Spritzguss Simulation – auch eine Möglichkeit für den Mikrospritzguss?

Autor / Redakteur: Cindy Löser / Nora Nuissl

Computer- und softwaregestützte Simulationen, welche die Entstehung oder das Verhalten eines realen Bauteils möglichst genau vorhersagen, werden seit Jahren auch im Spritzgussbereich eingesetzt, um Fehler im Teil und Probleme im Vorfeld zu erkennen. Bald kann vielleicht auch der Mikrospritzguss davon profitieren.

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Bild 1: Die Mikrostrukturen befinden sich in drei Formeinsätzen in der düsenseitigen Formplatte. Die Abformqualität wird mit einem konfokalen Weißlichtmikroskop untersucht.
Bild 1: Die Mikrostrukturen befinden sich in drei Formeinsätzen in der düsenseitigen Formplatte. Die Abformqualität wird mit einem konfokalen Weißlichtmikroskop untersucht.
(Bild: Kunststoff-Zentrum Leipzig)

Beim Makrospritzgießen ist es üblich, den Prozess zu simulieren, um schneller zu optimalem Produktdesign und Fertigungsparametern zu kommen. Diese Möglichkeit ist aktuell noch nicht zuverlässig auf den Mikrobereich übertragbar. Denn bei Formteilen mit sehr kleinen Wanddicken zeigen Untersuchungen ungenaue Ergebnisse in Bezug auf die Formfüllung und resultierende Druckverluste. Das liegt zum einen an unpräzisen Materialdaten und zum anderen an der unzureichenden Formulierung der erforderlichen vor allem thermischen Randbedingungen.

Spezialwerkzeug erleichtert Variation der Formteildicke für Versuche

Beim Mikrospritzgießen werden diese Randbedingungen umso wichtiger, als mit wachsendem Miniaturisierungsgrad das Verhältnis von Oberfläche zu Volumen des Formteiles steigt und der Einfluss der thermischen Verhältnisse zwischen Werkzeug und Formteil auf das Füll- und Abkühlverhalten entsprechend zunimmt. Im Rahmen eines Forschungsprojektes wurden am Kunststoff-Zentrum in Leipzig (KuZ) systematische Untersuchungen an mikrostrukturierten Formteilen in Bezug auf die Korrelation zwischen Simulationsergebnissen und der Formfüllung der mikrostrukturierten Formteile in der Realität durchgeführt. Das Prozessverständnis des Mikrospritzgießens sollte so grundlegend untermauert werden. Auch die Qualifizierung von Zusammenhängen zwischen Prozessparametern beim Spritzgießen und dabei erreichter Abformqualität der Mikrostrukturen war ein Ziel, ebenso wie die Übertragung der Vorteile der Spritzgießsimulation für Makroformteile auf die Mikrotechnik.

Sensoren zeichnen wichtige beim Spritzgießen entstehende Prozessgrößen auf

Für die Umsetzung wurde eine komplexe Strategie entwickelt, die zahlreiche Sensoren für die Aufzeichnung der wichtigsten beim Spritzgießen entstehenden Prozessgrößen verwendet. Dabei ist nicht nur der Werkzeuginnendruck an verschiedenen Stellen der Kavität, sondern auch der Druckverlauf im Einspritzzylinder aufgrund der Kompressibilität der Schmelze und aufgrund des daraus resultierenden Volumenstroms beim Einspritzen von besonderer Bedeutung.

Das speziell für die Mikrospritzgieß-Maschine Formica-Plast entwickelte Mikrofließstab-Werkzeug ermöglicht die einfache Änderung der Formteildicke im Bereich von 0,2 bis 1,0 mm. Die Formteildicke beeinflusst die Druck- und Abkühlverhältnisse in der Schmelze und so die Strukturabformung. Die Abformgenauigkeit wird mithilfe von auf dem Fließstab angeordneten, zylindrischen Strukturen (Durchmesserbereich: 100 bis 200 μm, Höhe: 150 μm) untersucht. Die drei Mikrostrukturbereiche befinden sich in verschiedenen Abständen zum Anguss. Das Spritzgießwerkzeug ermöglicht die Variation der Wanddicke in vier Stufen über austauschbare Leisten. Sensoren und Mikrostrukturen bleiben bei der Wanddickenänderung unverändert.

Das Werkzeugkonzept charakterisiert sich folgendermaßen:

  • Die Mikrostrukturen liegen in den drei Formeinsätzen der düsenseitigen Formplatte. Sie sind als Durchgangslöcher mit angrenzendem Kern gefertigt, sodass die Kavität gut entlüftet ist und sich die feinen Strukturen optimal abbilden.
  • Die Thermofühler sind in einem düsenseitigen Formeinsatz fixiert und werden zwischen Form- und Aufspannplatte aus dem Werkzeug geführt. Das hält sie auch bei der Wanddickenvariation in konstanter Position.
  • Die Drucksensoren liegen auswerferseitig im Bereich der Mikrostrukturen.
  • Heizung und Temperierung befinden sich kavitätsnah im Werkzeug.
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Mithilfe des konfokalen Weißlichtmikroskops Confocam C301 von Confovis wurde die Abformtreue geprüft: Diese ist optimal, wenn der obere Durchmesser der Mikrostrukturen scharfkantig und die Deckfläche nicht kuppelartig, sondern als flache Ebene erscheint. Ausgewertet wurde sowohl die Strukturhöhe als auch der Durchmesser der Deckfläche.

Neues Messverfahren bestimmt praxisrelevante Prozessgrößen

Die Untersuchungen führten zu folgenden Ergebnissen: Mit dem neuen Messverfahren und mittels spezieller Sensortechnik können praxisrelevante Prozessgrößen bestimmt werden. Die Methode des Reverse Engineering und die daraus resultierende Bestimmung des Wärmeübergangskoeffizientens, konnte im Rahmen des Projektes auch für Materialien wie PA6 und PMMA sowie eine noch nicht untersuchte Mikroformteilgeometrie nachgewiesen werden. Für die in Bild 4 gezeigten Druck-Füllgrad-Beziehungen von vier Versuchspunkten steigen die Wärmeübergangskoeffizienten mit zunehmender Zylinder- und Werkzeugtemperatur. Der Werkzeuginnendruck ist aufgrund steigender Temperaturen geringer. Beim Erstkontakt zwischen Schmelze und Werkzeug spielt die Viskosität eine große Rolle. Höhere Temperaturen bedeuten, dass die niedrig viskose Schmelze einen engeren Kontakt mit der Werkzeugwand hat und der Wärmeübergang zwischen Schmelze und Werkzeug steigt.

Der Einfluss verschiedener Wandstärken bei gleicher Formteilgeometrie auf die Abformqualität ist eindeutig. Wegen des höheren Werkzeuginnendrucks bei kleineren Wandstärken zeigen sich fast unabhängig von den Prozesseinstellungen scharfkantige Mikrostrukturen. Die Abhängigkeit steigt mit der Wandstärke an. Bei einer Wandstärke von 1,0 mm ist nicht nur der Einfluss der Einstellparameter auf die Abformung am größten, sondern auch die Entfernung der Mikrostrukturen vom Anguss. Wird die Massetemperatur erhöht, erzielt man keine bessere Mikrostrukturabformung. Steigt aber die Werkzeugtemperatur an, so ist eindeutig ein Einfluss erkennbar: Die Oberflächen sind bei höheren Werkzeugtemperaturen in allen drei Strukturbereichen gut wiedergegeben.

Darstellung teilgefüllter Mikrostrukturen mithilfe der Spritzgießsimulation

Erstmals konnten auch teilgefüllte Mikrostrukturen mithilfe der Spritzgießsimulation dargestellt werden. Die experimentell ermittelte Fließfrontgeschwindigkeit wurde dabei als ein entscheidender Parameter dafür bestimmt, warum praktisch teilgefüllte Mikrostrukturen in der Spritzgießsimulation oft als gefüllt deklariert werden.

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