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Gruppe Prozesse

Leiter: Dr.-Ing. Volker Piotter / DI (FH) Klaus Plewa

 

Die Gruppe Prozesse beschäftigt seit Mitte der 90er Jahre mit der Entwicklung der Mikro-Spritzgießtechnologie zur Realisierung von mikro- und nanostrukturierten Bauteilen aus Kunststoff, Keramik und Metallen. Im Bereich des Mikropulverspritzgießens und seinen verwandten Sonderverfahren wird die gesamte Prozesskette betrachtet, weiterentwickelt und optimiert. Dies betrifft im Einzelnen die Verfahrensschritte Kompoundierung, Formgebung, Entbindern und Sintern sowie die umfassende Charakterisierung sowohl von Formmasse als auch vom gesinterten Bauteil. Flankiert werden die experimentellen Arbeiten durch umfassende konstruktive Tätigkeiten und Simulationen zur Formfüllung.

Derzeit werden folgende Arbeitsschwerpunkte verfolgt:

  • Mikrospritzgießen:
    Das Mikrospritzgießen (µ-IM) hat sich in den letzten Jahren als eine Variante der industriell weit verbreiteten Spritzgießtechnologie fest etabliert. Hintergrund ist der weltweit festzustellende Trend zur Miniaturisierung nicht nur einzelner Bauteile sondern ganzer Systeme. Die steigende industrielle Bedeutung wird auch daraus ersichtlich, dass seitens der Hersteller von Kunststoffverarbei-tungsmaschinen immer neue bzw. modifizierte Maschinentypen auf den Markt gebracht werden. Beim Mikrospritzgießen wird Formmasse in ein speziell temperiertes Werkzeug, in welchem mikrostrukturierte Formeinsätze integriert sind, eingespritzt. Derartige Formeinsätze können beispielsweise durch Verfahren der mechanischen Mikrotechnik (Mikrozerspanung), durch Lasermikrobear-beitung, durch Röntgen- bzw. UV-Lithographie nach dem LIGA-Verfahren oder Kombinationen dieser und anderer Verfahren hergestellt werden. Da diese Herstellverfahren häufig zu sacklochartigen Kavitäten führen, die nicht mehr durch rückwertige Bohrungen entlüftet werden können, werden Mikrospritzgießwerkzeuge nicht selten mit Evakuierungseinrichtungen versehen. Je nach abzuformendem Bauteil wird der Spritzgießprozess isotherm oder variotherm, d.h. mit Aufheizen vor dem Einspritzen und Abkühlung vor der Entformung, durchgeführt. Letztere Prozessvariante ist vor allem bei Abformung von hohen Aspektverhältnissen (> 5) empfehlenswert. Nach dem Abkühlen und Öffnen des Werkzeuges werden die spritzgegossenen Teile meist von einem Handhabungsgerät/Roboter entnommen. Als Kunststoffmaterial können nahezu alle Thermoplaste sowie thermoplastische Elastomere eingesetzt werden.
     
  • Mikropulverspritzgießen:
    Beim Spritzgießen von so genannten Feedstocks, d.h. mit Metall- oder Keramikpulvern hochgefüllten organischen Bindern (Powder Injection Molding, PIM), werden die Bauteile nach dem Spritzgießvorgang entbindert und anschließend zu Metall- (Metal Injection Molding, MIM) oder Keramikteilen (Ceramic Injection Molding, CIM) gesintert (siehe auch www.pulverspritzgiessen.de). Mit dem Pulverspritzgießen hat sich in der makroskopischen Abformtechnik ein Verfahren etabliert, mit welchem die hohe Wirtschaftlichkeit der Spritzgieß-Serienfertigung auch für die Herstellung von Metall- oder Keramikprodukten genutzt werden kann. Dazu werden weitere Prozessschritte in den Verfahrensablauf implementiert. So kommen für das Pulverspritzgießen (Powder Injection Molding) so genannte Feedstocks zum Einsatz. Diese möglichst homogen aufbereitete Mischungen enthalten 50-60 Vol.% Pulver in einem organischen Binder. Letzterer besteht üblicherweise aus einer niedermolekularen Wachskomponente, einem Thermoplasten und Additiven hauptsächlich zur homogenen Verteilung der Pulverpartikel in der organischen Matrix. Ansonsten dient der Binder ausschließlich der Formgebung (=> Grünling) und muß nach dem Spritzgießen entfernt werden (=> Braunling). Dieser Entbinderungsschritt kann thermisch, pyrolytisch, katalytisch, durch Auflösen oder Kombinationen davon durchgeführt werden. Anschließend werden die Teile bis auf ca. 95-99 % der theoretischen Dichte gesintert. Als Sinteratmosphäre kommen entweder Hochvakuum, Wasserstoff oder Stickstoff bzw. eine Mischung beider Gase zum Einsatz. Muss der Kohlenstoffgehalt in einem Stahl eingestellt werden, werden Wasserstoff/Methan-Mischungen eingesetzt. Die hohe Porosität des Braunlings führt - je nach Pulvergehalt im Feedstock - zu einem linearen Sinterschrumpf der Teile im Bereich von 15-23 %. Dieser muss durch ein entsprechendes Aufmaß des Spritzgießwerkzeuges kompensiert werden. Die derzeit mit Mikropulverspritzgießen erreichbaren Toleranzen liegen bei ± 0,5 % des Nominalmaßes. Durch eine gründliche Prozessoptimierung lassen sich auch Werte von ± 0,3 % bis ± 0,1 % (in Sonderfällen) erreichen.