Alterung bei Mikrospritzgießteilen

Einfluss variothermer Werkzeugtemperierung

  • Abb. 1: Herstellung von skalierten 1:8 Zugstäben unter variothermer Prozessführung: Variation der Abkühlbedingungen durch unterschiedliches Aufheizen der Kavität auf 100 °C bzw. 160 °C beim Einspritzen (links). Aufnahme eines variotherm hergestellten Mikrozugstabs (rechts).Abb. 1: Herstellung von skalierten 1:8 Zugstäben unter variothermer Prozessführung: Variation der Abkühlbedingungen durch unterschiedliches Aufheizen der Kavität auf 100 °C bzw. 160 °C beim Einspritzen (links). Aufnahme eines variotherm hergestellten Mikrozugstabs (rechts).
  • Abb. 1: Herstellung von skalierten 1:8 Zugstäben unter variothermer Prozessführung: Variation der Abkühlbedingungen durch unterschiedliches Aufheizen der Kavität auf 100 °C bzw. 160 °C beim Einspritzen (links). Aufnahme eines variotherm hergestellten Mikrozugstabs (rechts).
  • Abb. 2: Analyse der veränderten Morphologie der Prüfkörper nach künstlicher Alterung in Abhängigkeit der Herstellbedingungen. (Lagerung im Umluftofen bei 140 °C für 21 Tage; Mikroskopie: 45° polarisiertes Durchlicht am 10 μm Dünnschnitt bzw. Auflichtmikroskopie an überschnittener und polierter Probe; Probenentnahme im Zugbereich in Fließrichtung)
  • Abb. 3: Analyse der des Kristallisationsgrades bzw. des Carbonylindex der Prüfkörper über den Querschnitt nach künstlicher Alterung in Abhängigkeit der Herstellbedingungen. (Lagerung im Umluftofen bei 140 °C für 21 Tage; FTIR-Spektroskopie am 10 μm Dünnschnitt)
  • Abb. 4: Analyse veränderter mechanischer Eigenschaften nach künstlicher Alterung in Abhängigkeit der Herstellbedingungen (trocken konditioniert).

Im wachsenden Markt der Mikrosystemtechnik gewinnen Klein- und Mikrospritzgussteile aus Kunststoffen stetig größere Bedeutung. Dabei stellen die verschiedensten Anwendungen, z. B. in der Optik, der Elektronik, im Medizin- oder Automotive-Bereich, immer höhere Anforderungen an die Bauteilqualität bei zunehmender Bauteilkomplexität. Mit Verkleinerung der Bauteildimensionen geht meist auch eine Veränderung der Morphologieausbildung und des Gebrauchsverhalten einher. Aktuelle Forschungen untersuchen Möglichkeiten durch angepasste Verarbeitungsprozesse das Gebrauchsverhalten zu begünstigen.

Eigenschaftsbeeinflussung beim Mikrospritzgießen
Die Eigenschaften eines spritzgegossenen Kunststoffbauteils werden neben der Werkstoffwahl und der konstruktiven Bauteilgestaltung in hohem Maße von den Verarbeitungsbedingungen beeinflusst. Mit abnehmender Bauteildimension nehmen höhere Abkühl- und Schergeschwindigkeiten an Bedeutung für die Ausbildung der Morphologie und des Kristallisationsgrades sowie der Aufprägung von Orientierungen und Eigenspannungen zu [1, 2]. Mit abnehmender Bauteilgröße nimmt zudem der Einfluss der gering kristallisierten Randschicht zu, da deren Dicke wenig von der Bauteildicke beeinflusst wird, während die Kernschichtdicke bei kleineren Querschnitten abnimmt [3]. Bei Bauteilen aus teilkristallinen Polymeren haben der Kristallinitätsgrad und die Sphärolithgröße großen Einfluss auf die mechanischen Eigenschaften, wie Festigkeit oder Bruchdehnung [4]. Durch Einwirken von Umgebungsbedingungen, wie bspw. Medien, Strahlung, mechanischer Belastung oder Temperatureinwirkung, können Alterungsprozesse hervorgerufen werden, die die physikalische Struktur oder den chemischen Aufbau der Polymere verändern [5, 6]. Diese Alterungsprozesse können u.a. zu einer Nachkristallisation (physikalische Alterung) führen oder meist durch Einwirken von Sauerstoff zu einer thermisch-oxidativen Reaktion führen. Hierdurch können funktionelle Gruppen, wie Carbonyl-Gruppen, entstehen oder aber auch eine Kettenspaltung erfolgen [6, 7]. Diese Alterungsvorgänge sind dabei von vielen Einflussfaktoren abhängig, wie z. B. der Bauteilgröße [8].

Spritzgießen mit variothermer Werkzeugtemperierung
Beim Mikrospritzgießen stellt die hohe Abkühlgeschwindigkeit aufgrund der meist geringen Bauteildimensionen ein zentrales Problem dar.

Entsprechend werden Lösungen erforscht, die der schnellen Abkühlung entgegen wirken können. Eine dieser Lösungen stellt das Spritzgießen mit einer variothermen Werkzeugtemperierung dar. Hierbei wird vor dem Einspritzen das Werkzeug aufgeheizt und erst nach vollständiger Formfülllung abgekühlt. Eingesetzt werden diese Verfahren aktuell meist bei der Vermeidung von Bindenähten, optisch ansprechenden Oberflächen oder zum Erzielen großer Fließwege. Problem bisheriger variothermer Spritzgießprozesse stellt dabei die meist längere Zykluszeit dar, bedingt durch die zusätzliche Heizund Kühlphase. Für eine optimale Fluidtemperierung ist das Temperiermedium möglichst nah unter die Kavitätswand zu bringen. Die dafür notwendige freie Gestaltung der Temperierkanäle, bietet bspw. das von der Hofmann Innovation Group entwickelte Konzept des LaserCusing an. Hierbei wird das Spritzgießwerkzeug beziehungsweise einzelne Werkzeugeinsätze schichtweise aus Metallpulver aufgebaut, wodurch Kühlkanalstrukturen direkt der Kontur der Kavität angepasst werden können. Von Vorteil ist dabei, dass gezielt nur die Werkzeugbereiche aktiv temperiert werden können, die für die Formteilbildung relevant sind. Zum restlichen Werkzeug können diese Einsätze weitgehend isoliert werden, sodass die zu temperierenden Werkzeugbereiche, sprich die thermische Masse, möglichst minimiert werden. Somit kann die Temperierung da effizient wirken, wo sie Nutzen bringt. Hierdurch sind schnelle Temperaturänderungen der Kavität möglich, wie sie in Abbildung 1 (rechts) dargestellt sind. Durch unterschiedliche Vorlauftemperaturen des Temperiermediums kann die Temperatur der Kavität beim Einspritzen in einem großen Bereich beliebig eingestellt werden und anschließend schnell abgekühlt werden.

Im hier dargestellten Beispiel wird die Temperatur auf 100 °C bzw. 160 °C aufgeheizt und erst danach erfolgt die Formfüllung mit der Polymerschmelze. Anschließend erfolgt das Abkühlen des Bauteils zur sicheren Entformung. Um exemplarisch den Einfluss der Prozessbedingungen auf die resultierenden inneren und mechanischen Eigenschaften analysieren zu können, wird ein Mikrozugstab als Probekörper gefertigt. Dieser ist angelehnt an den Normprüfkörper ISO 527 1A, jedoch mit 1:8 skalierten Dimensionen (Abb. 1, links). Für die Untersuchungen wird ein Polyamid 66 (PA66) Ultramid A3K (BASF SE) verwendet. Die künstliche Alterung der Bauteile erfolgte durch Lagerung im Umluftofen bei 140 °C für 21 Tage unter Luftatmosphäre.

Einfluss auf die inneren Eigenschaften
Die variierten Prozessbedingungen bei der Herstellung der Probekörper wirken sich signifikant auf die inneren Eigenschaften aus. Eine Werkzeugtemperatur von 100 °C beim Einspritzen und dem anschließenden weiteren Abkühlen wird das Sphärolithwachstum schnell beendet, während die Zahl thermisch induzierter Keime wächst (Abb. 2). Gleichzeitig nimmt die Stärke der gescherten Randbereiche zu. Durch Aufheizen des Werkzeugs auf 160 °C vor dem Einspritzen kühlt die Schmelze weniger schnell ab, was die Ausbildung kristalliner Überstrukturen begünstigt. Die Morphologie über den Querschnitt wirkt homogener und stärker sphärolithisch.

Resultierend aus den Alterungsbedingungen kommt es speziell bei den schnell abgekühlten Proben zu einer Veränderung der Morphologie. Durch die thermisch bedingt höhere Beweglichkeit der Moleküle können diese sich zu kristallinen Überstrukturen anordnen. Die bei höherer Werkzeugtemperatur und damit weniger abrupt abgekühlten Proben zeigen keine Veränderung der Morphologie. Die Analysen mittels Auflichtmikroskopie (rechts) zeigen bei beiden Proben eine deutliche Braunfärbung über den Querschnitt des ursprünglich opak erscheinenden PA66, wobei hier keine Unterscheidung im Alterungsverhalten möglich ist.

Um die Veränderungen der inneren Eigenschaften quantitativ beurteilen zu können, bietet sich bspw. die FTIR-Spektroskopie an. An 10 μm Dünnschnitten erfolgt mittels eines IR-Mikroskops (Nicolet 6700 Contiuμm, Thermo Scientific) eine lokal aufgelöste Spektroskopie des Bauteilquerschnitts, wodurch die Verteilung des Kristallisationsgrades sowie des Carbonylindex bestimmt werden kann. In Abbildung 3 (oben) ist die Abhängigkeit der Verarbeitung auf den Kristallisationsgrad erkennbar. Korrelierend zur Ausbildung der Sphärolithstruktur führt eine höhere Werkzeugtemperatur auch zu einem höheren Kristallisationsgrad der ungealterten Bauteile. Infolge der thermischen Einwirkung findet ein Nachkristallisieren statt, wodurch ein Kristallisationsgrad bis über 40 % möglich wird, der allerdings nur bei den Prüfkörpern mit Werkzeugtemperatur von 160 °C erreicht wird. Bei einer Werkzeugtemperatur von 100 °C beim Einspritzen ist der Kristallisationsgrad prozessbeding so gering, dass die Nachkristallisation entweder nicht zu einem vergleichbaren Niveau führt, bzw. noch nicht abgeschlossen ist, was Gegenstand weiterer Untersuchungen ist.

Einen quantitativen Aufschluss über molekulare Veränderungen infolge chemischer Alterungsprozesse bietet die Analyse des Carbonylindex (Abb. 3, unten). Während die nicht gealterten Prüfkörper, unabhängig der Herstellbedingungen, nur einen geringen Carbonylindex aufweisen, steigt dieser nach der künstlichen Alterung an. Dabei wird die Abhängigkeit der Alterungsprozesse von der Sauerstoffdiffusion ausgehend von der Bauteiloberfläche deutlich. Bei beiden Prüfkörpern weisen die Randbereiche einen deutlich höheren Carbonylindex auf, was auf höhere oxidative Alterungsprozesse schließen lässt. Ein Einfluss des Herstellprozesses auf das Alterungsverhalten ist hierbei jedoch nicht erkennbar.

Mechanische Gebrauchseigenschaften
Die alterungsbedingte Veränderung der inneren Eigenschaften resultiert letzten Endes in einer Veränderung der mechanischen Belastbarkeit. Grundsätzlich weisen dabei die Prüfkörper, die bei höherer Werkzeugtemperatur hergestellt wurden, höhere mechanische Kennwerte auf, Abbildung 4.

Infolge der künstlichen Alterung und der damit einhergehenden Beeinflussung der inneren Eigenschaften, verändern sich auch die mechanischen Eigenschaften der Bauteile über die Zeit. So nimmt die Steifigkeit der Bauteile leicht zu, was insbesondere der Nachkristallisation zuzuschreiben ist. Hierbei zeigt sich, dass die stärkere Nachkristallisation und die morphologische Veränderung bei den mit 100 °C Werkzeugtemperatur gefertigten Proben, zu einer tendenziell stärkeren Veränderung führen. Einen ähnlichen Zusammenhang findet sich auch bei der Zugfestigkeit, die abhängig vom Verarbeitungsprozess unterschiedlich stark abnimmt. Hier wirkt sich tendenziell die molekulare Veränderung der Polymere aus, wodurch die Bauteile stärker verspröden und bereits bei geringeren Zugspannungen versagen.

Fazit und Ausblick
Das Alterungsverhalten von Kunststoffbauteilen ist von vielen Faktoren abhängig, jedoch können bei Mikrobauteilen verarbeitungsbedingte Effekte zunehmenden Einfluss haben. Um im Gebrauch eine höhere Eigenschaftskonstanz zu gewährleisten, werden Strategien erforscht, die bereits über den Herstellprozess robustere Bauteileigenschaften ermöglichen und geringeren Alterungsprozessen unterliegen. Eine solche Möglichkeit stellt eben die variotherme Prozessführung dar. In weiteren Arbeiten werden gemeinsam mit der Werkzeugbau Siegfried Hofmann (Lichtenfels), dem Unternehmen Oechsler (Ansbach), der Single Temperiertechnik (Hochdorf) und der hotec (Herford) weitere Fragen zu Wirkzusammenhängen zwischen Prozessbedingungen und den sich einstellenden inneren Eigenschaften bzw. den resultierenden Gebrauchseigenschaften untersucht. Dabei sollen auch die Möglichkeiten zur Zykluszeitverkürzung und die sich daraus ergebenden wirtschaftlichen Vorteile untersucht werden.

Die Autoren danken der Bayerischen Forschungsstiftung für die finanzielle Unterstützung (AZ98611) sowie der BASF SE für die Bereitstellung der Versuchsmaterialien. Weiterer Dank gilt Frau Pia Trawiel und Herrn Jürgen König für die Unterstützung bei den Untersuchungen.

Literatur
[1] Schmiederer D. und Schmachtenberg E.: Kunststofftechnik 2 5, S. 1-22 (2006)
[2] Haberstroh E. und Brandt, M.: Konstruktion 11/12, S. 51-57 (2005)
[3] Fassett J.: Thin Wall Molding: SPE Proceedings ANTEC, Boston, S. 430- 433 (1995)
[4] Ehrenstein G. W.: Polymer-Werkstoffe Struktur - Eigenschaften - Anwendungen. 3. Auflage, Hanser- Verlag, München (2011)
[5] Schnabel W.: Polymer Degradation: Principles and Practical Applications. Hanser-Verlag, München (1982)
[6] Ehrenstein G. W. und Pongratz S.: Beständigkeit von Kunststoffen. Hanser-Verlag, München (2007)
[7] Valko E. I. und Chiklis C. K.: J. Appl. Polym. Sc. 9 8, S. 2855-2877 (1965)
[8] Meister S. et al.: Macromol. Mat. Eng. 297 10, S. 994-1004 (2012)

Autor(en)

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Universität Erlangen-Nürnberg/ Lehrstuhl für Kunststofftechnik
Am Weichselgarten 7 -9
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