Spritzgießverfahren in der Kunststofftechnik

Die Spritzgießmaschine ist ein zentrales Element vieler Produktionslinien und steht zunehmend in Interaktion mit verschiedensten vor- und nachgelagerten Produktionsschritten. Gemeinsam mit unseren Partnern aus Forschung und Industrie bewältigen wir in diesem Forschungsbereich die gewachsenen Herausforderungen an Maschine, Peripherie und Vernetzung.

Wir forschen auf dem Gebiet des Spritzgießens mit folgenden Schwerpunkten:

  • Prozesssimulation
  • Präzisionsspritzgießen und Prozessregelung
  • Werkzeugtechnik und -auslegung
  • Verfahrenstechnik und -entwicklung
  • Spritzgießsonderverfahren und Verfahrenskombinationen

Für die Durchführung von Forschungsprojekten verfügen wir über moderne Spritzgießmaschinen im Schließkraftbereich zwischen 60 und 240 t. Der Werkzeugbestand umfasst eine Vielzahl an Formen, unter anderem einfache Geometrien für analytische Untersuchungen, normierte Probekörpergeometrien sowie komplexe, anwendungsnahe Geometrien. Für die Werkzeugauslegung und Prozesssimulation stehen uns modernste CAD/CAM/CAE-Tools zur Verfügung.

Aktuelle Forschungsthemen im Bereich Spritzgießen

Der limitierende Faktor bei der Funktionalisierung und Verbesserung von Implantaten aus resorbier-baren Kunststoffen sind die im großserientauglichen Spritzgießen auftretenden hohen Temperaturen. Sie verhindern die Integration von temperatursensiblen Wirkstoffen und die Verstärkung mit resorbierbaren Fasern. Ziel des Projekts ist die Verringerung der Temperaturbelastung und Verbesserung der Fließ-fähigkeit resorbierbarer Thermoplaste, um das Anwendungsspektrum in der Medizintechnik zu erhöhen.  Die Verarbeitung im Mikrospritzgießen wird mit mit physikalischen Treibmittelatmosphären kombiniert, um Schmelz- und Verarbeitungs-temperaturen zu senken und die Viskosität zu verringern.

Durch verringerte thermische Belastungen und durch erhöhte Fließfähigkeit werden Wirkstoffinkorporationen oder verbesserte mechanische Eigenschaften von Implantaten angestrebt.

Problemstellung:

  • Das Thermoplast-Schaumspritzgießen findet trotz seiner Vorteile kaum Einsatz im Verpackungsbereich.
  • Die Dosierzeit und geringe Verweilzeit des Materials sind mit Schäumverfahren schwer kombinierbar.

Zielsetzung:

  • Verringerung des Minimalgewichts dünnwandiger Spritzgieß-Formteile für Verpackungsanwendungen
  • Erzielung homogener Schmelze-Treibmittel-Mischung für kurze Dosierzeiten

Lösungsweg:

  • Untersuchung und Bewertung bestehender physikalischer Schäumverfahren hinsichtlich minimaler Dosierzeit für maximale Beladungsgrade   
  • Untersuchung des Thermoplast-Spritzgießverahrens für In-Mould-Prozesse

LSR - LED

Hochtransparente Flüssigsilikonkautschuke besitzen eine hohe Temperatur- und UV-Strahlungsstabilität. Gleichzeitig können sie im Spritzgießverfahren verarbeitet werden und weisen deshalb die verfahrensspezifischen Vorteile des Spritzgießprozesses wie große Designfreiheit und geringen Nachbearbeitungsbedarf auf. Diese Eigenschaften können in einer LED Beleuchtungseinheit gezielt genutzt werden. Einerseits kann durch das LSR der LED Chip gegenüber Umwelteinflüssen gekapselt werden, andererseits kann die LSR-Optik eine lichttechnische Funktion übernehmen. Konventionell werden diese Funktionen von zwei unterschiedlichen Bauteilen, der Primär- und Vorsatzoptik, übernommen.

In einem von der DFG geförderten Forschungsprojekt mit den Partnern HELLA KGaA Hueck & Co., Lippstadt, Momentive Performance Materials GmbH, Leverkusen, und ELMET Elastomere Produktions- und Dienstleistungs-GmbH, Oftering, konnte nachgewiesen werden, dass sich diese Funktionen in einem Bauteil kombinieren lassen. Dazu wurde ein Spritzgießprozess entwickelt, bei dem eine LSR-Optik auf eine ungekapselte LED Platine aufgespritzt wird. Kosten- und zeitintensive Montageschritte der Optik auf dem LED Chip können damit entfallen.

Integrierte SpritzgießtechnologIe für LED-Lichtquellen mit Vorsatzoptik (ISI-LED)

Ziel des Forschungsvorhabens ISI-LED ist die Entwicklung eines LED-Beleuchtungssystems, welches sich in einem hochintegrierten, hochautomatisierten und ressourcenschonenden Herstellungsprozess am Technologiestandort Deutschland wirtschaftlich fertigen lässt. Im Gegensatz zu existierenden Verfahren und Ansätzen soll das zu entwickelnde LED-Beleuchtungssystem durch die Nutzung innovativer Prozesslösungen vollständig in einer Spritzgießfertigungszelle herstellbar sein. Der technische Lösungsansatz für die neue, verkürzte Prozesskette besteht in der direkten Kombination innovativer Materialien und zugehöriger Fertigungstechnologien sowie der Nutzung eines hochintegrierten Spritzgießwerkzeugs als Kernstück einer Fertigungszelle.

Bei diesem Ansatz wird statt einer mit LEDs bestückten, ebenen Leiterplatine ein komplex geformtes Bauteil aus wärmeleitfähigem Kunststoff als Gehäuse und Kühlkörper für das Beleuchtungssystem entwickelt. In das dreidimensional geformte Gehäuse werden LEDs inline im Spritzgießwerkzeug (InMould) montiert. Im gleichen Spritzgießwerkzeug erfolgt anschließend mithilfe eines Druckgießaggregats die direkte Kontaktierung der LEDs mit einer niedrigschmelzenden Metalllegierung, welche als Leiterbahn fungiert. In der gleichen Fertigungszelle wird eine optische Komponente mit Freiformgeometrie spritzgegossen, welche über der LED platziert und mediendicht umspritzt wird.

Da die Bestandteile Gehäuse, Kontaktierung und optische Komponente in den meisten LED-Beleuchtungssystemen benötigt werden, lässt sich das Fertigungskonzept flexibel auf viele lichttechnische Anwendungen (von Modul bis hin zur Leuchte), bspw. im Automobil, zur Gebäude- oder Straßenbeleuchtung, übertragen. Darüber hinaus besteht die Möglichkeit, Teile des entwickelten Systems auf weitere Anwendungen, bspw. optische Sensortechnik, zu übertragen, welche in Industrieanlagen, Unterhaltungselektronik oder Fahrzeugbau eingesetzt werden. Das neue LED-Beleuchtungssystem ist Grundvoraussetzung für eine schlankere Prozesskette mit hoher Wertschöpfung ohne kostenintensive Montage- sowie Vor- und Nachbearbeitungsschritte. Darüber hinaus sind Materialeinsparungen durch eine effiziente Nutzung und geringerem Ausschuss zu erwarten.

Bei einer erfolgreichen Umsetzung des industrienahen Beleuchtungssystems mit zugehöriger Fertigungszelle ist eine industrielle Umsetzung innerhalb von wenigen Jahren zu erwarten.

Entwicklung und Erprobung einer Auslegungsroutine zur Ertüchtigung von Kunststoffoptiken für Laseranwendungen (KOptLas)

In optischen Anwendungen wie Beleuchtungssystemen haben sich Kunststoffe gegenüber dem klassischen Werkstoff Glas durchgesetzt. Laseranwendungen stellen höhere Anforderungen an die optischen Eigenschaften, die Kunststoffe bisher nicht erfüllen. Hauptursache ist die hohe Temperaturabhängigkeit der optischen Werkstoffeigenschaften, bspw. des Brechungsindex. Können diese Effekte bereits im Designprozess berücksichtigt werden, haben Kunststoffoptiken ein hohes Potenzial, Standardkomponenten, wie Laserkollimationen,  in laserbasierten optischen Systemen mit einer Leistung bis zu 100 W zu ersetzen. Durch den Einsatz von Kunststoffen ist eine kostengünstige und massentaugliche Fertigung ohne Nachbearbeitungsschritte sowie eine Erhöhung der Designfreiheit möglich. Das gibt insbesondere den kleinen- und mittelständischen Unternehmen die Möglichkeit, die Effizienz ihrer Produktion zu steigern und auf diese Weise auch in Zukunft am Standort Deutschland wirtschaftlich zu produzieren. 

Ziel des Forschungsprojekts ist die Entwicklung einer Auslegungsroutine, welche die Simulation der optischen Eigenschaften und des Herstellungsprozesses koppelt und die Eigenschaften von Kunststoffen gezielt berücksichtigt. Hiermit soll von der Linsengeometrie über das Werkzeug und den gewählten Prozesseinstellungen auf die Performance der Linse unter Einsatzbedingungen geschlossen werden. Kostenintensive Werkzeugiterationen und die Herstellung von Prototypen werden auf diese Weise reduziert oder vermieden. Die Identifikation relevanter Übergabeparametern zwischen optischer und prozesstechnischer Simulation und die Entwicklung entsprechender Schnittstellen sind zentrale Fragestellungen. Ferner werden Modelle für eine zielgerichtete, virtuelle Optimierung der Linse entwickelt. Ein weiteres Ziel ist die Qualifikation von Kunststoffen als Werkstoff für optische Komponenten in Laseranwendungen. Dazu wird ein Demonstrator mit der entwickelten Routine ausgelegt und in praktischen Versuchen validiert. 

Problemstellung

  • Die Kontaktierung elektrischer Baugruppen ist im IMKS-Verfahren notwendig.
  • Die Prozess- und Materialeinflüsse auf die Kontaktierung sind noch unbekannt.

Zielsetzung

  • Qualifikation des Verfahrens zur Herstellung von Bauteilen mit integrierten elektronischen Baugruppen


Lösungsweg

  • Bewertung und Charakterisierung geeigneter Einlegermaterialien und Metalllegierungen
  • Simulation der Kontaktierungsstelle
  • Analyse der Kontaktstelle hinsichtlich elektrischer Leitfähigkeit, mechanischer und thermischer Langzeitbeständigkeit

Kunststoff/Metall-Hybridbauteile finden heutzutage vermehrt Einsatz in der Automobilindustrie, um Leichtbau konsequent umsetzen zu können. Für die Herstellung von Kunststoff/Metall-Hybridbauteilen stellt das kombinierte Tiefzieh- und Hinterspritzverfahren eine kosteneffiziente Methode dar.

Statt der Umformung der Metallkomponente in einem vorgelagerten Prozess, erfolgt diese durch die Schließbewegung des Werkzeugs. Für diesen 1. Umformschritt, wird das Spritzgießwerkzeug um die Komponenten eines klassischen Tiefziehwerkzeugs erweitert. Anschließend erfolgt das Hinterspritzen der Metallkomponente mit der Kunststoffkomponente. Dabei wird die Metallkomponente wirkmedienbasiert im 2. Umformschritt durch den Schmelzedruck ausgeformt. Die Verbindung der Komponenten erfolgt durch ein auf die Metallkomponente aufgetragenes thermoaktivierbares Haftvermittlersystem. Dieser adhäsive Verbund ermöglicht eine vollflächige und damit homogenere Krafteinleitung, wodurch das Bauteilgewicht durch den Einsatz dünnerer Blechstrukturen weiter reduziert werden kann.

Aktueller Forschungsschwerpunkt liegt auf dem Einsatz von Magnesiumknetlegierungen als Metallkomponente. Hierfür muss die Werkzeugtechnik auf die Umformbedingungen von Magnesiumknetlegierungen erweitert werden und eine intrinsische Fügetechnologie entwickelt werden.

>> Projektdetails

Die Einhaltung eines engen Toleranzfensters mit einer hohen Wiederholgenauigkeit spielt eine entscheidende Rolle für die Wettbewerbsfähigkeit von spritzgießverarbeitenden Unternehmen. Am IKV wird daher im Rahmen des Sonderforschungsbereich 1120 „Bauteilpräzision durch Beherrschung von Schmelze und Erstarrung in Produktionsprozessen“ bereits in der Werkzeugauslegung angesetzt und der tatsächliche Kühlbedarf für möglichst verzugsfreie Bauteile ermittelt. In einem Teilprojekt des SFB wird ausgehend von der berechneten Temperaturverteilung am Ende einer Füllsimulation der lokal benötigte Kühlbedarf im Formteil ermittelt. Auf Basis des benötigten Kühlbedarfs wird in weiteren Simulationsschritten das Kühlkanallayout abgeleitet. Die Auslegung von Kühlkanalsystemen kann so automatisiert werden. Im eigentlichen Prozess wird die Reproduzierbarkeit weiterhin durch geeignete Regelungsansätze verbessert. Dazu werden in einem weiteren Teilprojekt des SFB die Werkzeugtemperatur und ihre Verteilung explizit als Stellgröße betrachtet, um über das ganze Bauteil hinweg vergleichbare Prozessbedingungen hinsichtlich Druck und Temperatur zu schaffen und somit den Formteilverzug direkt zu regeln.

Ergänzend dazu wird im Exzellenzcluster „Integrative Produktionstechnik für Hochlohnländer“ eine selbstoptimierende Spritzgießmaschine entwickelt. Diese Spritzgießmaschine passt ihren Arbeitspunkt an die aktuell vorherrschenden Randbedingungen an und ermöglicht so eine reproduzierbare Bauteilqualität trotz Störeinflüssen. Dazu werden Sensorinformationen mit Werkstoff- und Maschinenmodellen verknüpft und für die Prozessregelung eingesetzt.

>> Projektdetails

Problemstellung

  • Potenzial von Duroplasten zur Substitution von metallischen Werkstoffen mit hoher Temperaturbelastung Keine Richtlinien zur Auslegung von Direktverschraubungen zum wirtschaftlichen Fügen der Formteile vorhanden

Zielsetzung

  • Bereitstellung von Richtlinien zur werkstoffgerechten Auslegung von Direktverschraubungen und Anschraubdomen für Formteile aus duroplastischen Formmassen

Lösungsweg

  • Systematische Analyse der Prozess- und Fügeeinflüsse auf das mechanische Verhalten von Schraubverbindungen
  • Ableitung von optimierten Geometrien

Problemstellung

  • Anfahr- und Einstellprozesse sind hochgradig von der individuellen Erfahrung des Bedieners abhängig

Zielsetzung

  • Bereitstellung simulationsbasierter Informationen direkt an der Spritzgießmaschine, um Bediener bei der Einstellung und Anpassung von Prozessparametern zu unterstützen.

Lösungsweg

  • Entwicklung von Schnittstellen zwischen Simulation und Produktion
  • Entwicklung einer Transferfunktion, um Informationen zwischen der Simulationssoftware und der Maschine über das MES auszutauschen

 

 

Problemstellung

  • Prozesseinrichtung beim Spritzgießens durch aufwendige Versuche und Erfahrungswissen
  • Nutzung von künstlichen neuronalen Netzen (KNN) zur Prozesseinrichtung mit hohem praktischen Aufwand verbunden

Zielsetzung

  • Nutzung von KNN zur schnellen Einrichtung und Optimierung von Spritzgießprozessen
  • Geringerer Versuchsaufwand durch die Kombination von realen und virtuellen Daten zum Training der KNN

Lösungsweg

  • Untersuchung verschiedener Lernverfahren, um Zusammen-hänge zwischen Einstell- und Qualitätsgrößen zu modellieren
  • Kombiniertes Lernen mit Realdaten und Simulationsdaten reduziert den praktischen Versuchsaufwand

Problemstellung

  • Die Flammschutzwirkung bei unadditivierten PLA-Compounds ist für technische Anwendungen unzureichend.
  • Die mechanischen Eigenschaften bei flammgeschützten PLA-Compounds sind unzureichend für technische Anwendungen.

Zielsetzung

  • Verbesserung der mechanischen Eigenschaften flammgeschützter PLA-Compounds

Lösungsweg

  • Optimierung der mechanischen Eigenschaften geeigneter flammgeschützter PLA-Compounds durch eine kristallisationsoptimierte Prozessführung mittels dynamischer Temperierverfahren im Spritzgießen

 

 

Wir erarbeiten Lösungen für die Kunststoffindustrie

In bilateralen Projekten oder Verbundprojekten bearbeiten wir zusammen mit Industriepartnern verschiedenste aktuelle Fragestellungen. Als Partner nutzen Industriekunden dabei unsere Expertise auf den Gebieten der Prozesssimulation und -optimierung, der Werkzeugauslegung, der Material- und Bauteilabmusterung sowie bei der Umsetzung verschiedenster Sonderverfahren des Spritzgießens.

Zusammen mit unseren Partnern aus der Industrie

- erarbeiten wir eine prozessgerechte Formteilauslegung.
- entwickeln wir Fertigungsverfahren neu oder weiter.
qualifizieren wir Materialien für Sonderverfahren (Schaumspritzgießen, Fluidinjektionstechnik, u. v. m).
optimieren wir aktuelle Prozesse (Prozessführung und -regelung, Betriebsorganisation, etc.).
- unterstützen bei der erstmaligen Umsetzung innovativer Verfahren.

Wir sind Forschungspartner für verschiedene Branchen:

  • Automobil- und Zuliefererindustrie
  • Maschinenbau
  • Kosmetikindustrie
  • Weiße und Braune Ware 
  • Sport- und Medizintechnik

Häufige Fragestellungen

Kooperationsprojekte mit unseren Partnern aus der Industrie behandeln oft mehrere der folgenden  Fragestellungen, für die wir individuelle und unmittelbar umsetzbare Lösungen erarbeiten:

  • Bauteiloptimierung und prozessgerechte Auslegung
  • Untersuchung des Prozesseinflusses auf die Bauteileigenschaften
  • Nachweis der Verarbeitbarkeit neuer Materialien in Spritzgießsonderverfahren
  • Neu- und Weiterentwicklung von Spritzgießsonderverfahren, insbesondere im Bereich
    • Thermoplast-Schaumspritzgießen
    • Fluidinjektionstechnik
    • Mehrkomponenten-Technik (z. B. Multilayer-Verfahren, Kombiniertes Tiefziehen- und Hinterspritzen)
  • Prozessauslegung des Spritzgießens und seiner Sonderverfahren
  • Rheologische, thermische und mechanische Werkzeugauslegung mithilfe verschiedenster Software-Lösungen
  • Demonstratorentwicklung und -herstellung
  • Herstellung normgerechter Probekörper
  • Abmusterung von neu entwickelten Materialien

Lernen Sie uns kennen!

Erfahren Sie mehr über unsere Angebote für Unternehmen aus der kunststoffverarbeitenden Industrie.

Mehr erfahren

Einblicke in unseren Forschungsbereich