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Bitte beziehen Sie sich beim Zitieren dieses Dokumentes immer auf folgende
URN: urn:nbn:de:bsz:25-opus-84533
URL: http://www.freidok.uni-freiburg.de/volltexte/8453/


Kuhn, Sascha

Verfahrenstechniken zur Herstellung von Kunststoffbauteilen mit mikrostrukturierten Oberflächen

Processing technologies for the production of plastic parts including micro surface structures

Dokument1.pdf (29.980 KB) (md5sum: 5ec77a61342be5685eb1b421851393d0)

Kurzfassung in Deutsch

Die Strukturierung von Oberflächen im Mikro- und Nanoskalenbereich ermöglicht die Kontrolle über viele Prozesse und Effekte, die auf diesen Längenskalen basieren und führt auch zur stetig fortschreitenden Miniaturisierung bereits existierender sowie neuer Technologien. Die Übertragung von Oberflächenstrukturen auf Bauteile in etablierten Massenfertigungsverfahren eröffnet unter anderem aufgrund der Materialvielfalt von Polymeren neuartige Anwendungsgebiete und stellt eine Alternative zu Beschichtungsprozessen bei der gezielten Modifikation von Oberflächen dar. Dadurch können beispielsweise an Fluid-Bauteil-Grenzflächen Benetzungseigenschaften gezielt beeinflusst oder durch Interferenzeffekte an Bauteiloberflächen mit Licht Entspiegelungseffekte erzeugt werden.
Neben etablierten Verfahren wie dem Heißprägen oder Folienwalzen hat die Spritzgießverarbeitung, mitunter aufgrund der Gestaltungfreiheiten in der Geometrie der Bauteile und dem hohen Automatisierungsgrad, ein hohes Potential. Die Formeinsatztemperierung, die Strukturierbarkeit der Formeinsätze, der Abformprozess und die erzielbaren Oberflächeneffekte an den Formteilen unterliegen jedoch gewissen materialspezifischen und technologischen Grenzen. Dabei mangelt es an der Übersicht geeigneter Strukturen, Materialien und Temperiertechniken, um gewünschte Oberflächeneffekte durch Strukturen an Oberflächen in der Spritzgießverarbeitung zu erzielen.
Die vorliegende Arbeit untersucht an ausgewählten strukturierten Formeinsätzen den Abformprozess von makroskopisch planen Bauteilen mit Mikro- und Submikrostrukturen in weitverbreitete chemisch vernetzende und thermoplastische Formmassen. Materialsysteme von thermoplastischen Formmassen und schnell härtenden, chemisch vernetzenden Materialien unterscheiden sich grundlegend in ihrer Formgebung im Spritzguss (TIM - Thermoplastic Injection Molding) bzw. Reaktionsspritzguss (RIM - Reaction Injection Molding), die durch Erstarrung (physikalisch) bzw. Vernetzung (chemisch) erfolgt. Für beide Materialsysteme werden die Einflüsse von Verfahrensparametern auf die Abformqualität ausgewählter Strukturgeometrien anhand von Füllverläufen und Temperaturverläufen in der Kavität untersucht. Spritzgießversuche und Modellberechnungen zeigen, dass vor allem Formeinsatzmaterialien und Formeinsatztemperaturen das Füllverhalten an der mikrostrukturierten Formeinsatzoberfläche sowie die Zykluszeit für die Fertigung des Bauteils beeinflussen. Daher werden für die jeweiligen Prozesse fluidische und elektrisch-fluidische Temperiersysteme eingesetzt, die mithilfe experimenteller und numerischer Untersuchungen entsprechend angepasst werden, um die Erstarrung bzw. Vernetzung an der Formeinsatzoberfläche gezielt beeinflussen zu können.
Mithilfe stochastischer und deterministischer Oberflächenstrukturen mit Strukturbreiten von 150 nm bis 10000 nm werden Bauteiloberflächen hinsichtlich ihrer isotropen und anisotropen optischen, benetzenden und mechanischen Eigenschaften untersucht. Diese sowohl dimensions- als auch formabhängigen Effekte von Oberflächenstrukturen erfordern ein umfassendes Verständnis der Wechselwirkungen zwischen Oberflächen und ihrer Umgebung. Ziel ist es daher, Kriterien und Konzepte für die Material-, Parameterwahl und Temperierung zur Verfügung zu stellen, um die geforderten Qualitäten bzw. Oberflächeneffekte bei der Herstellung von mikro- und submikrostrukturierten Oberflächen erzielen zu können.


Kurzfassung in Englisch

The structuring of surfaces on the micro- and nanoscale enables the control of many processes and effects that are based on these length scales and therefore leads to a progress concerning both the miniaturization of existing technologies and new technologies. The replication of surface structures on different materials on a mass production scale offers new fields of application for plastic parts as well as it is an alternative to coating processes with regard to the specific modification of surfaces. Therefore, the wettability of fluids on surfaces can be specifically influenced or anti reflective part surfaces can be produced due to interference effects.
Besides conventional methods like hot embossing or foil rolling, the injection molding process has a high potential due to the high degree of automation and due to the freedom of design of the parts produced. The tempering units, the structuring of mold inserts, the molding process and the attainable modifications of surface properties are subject to certain material-specific and process-specific restrictions. However, there is a lack of an overview of suitable surface structures, materials and tempering units in order to achieve the surface effects requested in the injection molding processes.
This thesis investigates the molding process of flat parts from micro- and submicrostructured mold walls into widespread used chemically crosslinking and thermoplastic resins. Material systems of thermoplastic resins and chemically crosslinking materials differ basically in their molding which takes place by freezing in the injection molding process (TIM - Thermoplastic Injection Molding) and curing in the reaction injection molding process (RIM - Reaction Injection Molding). For both material systems the influences of processing parameters on the replication quality of the structure geometries is investigated by short shots and temperature profiles. Injection molding tests and simulation models show that mainly mold insert materials and temperatures influence both the filling behavior in the microstructured mold walls and the cycle times needed to manufacture the parts. Therefore, for each process fluidic and electric-fluidic tempering units, which are adapted by taking experimental and numerical investigations into account, are used in order to control the freezing or curing on the mold walls.
Isotropic and anisotropic surface effects are investigated in terms of their optical, wetting and mechanical properties by using random and deterministic surface structures with lateral structure sizes from 150 nm to 10000 nm. The effects of surface structures, depending on their dimension and shape, require a comprehensive understanding of the interactions on the surfaces. Therefore, this thesis aims at proposing criteria and concepts for the choice of materials, process parameters and tempering units in order be able to achieve the replication quality or surface effects required in the manufacturing of micro- and submicrostructured surfaces.


SWD-Schlagwörter: Spritzgießen , Reaktionsspritzgießen , Mikrostruktur , Abformung , Aushärtung <Kunststoff>
Freie Schlagwörter (deutsch): Variotherme Temperierung , morphologische Strukturen , Heizwiderstand , fluidische Kühlkonturen
Freie Schlagwörter (englisch): variotherm tempering , morphological structures , joule heating , fluidic cooling channels
PACS Klassifikation Polymer Cr , Injection , Heat Trans , Adhesion 8 , Materials , 61.25.hp
Institut: Institut für Mikrosystemtechnik
Fakultät: Technische Fakultät (bisher: Fak. f. Angew. Wiss.)
DDC-Sachgruppe: Technik
Dokumentart: Dissertation
Erstgutachter: Woias, Peter (Prof. Dr.)
Sprache: Deutsch
Tag der mündlichen Prüfung: 18.01.2012
Erstellungsjahr: 2012
Publikationsdatum: 02.02.2012
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