TY - THES

T1 - Optimierte Entformung mikrostrukturierter Spritzgussbauteile durch Werkzeugbeschichtungen

AU - Windischbauer, Lukas

N1 - gesperrt bis 27-05-2021

PY - 2016

Y1 - 2016

N2 - In dieser Arbeit sollte die Entformbarkeit von mikrostrukturierten Spritzgussbauteilen durch die Beschichtung von Werkzeugeinsätzen verbessert werden. Dazu wurden im ersten Schritt unstrukturierte Werkzeugeinsätze mit Titannitrid (TiN), Wolfram Disulfid (WS2), Chromnitrid (CrN) bzw. Polytetrafluorethylen (PTFE) beschichtet. Die beschichteten Einsätze wurden mit den Kunststoffen Cyclo Olefin Copolymer (COC), Polymethylmethacrylat (PMMA) und Polycarbonat (PC) in Spritzgussversuchen getestet. Die Versuche wurden unter variothermen Bedingungen durchgeführt. Dabei wurde einerseits beobachtet, ob die Teile überhaupt entformt werden konnten. Andererseits wurde auf Materialanhaftungen am Werkzeugeinsatz geachtet. Bei den Versuchen stellte sich heraus, dass die PTFE-Beschichtung die Entformbarkeit bei Bauteilen aus COC und PMMA verbesserte. Bei Polycarbonat war keine Verbesserung erkennbar, da die Bauteile auch ohne Beschichtung ohne Materialanhaftung entformt werden konnten. Diese Beschichtung kann jedoch durch ihre fehlende Haltbarkeit zu Problemen führen. Einerseits kann die positive Wirkung auf die Entformungseigenschaften mit der Zeit verloren gehen. Andererseits können PTFE-Rückstände an den Bauteilen zu Problemen in der Anwendung führen. Die TiN Beschichtung verbesserte die Entformbarkeit nur bei Bauteilen aus PMMA, ist aber im Vergleich zu PTFE deutlich haltbarer. WS2 erzielte zwar gute Ergebnisse bei Bauteilen aus COC, wurde aber aus mehreren Gründen nicht weiter untersucht. Die raue Oberfläche der Beschichtung kann in optischen- bzw. Fluidik-Anwendungen zu Problemen führen. Zudem kann durch die Herstellungsmethode keine gleichbleibende Qualität garantiert werden. Des Weiteren deuten sowohl die Versuche als auch die Literatur auf Probleme in Bezug auf die Haltbarkeit der Beschichtung hin. Die CrN Beschichtung verschlechterte die Entformbarkeit bei allen getesteten Kunststoffen deutlich und wurde somit nicht weiter untersucht. Aufgrund der guten Haltbarkeit der TiN-Beschichtung wurden im nächsten Schritt mikrostrukturierte Einsätze mit TiN beschichtet. Bei den damit durchgeführten Spritzgusstests wurde festgestellt, dass die Beschichtung die Entformbarkeit bei allen verwendeten Kunststoffen verschlechterte. Diese Ergebnisse sind auf drei Effekte zurückzuführen: Die Beschichtung verursachte Hinterschnitte an den Oberkanten der Mikrostrukturen. Dieser Effekt war bei scharfen Strukturoberkanten besonders deutlich. Zusätzlich entstanden durch Spannungen in der Beschichtung in Zusammenhang mit einer hohen Entformungskraft und geringer Steifigkeit der Einsätze (Dicke 300 µm) Risse am Strukturgrund. Wenn diese mit Kunststoffschmelze gefüllt werden, erhöht sich die Entformungskraft. Außerdem nahm die Schichtdicke mit sinkendem Flankenwinkel ab. An Seitenflanken mit einem Flankenwinkel unter ca. 7°, wo aufgrund der Bauteilschwindung die stärkste Reibung auftritt, befand sich keine Beschichtung. Somit wurde auch die PTFE-Beschichtung mit mikrostrukturierten Einsätzen getestet. Die ersten Versuche fanden mit dem Material Cycloolefinpolymer (COP) statt. Es ergab sich eine deutliche Verbesserung der Entformbarkeit durch die Beschichtung. Ein Langzeittest mit COC in einem anderen Spritzgusswerkzeug bestätigte die Wirksamkeit der PTFE-Beschichtung über 1000 Teile.

AB - In dieser Arbeit sollte die Entformbarkeit von mikrostrukturierten Spritzgussbauteilen durch die Beschichtung von Werkzeugeinsätzen verbessert werden. Dazu wurden im ersten Schritt unstrukturierte Werkzeugeinsätze mit Titannitrid (TiN), Wolfram Disulfid (WS2), Chromnitrid (CrN) bzw. Polytetrafluorethylen (PTFE) beschichtet. Die beschichteten Einsätze wurden mit den Kunststoffen Cyclo Olefin Copolymer (COC), Polymethylmethacrylat (PMMA) und Polycarbonat (PC) in Spritzgussversuchen getestet. Die Versuche wurden unter variothermen Bedingungen durchgeführt. Dabei wurde einerseits beobachtet, ob die Teile überhaupt entformt werden konnten. Andererseits wurde auf Materialanhaftungen am Werkzeugeinsatz geachtet. Bei den Versuchen stellte sich heraus, dass die PTFE-Beschichtung die Entformbarkeit bei Bauteilen aus COC und PMMA verbesserte. Bei Polycarbonat war keine Verbesserung erkennbar, da die Bauteile auch ohne Beschichtung ohne Materialanhaftung entformt werden konnten. Diese Beschichtung kann jedoch durch ihre fehlende Haltbarkeit zu Problemen führen. Einerseits kann die positive Wirkung auf die Entformungseigenschaften mit der Zeit verloren gehen. Andererseits können PTFE-Rückstände an den Bauteilen zu Problemen in der Anwendung führen. Die TiN Beschichtung verbesserte die Entformbarkeit nur bei Bauteilen aus PMMA, ist aber im Vergleich zu PTFE deutlich haltbarer. WS2 erzielte zwar gute Ergebnisse bei Bauteilen aus COC, wurde aber aus mehreren Gründen nicht weiter untersucht. Die raue Oberfläche der Beschichtung kann in optischen- bzw. Fluidik-Anwendungen zu Problemen führen. Zudem kann durch die Herstellungsmethode keine gleichbleibende Qualität garantiert werden. Des Weiteren deuten sowohl die Versuche als auch die Literatur auf Probleme in Bezug auf die Haltbarkeit der Beschichtung hin. Die CrN Beschichtung verschlechterte die Entformbarkeit bei allen getesteten Kunststoffen deutlich und wurde somit nicht weiter untersucht. Aufgrund der guten Haltbarkeit der TiN-Beschichtung wurden im nächsten Schritt mikrostrukturierte Einsätze mit TiN beschichtet. Bei den damit durchgeführten Spritzgusstests wurde festgestellt, dass die Beschichtung die Entformbarkeit bei allen verwendeten Kunststoffen verschlechterte. Diese Ergebnisse sind auf drei Effekte zurückzuführen: Die Beschichtung verursachte Hinterschnitte an den Oberkanten der Mikrostrukturen. Dieser Effekt war bei scharfen Strukturoberkanten besonders deutlich. Zusätzlich entstanden durch Spannungen in der Beschichtung in Zusammenhang mit einer hohen Entformungskraft und geringer Steifigkeit der Einsätze (Dicke 300 µm) Risse am Strukturgrund. Wenn diese mit Kunststoffschmelze gefüllt werden, erhöht sich die Entformungskraft. Außerdem nahm die Schichtdicke mit sinkendem Flankenwinkel ab. An Seitenflanken mit einem Flankenwinkel unter ca. 7°, wo aufgrund der Bauteilschwindung die stärkste Reibung auftritt, befand sich keine Beschichtung. Somit wurde auch die PTFE-Beschichtung mit mikrostrukturierten Einsätzen getestet. Die ersten Versuche fanden mit dem Material Cycloolefinpolymer (COP) statt. Es ergab sich eine deutliche Verbesserung der Entformbarkeit durch die Beschichtung. Ein Langzeittest mit COC in einem anderen Spritzgusswerkzeug bestätigte die Wirksamkeit der PTFE-Beschichtung über 1000 Teile.

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M3 - Masterarbeit

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