Sensorik für den Kunststoffspritzguss

Verschleißbeständige Dünnschichtsensorsysteme spielen in den unterschiedlichsten Anwendungen gerade im Bereich von Echtzeiterfassung von Prozessdaten eine immer größere Rolle. Ziel des EU-Projekts »Sensorized Future« war es deshalb u. a. ein sensorisches Dünnschichtsystem aufzubauen, das simultan während des Kunststoffspritzgussprozesses sowohl die Kraft- wie auch die Temperaturverteilung auf der Spritzgusswerkzeugoberfläche erfasst. Dafür wurden am Fraunhofer IST einzelne Sensormodule entwickelt, die in das Werkzeug passgenau integriert werden können.

Dünnschichtsensorsystem mit Antihafteigenschaft für Kunststoffe

Am Fraunhofer IST wurde ein Dünnschichtsensorsystem aus folgenden Funktionsschichten auf einem Grundkörper aus Stahl entwickelt:

  • die piezoresistive Sensorschicht (Material: DiaForce®, d ~ 6 µm),
  • einer lithographisch strukturierten Metallschicht (Material: Chrom, d ~ 250 nm) und
  • einer Isolations- und Verschleißschutzschicht, die gleichzeitig noch sehr gute Enthaftungseigenschaften gegenüber der Kunststoffschmelze aufweist (Material: SiCON®, d ~ 3 µm).

Die zu behandelnden Oberflächen werden in einer plasma­unterstützten chemischen Gasphasenabscheidung (PACVD) mit der piezoresistiven und tribologisch beständigen Kohlenwasserstoffschicht DiaForce® in einer Dicke von 6 µm beschichtet. Die Sensorschicht weist eine Härte im Bereich von 24 GPa und einen Reibwert gegen Stahl im Bereich von 0,17 auf. Um lokal Belastungen messen zu können, werden einzelne kreisförmige Elektrodenfelder aus Chrom auf der Sensor­schicht mittels physikalischer Gasphasen­abscheidung (PVD) in Kombination mit Photolithographie und nasschemischer Ätzung gefertigt. Die Chromschicht weist eine Dicke im Bereich von 0,2 µm auf. Lokal wird eine 1,5 µm dicke elektrische Isolationsschicht aus einer mit Silizium und Sauerstoff modifizierten Kohlenwasserstoffschicht abgeschieden. Auf diese Isolationsschicht wird in einem zweiten PVD-Prozess eine weitere 0,2 µm dicke Chromschicht aufgetragen. Diese wird im Anschluss strukturiert, sodass sie zum einen Mäanderstrukturen aufweist, die zur Temperaturmessung verwendet werden. Zum anderen sind Leiterbahnen von den zur Kraftmessung bereits gefertigten Elektrodenstrukturen hin zum Kontaktierungsbereich enthalten. Die Sensorstrukturen müssen vor Verschleiß geschützt werden, weshalb zusätzlich eine abschließende 3 µm dicke Deckschicht aus einer weiteren mit Silizium und Sauerstoff modifizierten Kohlenwasserstoffschicht abgeschieden wird.

Integration der Sensormodule in die Kunststoffspritzgussanlage

Die Verschleißbeständigkeit der sensorischen Dünnschichtsysteme wurde in der Spritzgussanlage am Forschungsinstitut Sirris in Belgien untersucht. Dabei wurden die Kunststoffe Polycarbonat (PC) und Acrylnitril-Butadien-Styrol (ABS) als Testkunststoffe verwendet. Die Werkzeugtemperatur betrug bei den Versuchen 60 °C und die Kunststoffschmelze wies eine Temperatur von 230 °C auf. Der Einspritzvorgang dauerte jeweils 1,8 s und ein maximaler Druck von 1000 bar wurde für 3 s gehalten, bevor eine Abkühlphase von 25 s folgte. Es wurden mehrere hundert Spritzgussprozesse mit jedem Kunststoff durchgeführt und im Anschluss daran die Sensoroberflächen analysiert. Sie wiesen absolut keine Verschleißspuren auf.

Das Projekt

Die beschriebenen Ergebnisse wurden innerhalb des Projekts SensoFut (Sensorized Future – Sensing of temperature and pressure in harsh environments) erzielt, an dem das Fraunhofer IST gemeinsam mit dem Fraunhofer-Institut für Werkzeugmaschinen und Umformtechnik IWU, und der belgischen Forschungsvereinigung Sirris arbeitete. SensoFut wurde im 13. Cornet Call (Collective Research Networking) durch das Bundesministerium für Wirtschaft und Energie (BMWI) und der Arbeitsgemeinschaft industrieller Forschungsvereinigungen (AiF) gefördert.