellung besonders kleiner Teile aus Kunststoff nutzen manche Anwender das Mikrospritzprägen. Es ist aufgrund einiger besonderer Aspekte aber nicht sehr verbreitet. Im Vergleich zum Spritzgießen kann es aber gewisse Vorteile ins Feld führen.

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Mit den Möglichkeiten zum Mikrospritzprägen können spannungsarme Miniatur-Optiken aufgebaut werden, wie der hier platzierte Bericht über die entsprechenden Forschungsarbeiten am KUZ Leipzig belegt.
Mit den Möglichkeiten zum Mikrospritzprägen können spannungsarme Miniatur-Optiken aufgebaut werden, wie der hier platzierte Bericht über die entsprechenden Forschungsarbeiten am KUZ Leipzig belegt.
(Bild: Jakob)

Die etablierte Mikrospritzgießtechnik bietet heute zwar die Möglichkeit der Kontrolle über die Formfüllung einer Mikrokavität mit geringen Schussvolumina, jedoch führt das Spritzprägen von Mikroformteilen fast ein Schattendasein: Das sehr enge Zeitfenster, das zur Druckbeaufschlagung der Kunststoffschmelze vor deren Erstarrung offen steht, sowie die Forderung nach einer sehr exakten und sensiblen Regelung des relativ kleinen Prägehubs in einem sehr dynamischen Prozessablauf, begründen diesen Umstand.

Absolut flächiges Nachdruckverhalten

Mikrospritzgießen stellt eines der wichtigsten Verfahren zur Herstellung von mikrostrukturierten Bauteilen und singulären Mikroteilen aus Polymeren dar. Jedoch gibt es Nachteile: vor allem durch Werkzeuginnendruck-Unterschiede, die zu Einfallstellen, Bauteilverzug, Anisotropien oder auch zur Schädigung von zu umspritzenden Einlegeteilen führen. Um dieses Problem zu umgehen, setzt man in der klassischen Spritzgießfertigung das Spritzprägen zusätzlich ein. Dabei wird beim Spritzgießen bei partiell geöffnetem Werkzeug ein definierte Preform in der Kavität generiert, der anschließend mit einem Kompressionsformprozess zum fertigen Bauteil ausgeformt wird.

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Der Hauptvorteil beim Spritzprägen ist das flächige Nachdruckverhalten beim Verpressen der Kunststoffschmelze im Werkzeug. Der wesentlich gleichmäßigere Werkzeuginnendruck kann die Schwindung der Schmelze lokal gleichmäßiger kompensieren. Der dazu nötige Forminnendruck ist geringer und das frühzeitigere Füllen der Kavität reduziert Schließkraft und Zykluszeit. Zusätzlich können der geringere Füll- und Nachdruck innere Spannungen und Orientierungen bei optischen oder verstärkten Bauteilen mindern, was die Langzeitmaßtoleranz verbessert sowie die Verzugsneigung senkt. Kleinste Oberflächenstrukturen können über den Bauteilquerschnitt homogener abgebildet werden.

Für Kunststoffmikrooptiken hoher Abbildungsgüte, wie etwa anspruchsvolle Applikationen in der Mess- und Medizintechnik, sind Bauteilspannungen oft schwer zu beherrschen. Innere Spannungen und Molekülorientierungen in spritzgegossenen Kunststoffoptiken verursachen Doppelbrechungseffekte, die zu störenden Polarisations- und damit zu Transmissionseffekten führen, die nicht immer auf Deformationen der Formteile beruhen.

Spezielle Kolbenspritzeinheiten als Basis

Ziel eines durch das Bundesministerium für Wirtschaft und Technologie geförderten Forschungsprojektes an der Kunststoff-Zentrum in Leipzig gGmbH (KUZ) war es, durch neuartige Methoden, das Spritzprägen zur Mikroformteilfertigung näher zu untersuchen. Die technische Basis der Arbeiten bildete eine modulare Maschinenplattform mit Kolbenspritzeinheiten des Typs „formicaplast“, die am KUZ dafür entwickelt wurde (Bild 2). Ein vertikaler Maschinenaufbau mit servoelektrischen Antrieben stand außerdem zur Verfügung.

Bezug nehmend auf die Bewegungsachsen von Spritzgießmaschinen wird in der Werkzeugtechnik zwischen dem sogenannten Haupt- und dem Nebenachsenprägen unterschieden. Die Schließbewegung des Werkzeuges ist als Hauptachse definiert, Kernzüge und Auswerferbewegungen werden den Nebenachsen zugeordnet. Beim Hauptachsenprägen beeinflusst die Bewegung der Schließeinheit das Kavitätsvolumen. Traditionelle Werkzeuge dichten dabei die Kavität über eine Tauchkante ab: beide Werkzeughälften schieben sich über die Schließbewegung ineinander und die Kavität wird so nach außen hin abgedichtet. Bei einer weiteren Prägevariante ist das Werkzeug vollständig geschlossen. Über eine Nebenachse, in diesem Falle der Auswerferantrieb, wird dabei das Teilevolumen über bewegliche Bereiche (Prägekerne) innerhalb der Kavität verändert. Die in Bild 3 dargestellten Prägevarianten wurden werkzeug- und verfahrenstechnisch für die Tests umgesetzt.

Für das Haupt- und Nebenachsenprägen wurden unterschiedliche Prozessabläufe in der Maschinensteuerung als Sonderfunktion implementiert. Variable Funktionalitäten, wie ein simultanes oder sequenzielles Prägen und auch der frei definierbare Start des Prägevorgangs (etwa zeitabhängig, abhängig vom Einspritzweg, werkzeuginnendruck- oder spritzdruckabhängig), bieten für diese Versuche optimale Verfahrensmöglichkeiten zur Verbesserung der Formteileigenschaften des Spritzlings.

Die Maschinendynamik muss stimmen

Das Nebenachsenprägen erforderte die Implementierung eines neuen servoelektrischen statt des elektrischen Auswerferantriebes. Zum Einsatz kam ein Hohlwellenantrieb mit Harmonicdrive-Untersetzung und Planetenrollen-Gewindetrieb. Diese Kombiniation garantiert eine hohe Steifigkeit gepaart mit hoher Wegauflösung und Dynamik, was schnelle, präzise Prägehübe ermöglicht, wie sie für das Vorhaben nötig sind. Das Demonstratorteil A ist eine Rechtecklinse, die zum Vergleich der Prozessvarianten Haupt- und Nebenachsenprägen dient. Das Werkzeug wurde für diese Versuche als Zweifachwerkzeug mit Tauchkante um die Formteilkontur und einen beweglichen Konturkern im Bereich der optisch aktiven Fläche ausgeführt. Die Kontur entspricht einer dünnwandigen Rechtecklinse mit den Außenmaßen von 5 mm × 3 mm. In einem der beiden Konturfächer wurde eine Dummy-Kavität mit integriertem Werkzeuginnendruck-Sensor im beweglichen Konturkern integriert. Teil B wurde werkzeugtechnisch nur für das Nebenachsenprägen mittels Prägekern auf der optisch aktiven Fläche ausgelegt. Die Formteile entsprechen in den Abmaßen typischen rotationssymmetrischen Mikrolinsen im Durchmesser von 5 mm.

Das Spritzprägen dünnwandiger Mikrokavitäten stellt dabei eine besondere Herausforderung hinsichtlich der Maschinendynamik dar: Durch das rapide Erkalten der Fließfront, kann sich eine Druckbeaufschlagung des Schmelzekuchens (Preform) bei Teilfüllung der Kavität sehr nachteilig auf die Bauteileigenschaften auswirken. Bei unzureichender Prozessdynamik sind Oberflächendefekte und eigentlich vermeidbare innere Spannungen und Orientierungen die Folge.

Spannungsarme Linsen im Visier

Deshalb werden Mikroteile meist erst nach der vollständigen Füllung der Kavität geprägt. Die Dynamik der fomicaplast lässt jedoch auch eine Teilfüllung der Kavität zu, um mit dem Prägedruck ein Preform zum Formteil auszuformen. Das setzt auch eine reproduzierbare, präzise Dosierung der Kunststoffschmelze voraus. Die Möglichkeit von simultanen Bewegungen zwischen Einspritzkolben und Prägeantrieb, die ab bestimmten Weg- oder Druckpunkten parallel ablaufen können, lässt dabei viel Spielraum bei der Prozessoptimierung.

Vergleichende Untersuchungen von spritzgegossenen und spritzgeprägten Chargen der Rechtecklinse zeigten deutlich reduzierte Doppelbrechungseffekte für die im Tauchkantenwerkzeug gefertigten Teile (Bild 1). Die geprägten Teile formten die optische Kavität außerdem geometriegetreuer ab. Qualitative Aussagen zu Eigenspannungen und Orientierungen wurden über die Betrachtung der Doppelbrechungseffekte mit vergleichender Polarisationsmikroskopie möglich.

Das regionale Kernprägen dient dazu, die unter Druck stehende Kontur geometrisch exakt und spannungsarm abzuformen. Nicht beeinflusste Randregionen können durchaus spritzgießtypische Fehlerbilder aufweisen, werden aber auch durch während des Prägens zurückfließendes Material beeinflusst. In Bild 6 ist der typische Druck-Temperatur-Werkzeugweg-Verlauf im Prägezyklus fest gehalten. Die gestrichelten Linien vergleichen die Druck- und Temperaturverhältnisse mit dem Spritzgießen. Eine Beeinflussung der spannungsbedingten Doppelbrechungseffekte der dickwandigen Zylinderlinsen ist mittels Polarisationsmikroskopie auch hier gut zu erkennen. Bild 7 zeigt klar, dass eine zu hohe Prägekraft, die positiven Effekte des Spritzprägens zunichte machen kann.

Fazit der Untersuchungen

Die Arbeiten haben gezeigt, dass auch bei sehr kleinen Kavitäten das Prägen machbar ist. Dieses bietet bei der Fertigung von Mikroteilen reproduzierbare Konturen mit einer hervorragenden Oberflächenqualität und Konturtreue sowie deutlich reduzierten Orientierungen und inneren Spannungen. Die Haupteinflussfaktoren sind die Parameter Prägegeschwindigkeit, -weg und -kraft. Alle aus der konventionellen Spritzgießtechnik bekannten Prägeverfahren sind also im kleinen Maßstab machbar und ergo für Mikroteile geeignet. Jedoch setzt der Erfolg eine sehr dynamische Prozessregelung seitens der Maschine voraus. Das KUZ ist auch ein Aussteller auf der Fakuma in der Halle B3 am Stand 3006. MM

* Dipl.-Ing. Steffen Jacob ist wissenschaftlicher Mitarbeiter im Bereich Mikrokunststofftechnik bei der Kunststoff-Zentrum in Leipzig GmbH in 04229 Leipzig, Tel. (03 41) 49 41-7 63, jacob@kuz-leipzig.de, www.kuz-leipzig.de

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