Heizleiter zur lokalen Temperierung von Mikrokunststoff-Spritzgusswerkzeugen

Heizleiter zur lokalen Temperierung von Mikrokunststoffspritzgusswerkzeugen

Beim Spritzgießen von Formteilen mittels thermoplastischer, duroplastischer oder elastomerer Werkstoffe kann es zu Defekten bzw. Mängeln in der Oberflächenqualität des Kunststoffformteils kommen. Darüber hinaus entstehen aber auch vielfach Fehler, wenn der erhitzte Werkstoff durch den Kontakt mit der kälteren Werkzeugwand ungleichmäßig erstarrt und sich dadurch seine Fließfähigkeit zu schnell verringert. Da die zu schnell abkühlende Schmelze nicht alle Werkzeughohlräume ausfüllt, ist z. B. die Herstellung optischer Formteile, die Abformung von Mikrostrukturen oder die Fertigung dünnwandiger Teile nicht möglich. Vor allem im Bereich des Miniatur- und Mikrospritzgusses stellt dies ein großes Problem dar. Das Fraunhofer IST verfolgt daher den Ansatz, über speziell für den Einsatz im Spritzgusswerkzeug entwickelte Dünnschichtheizelemente die Kontaktfläche der Werkzeugwandung zur Kunststoffschmelze direkt zu beheizen und damit eine qualitativ hochwertige Konturabformung während des Spritzgussprozesses zu erzielen.

Herstellung des sensorischen Dünnschichtsystems

Zu Beginn des Entwicklungsprozesses wurden zunächst Grundkörper aus Keramik mit Heizstrukturen aus Kupfer aufgebaut. In einem zweiten Schritt wurden dann Stahlgrundkörper verwendet, die mit elektrischen Isolationsschichten aus Al2O3 homogen beschichtet und anschließend mit den Heizstrukturen versehen wurden. Sowohl die elektrischen Isolationsschichten als auch die Kupferschicht wurden mittels physikalischer Gasphasenabscheidung gefertigt. Während des Entwicklungsprozesses wurden am Fraunhofer IST Heizstrukturen in unterschiedlichen Schichtdicken und Designs strukturiert. Es zeigte sich, dass mit komplexeren mäanderförmigen Heizstruktur deutlich höhere Heizleistungen erzielt werden können als beispielsweise mit flächigen Strukturen. Ein erstes Mikrospritzgusswerkzeug mit einer solchen Heizstruktur ist in der Abbildung oben dargestellt. Für die Fertigung wurde ein neuer Strukturierungsprozess entwickelt, der aus einer Kombination von Photolithographie, Laserstrukturierung und nasschemischem Ätzen besteht.

Nachweis der Funktionstüchtigkeit der Heizstrukturen

Um die Funktionstüchtigkeit der Heizstrukturen nachzuweisen, wurden diese am Kunststoff-Zentrum in Leipzig gGmbH (KUZ) mit einer Kontaktierung versehen und in einem Testaufbau bestromt. Dabei konnte je nach Ausführung der Heizstruktur in Abhängigkeit vom erreichten Widerstand eine hohe Dynamik in den erzielten Heizraten nachgewiesen werden. So war z. B. eine Temperaturerhöhung um 100 K von einem Temperaturniveau von 100 °C auf 200 °C innerhalb einer Sekunde bei einer Leistung von ca. 120 W (Bestromung mit Schutzkleinspannung von 30 V) möglich. In einem zweiten Versuchsaufbau konnten darüber hinaus erfolgreich Dauerversuche mit den o. g. Parametern mit ca. 60 000 Lastzyklen durchgeführt werden. Eine Schädigung der Schicht war auch nach den Dauerversuchen nicht festzustellen. Somit ist eine generelle Eignung für den ersten Einsatz der Heizschichten unter Spritzgussbelastung gegeben.

Ausblick

Ziel des Fraunhofer IST ist es, in einem nächsten Schritt die Heizstrukturen mit einer abschließenden Verschleißschutzschicht zu versehen und gemeinsam mit dem Kunststoff-Zentrum in Leipzig gGmbH (KUZ) die Langzeitstabilität der Strukturen zu untersuchen. Im Rahmen der »FuE-Förderung gemeinnütziger externer Forschungseinrichtungen in Ostdeutschland (INNO-KOM-OST) – Modul Marktorientierte Forschung und Entwicklung (MF)« wird dieses Vorhaben auch weiterhin vom Bundesministerium für Wirtschaft und Technologie (BMWi) gefördert.

 

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