Sensorik für die Herstellung naturfaserverstärkter Kunststoffe

Sensorik für die effiziente Herstellung naturfaserverstärkter Kunststoffe

Spritzgussanlage mit drei integrierten sensorischen Einsätzen im Werkzeug.
© Fraunhofer IST, Eike Meyer-Kornblum

Spritzgussanlage mit drei integrierten sensorischen Einsätzen im Werkzeug.

Holzfaserverstärktes Spritzgussteil, noch in Kontakt mit den Sensorsystemen.
© Fraunhofer IST, Eike Meyer-Kornblum

Holzfaserverstärktes Spritzgussteil, noch in Kontakt mit den Sensorsystemen.

Gegenüberstellung charakteristischer Spannungsverläufe mit unterschiedlichen Stadien der Spritzgussergebnisse. Das am besten ausgeformte holzfaserverstärkte Bauteil (2. v. l.) wurde mit der größten Spannungsänderung aller Sensorstrukturen hergestellt.
© Fraunhofer IST, Saskia Biehl

Gegenüberstellung charakteristischer Spannungsverläufe mit unterschiedlichen Stadien der Spritzgussergebnisse. Das am besten ausgeformte holzfaserverstärkte Bauteil (2. v. l.) wurde mit der größten Spannungsänderung aller Sensorstrukturen hergestellt.

Das Integrieren von nachwachsenden Rohstoffen in Kunststoffe ist aus mehreren Perspektiven ein sehr wichtiges Entwicklungsziel der heutigen Zeit. Aus ökologischer Sicht kann so dem immer größer werdenden Anteil an Plastikmüll begegnet werden, da naturfaserverstärkte Kunststoffe recycelbar sind. Aus ökonomischer Sicht werden wirschaftlich interessante neue Materialverbunde entwickelt, welche z. B. für die Automobilindustrie und den Leichtbau von großem Interesse sind. Bei der Herstellung solcher natur­faserverstärkten Kunststoffteile im Spritzgussverfahren entsteht jedoch ein erhöhter Verschleiß im Extruderbereich und im Werkzeug, der wiederum zu kürzeren Standzeiten führt und so die Prozesskosten stark ansteigen lässt. Innerhalb des Cornet-Projekts »Smart NFR« werden daher neuartige multifunktionale Schichtsysteme entwickelt, welche der Verschleißreduzierung am Werkzeug und Extruderbereich der Kunststoffspritzgussanlage dienen. Darüber hinaus soll der Prozess durch die Integration von am Fraunhofer IST entwickelten thermoresistiven und piezoresistiven Dünnschichtsensorstrukturen in das Schichtsystem optimiert werden.

Herstellung des sensorischen Dünnschichtsystems

Auf Stahleinsätzen, die leicht in das Spritzgusswerkzeug eingebaut werden können, wird als Grundschicht die piezoresistive und verschleißbeständige DiaForce®-Schicht in einer Dicke von 6 µm homogen abgeschieden. Darauf werden einzelne Elektrodenstrukturen aus Chrom platziert, sodass sie im Kontaktbereich der Kunststoffschmelze liegen. Es folgen zwei elektrische Isolationsschichten aus Aluminiumoxid bzw. SICON®, zwischen denen sowohl die Leiterbahnen von den Elektroden zu den Kontaktierungsbereichen als auch ein Temperatursensor in Mäandergeometrie aus Chrom gefertigt werden. Das gesamte Schichtsystem weist eine Dicke von etwa 10 µm auf. Ein Werkzeugeinsatz mit einem vollständigen Schichtsystem, bei dem Aluminiumoxid sowohl als elektrische Isolationszwischenschicht als auch als Deckschicht abgeschieden wurde, ist in der Abbildung oben dargestellt. Die beiden kreisförmigen Bereiche stellen die piezoresistiven Sensorbereiche dar, die von der mäanderförmigen Struktur des Temperatursensors halb umschlossen werden.

Erprobung der sensorischen Schichtsysteme

An der Tomas Bata Universität im tschechischen Zlin wurden drei Einsätze mit sensorischen Dünnschichtsystemen in das Werkzeug der Spritzgussanlage der Firma Arburg (Allrounder 470 H) eingebaut und mit unterschiedlichen naturfaserverstärkten Kunststoffen getestet. Die einzelnen Systeme weisen unterschiedliche Färbungen auf. Ursache dafür sind die verschiedenen Isolationsschichten (vgl. nebenstehende Abbildung oben): Im Fall des linken Einsatzes wurden jeweils SICON®-Schichten als Zwischen- und als Deckschicht abgeschieden. Bei den beiden rechts angeordneten Einsätzen wurde hingegen das transparente Aluminiumoxid als verschleißschützende Isolationsschicht verwendet. Die Abbildung in der Mitte zeigt ein Spritzgussteil nach dem Öffnen der Anlage, das noch in Kontakt mit den Sensorsystemen ist. Anhand der Spannungsverläufe der einzelnen Dünnschichtsensor­strukturen kann bereits während des Spritzgussprozesses erkannt werden, ob ein Gutteil gefertigt wird oder nicht (vgl. nebenstehende Abbildung unten). Die Dünnschichtsysteme zur Detektion wurden bisher in mehr als 500 Spritzgussprozessen mit unterschiedlichen faserverstärkten Kunststoffen eingesetzt, ohne dabei zu verschleißen.

Das Projekt

Die beschriebenen Ergebnisse wurden innerhalb des Projekts »Smart coating systems for process control and increased wear resistance in processing of natural fibre reinforced polymers«, kurz: Smart NFR, erzielt, an dem das Fraunhofer IST gemeinsam mit dem Fraunhofer-Institut für Werkzeugmaschinen und Umformtechnik IWU und der tschechischen Universität Tomas Bata in Zlin arbeitet.

 

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