Acht Unternehmen wurden am ersten Tag der K-Messe mit dem TecPart-Innovationspreis 2022 ausgezeichnet, eines davon doppelt und ein weiteres sogar dreifach.

Auf der K 2022 verleiht der GKV/TecPart elf Mal seinen Innovationspreis

Automatisierungszellen

Automatisierungstechnik

Spritzgießen

Kunststoffverarbeitung: Verfahren

Doriat, Clemens, Dr.

Schaumspritzgießen

Mehrkomponenten-Spritzgießen

Automatisierungskomponenten

Spritzgießwerkzeuge

Kunststoffverarbeitung: Maschinen und Komponenten

Werkzeuge für die Kunststoffverarbeitung

Warmformen / Thermoformen

Spritzgießsimulation

Software

Simulation

Elastomer-Spritzgießen

Montagelinien

Montagetechnik

Montage

Montage-Spritzgießen

Ultraschallschweißen

Verbindungstechnik Verfahren

Thermisches Fügeverfahren

Dreidimensionale Puzzles

Bereits seit über 50 Jahren verlässt sich Weißer + Grießhaber dabei auf Spritzgießmaschinen von Arburg

v.l.n.r.: Christoph Wild, Jana Herrmann, Frank Wiedmaier, Tobias Trippel, Reinhard Fauser, Kai Hartelt, Fa. Weißer + Grießhaber, Martin Mühlen

16:9

Spritzgießmaschinen

Unternehmen

kunststoffe.de

Über eine Milliarde Teile pro Jahr

Die Weltleitmesse K hat in diesem Jahr erstmals auf breiter Front praktikable Lösungen für eine höhere Ressourceneffizienz aufgezeigt. Ein erster Streifzug übers Messegelände.

Wie sich Rezyklate mit digitalen Helfern prozesssicher verarbeiten lassen, offenbarte die K 2022 den Besuchern anhand zahlreicher Praxisbeispiele.

Solar / PV

Energieerzeugung

Erneuerbare Energie

Temperiertechnik

Condition Monitoring / Prozessüberwachung

Instandhaltung

Biokunststoffe

Kunststoff Werkstoffe

Handling, Handhabungstechnik

Oberflächentechnik

Energieeffizienz

Industrie 4.0 für die Kunststoffverarbeitung

Industrie 4.0

Digitalisierung

Kunststoff-Rezyklat

Silikonkautschuk

Kautschuk / Elastomere

Kreislaufwirtschaft

Compoundieren

Kunststoff-Aufbereitung

Geht doch

Mit einem klaren Rezept – durch Einsatz von Rezyklat, Ökoenergie und die Anwendung von Leichtbauweisen – konnte am Kunststoff-Zentrum in Leipzig (KUZ) der CO2-Fußabdruck eines Automobilbauteils um 40 Prozent gesenkt werden.

Das optimierte Funktionsträgerbauteil besteht zum Teil aus Rezyklat und beinhaltet eine geschäumte Kernschicht.

Wirksame Maßnahmen zur Senkung des CO2-Fußabdrucks von Spritzgussbauteilen

Nachhaltigkeit

Umweltmanagement

Klimaschutz ernst genommen

Spritzgießzelle vereint hohe Artikelvarianz mit automatisiertem Produktwechsel

Mit dem neuen Maschinen-Werkzeugkonzept lassen sich 159 Produktvarianten fertigen.

Flexibles Produktionskonzept vereint hohe Artikelvarianz mit Automatisierung

Inserttechnik

Linearroboter für die Kunststoffverarbeitung

Multiaxialroboter für die Kunststoffverarbeitung

Eine Anlage, 159 Varianten

Mittel und Wege zu besonderen Oberflächen beim Spritzgießen wiesen die Aussteller der K 2022. Eine kleine Auswahl.

Der Materialmix des „Rear-End Cover“ ermöglicht es, hinterleuchtete Elemente mit gezielter Lichtabschottung zu erzeugen – ganz ohne unerwünschte Lichtstreuung.

Künstliche Intelligenz für die Qualitätssicherung

Industrie 4.0 für die Qualitätssicherung

Folientechnik (IMD, IML, FIM, u.a.)

Plasmabehandlung

Reinigen und Vorbehandeln

Spritzprägen

Dynamische / variotherme Temperierung

Polycarbonat

Thermoplaste

Das kann sich sehen lassen

Für effiziente LED-Strahler mit einem möglichst hohen Wirkungsgrad hat die Covestro Deutschland AG , Leverkusen, das wärmeleitfähige Polycarbonat Makrolon TC8030 auf den Markt gebracht. Die Abkürzung TC steht dabei für „thermally conductive“. Der Kunststoff soll im Vergleich zu herkömmlich eingesetztem Aluminium eine effiziente Kombination aus guter Wärmeleitfähigkeit und höherer Gestaltungsfreiheit ermöglichen. Er verfügt laut Hersteller über ein ähnlich gutes Wämeleitverhalten wie Aluminium bei geringerem Gewicht und ist deshalb für leichtgewichtigere LED-Lichtlösungen geeignet. Durch die vielfältigen Verarbeitungsmöglichkeiten mittels Spritzgießen sollen damit laut Hersteller neue Formen von Kühlkörpern möglich werden. Weitere thermisch leitfähige Polycarbonat-Typen des Herstellers stehen laut Pressemitteilung kurz vor der Markteinführung.

Wärmemanagement von LED-Lampen 

Kühlkörper

Hochleistungskunststoffe

Wärmeleitfähigkeitsmessung

LED, SLED, OLED

Leitfähiges Polycarbonat Makrolon TC8030 

Die elektrisch leitfähigen Produkte Cabelec der Cabot Corporation präsentiert die Biesterfeld AG, Hamburg. Dazu gehört das PP-basierende Compound Cabelec CA6410, das speziell für Spritzgießanwendungen entwickelt wurde. Es bietet einerseits eine gute Fließfähigkeit und weist andererseits eine sehr hohe Schlagzähigkeit auf. Mögliche Einsatzgebiete sind unter anderem elektrisch leitfähige Verpackungen sowie Transportkisten und -paletten. Cabot und sein Vertriebspartner Biesterfeld für Cabelec in Deutschland, Frankreich und Polen stellen die neuen Produkte auf der K-Messe vor. 

Biesterfeld bietet Cabelec Compounds und Konzentrate 

Polypropylen

Compound

Elektrisch leitende Füllstoffe (Metalllegierungen, Ruß, Graphit)

Compoundeure

Elektrische Leitfähigkeit  individuell einstellen 

Kunststoffe erobern im Wärmemanagement von Elektronikbauteilen immer neue Anwendungen. Dafür müssen sie mit Zusatzstoffen modifiziert werden, die sich während der Verarbeitung räumlich ausrichten. Die thermischen Eigenschaften des Bauteils sind daher richtungsabhängig, wodurch die Fließvorgänge untrennbar mit der Prognose der Wärmeleitfähigkeit zusammenhängen. Dafür wurde ein Modell zur Vorhersage weiterentwickelt. 

Richtungsabhängige Wärmeleitfähigkeit sinnvoll messen und vorhersagen 

Messtechnik

Temperaturmessgeräte

Thermische Prüfeinrichtungen

Die verborgenen Pfade thermischer Eigenschaften 

Die geringe Wärmeleitfähigkeit der Kunststoffmatrix limitiert die Wärmeleitung in polymeren Faserverbundwerkstoffen. Eine Erhöhung der Wärmeleitfähigkeit der Matrix kann dazu beitragen, die Wärme in einem Bauteil besser zu verteilen, thermische Spannungen zu reduzieren und damit die Lebensdauer zu erhöhen.

Beschichten von Kunststoffen

Chemisches Bearbeiten (Auftragen)

Kohlenstofffasern / -matten

Verstärkungsstoffe

Faserverbundwerkstoffe

Andere Werkstoffe

Messung von Umgebung (Klima)

Kohlenstofffaser-Epoxydharz-Verbunde mit erhöhter Wärmeleitfähigkeit – Struktur und Eigenschaften

Anspruchsvolle Teile auch bei kleinen Losgrößen wirtschaftlich zu fertigen, erfordert hohe Flexibilität. Das gilt nicht nur für das Prozessmanagement, sondern auch für die technische Ausstattung. Mit Zwischenplatten der A&E Produktionstechnik lassen sich Spritzgießmaschinen für mehrere Verfahrensvarianten nutzen. 

Heißkanal-Zwischenplatten ermöglichen kostengünstigen Einsatz von Spritzgießmaschinen für Sonderverfahren 

Normalien und Heißkanaltechnik

Spritzgieß-Sonderverfahren

Flexibler Technologiebaukasten 

Industrie 4.0, Leichtbau und Kombinationstechnologien – so lassen sich die aktuellen Trends und Herausforderungen zusammenfassen, die sich in den letzten Jahren in vielen verfahrenstechnischen Entwicklungen im Spritzgießen widerspiegeln. Die Aussteller zeigen in ihren Ankündigungen für die kommende K-Messe, dass sie auch weiterhin auf diese Themen setzen. 

Spritzgießverfahren zwischen Industrie 4.0, Leichtbau und Kombinationstechnologien 

Verbundwerkstoffe / Werkstoffverbunde

Hybridtechnik

Reinraumsysteme / -technik

Reise mit bekanntem Ziel 

Vor dem Auftakt ihrer weltweiten Leitmesse hat sich die Kunststoffbranche mit vielen Innovationen und technischen Neuerungen für die Zukunft gerüstet. Im Fokus vieler Neuheiten steht das Internet der Dinge. So treiben insbesondere Spritzgießmaschinenhersteller die unterschiedlichen Aspekte von "Industrie 4.0" weiter voran und greifen diese in neuen Baureihen, Peripherie und Steuerung auf. 

Effizienz durch Vernetzung: die Spritzgießfertigung von morgen 

Steuerungen (Hardware und Software)

Steuern, Regeln

Die Spritzgießmaschine 4.0 

Auf der zeigt die Elmet Elastomere Produktions- und Dienstleistungs GmbH, Oftering/Österreich, auf vier Ständen neben Neuheiten für die Spritzgießverarbeitung von Zweikomponenten-Flüssigsilikonkautschuken (LSR) auch Anwendungen ihrer Systeme live im Einsatz. Ein Highlight auf dem eigenen Stand in Halle 12/E49-5 wird laut eigener Aussage das neue Mehrkomponenten-Dosiersystem Top 5000 P für die Großserienfertigung anspruchsvoller Bauteile sein.

Mehrkomponenten-Dosiersystem Top 5000 P 

Anspruchsvolle Bauteile für die Großserie fertigen 

Mit der neuen EcoPower Xpress stellt die Wittmann Battenfeld GmbH, Kottingbrunn/Österreich, eine schnelllaufende, vollelektrische Maschine vor, die vor allem auf die Anforderungen der Verpackungsindustrie ausgerichtet ist. Ihre hochdynamischen Antriebsachsen für Einspritzen, Schließen und Öffnen sind für schnelle Bewegungen und höchste Regelgenauigkeit ausgelegt. Durch den Einsatz von Servoantrieben wird darüber hinaus ein hohes Maß an Energieeffizienz erzielt. 

Wittmann Battenfeld 

Servomotoren

2-Komponenten-Mikrospritzgießen mit leitfähigem Material 

Einflüsse von Material- und Prozessparametern beim IMKS unter Verwendung von wärmeleitfähigen Kunststoffen

Die Einsatzmöglichkeit von wärmeleitfähigen Kunststoffen im Zusammenhang mit dem Integrierten Metall/Kunststoff-Spritzgießen (IMKS) ist noch nicht geklärt. Im Beitrag werden Empfehlungen entwickelt.

Die Einsatzmöglichkeit von wärmeleitfähigen Kunststoffen im Zusammenhang mit dem Integrierten Metall/Kunststoff-Spritzgießen (IMKS) ist noch nicht geklärt. In diesem Beitrag werden Empfehlungen hinsichtlich Verarbeitungsparametern und der Nutzung von wärmeleitfähigen Trägermaterialien entwickelt, um die entstehende Wärme von den Leiterbahnen durch den Kunststoffträger abzuleiten.

Es wird deutlich, dass mit der Nutzung von wärmeleitfähigen Kunststoffträgermaterialien unter Betrachtung der geprüften Eigenschaften vergleichbare oder bessere Bauteileigenschaften realisierbar sind. Spritzgießseitig haben alle untersuchten Prozessparameter einen Einfluss auf die resultierende Leiterbahnlänge, da durch Bauteilverzug am Kunststoffträger der Einspritzprozess der metallischen Schmelze behindert wird. Diese Arbeit zeigt außerdem, dass die wärmeleitfähigen Trägermaterialien die entstehende Wärme im Betrieb effektiv ableiten und demnach besser für Anwendungen mit hohen Strombelastungen geeignet sind. Ein langsamer und damit kontrollierter Einspritzvorgang der metallischen Schmelze reduziert das Vorkommen von Lufteinschlüssen in der Leiterbahn und verbessert dadurch die spezifische elektrische Leitfähigkeit des Gesamtbauteils. Bei komplett gefüllten Leiterbahnnuten wird eine höhere Leitfähigkeit am Leiterbahnende deutlich, da die eingeschlossene Luft am Leiterbahnende durch nachströmende Metallschmelze verdrängt wird. Weitere Forschungsvorhaben zur Reduzierung der Lufteinschlüsse sind erforderlich, um weitere Potentiale des IMKS zu erschließen und das Verfahren weiter in die industrielle Anwendung zu überführen.

Ingrid Sturm, Christian Hopmann, Cihan Koyuncu,

Institut für Kunststoffverarbeitung (IKV) an der RWTH Aachen

Die Einsatzmöglichkeit von wärmeleitfähigen Kunststoffen im Zusammenhang mit dem Integrierten Metall/Kunststoff-Spritzgießen (IMKS) ist noch nicht geklärt. Es werden Empfehlungen hinsichtlich Verarbeitungsparametern und der Nutzung von wärmeleitfähigen Trägermaterialien entwickelt, um die entstehende Wärme von den Leiterbahnen durch den Kunststoffträger abzuleiten. Dazu werden Einflüsse aus Material- und Prozessparametervariationen auf die maximal mögliche Leiterbahnlänge, die spezifische elektrische Leitfähigkeit am Leiterbahnbeginn und -ende sowie auf die Bauteilerwärmung untersucht. Hierzu werden Probekörper unter Variation von Material- und Prozessparametern hergestellt und die zuvor genannten Bauteileigenschaften analysiert.

Influences of material and process parameters in IMKS using thermally conductive plastics

The possibility of using thermally conductive plastics in combination with the integrated metal/plastic injection moulding (IMKS) has not been investigated, yet. Guidelines regarding processing parameters and the use of thermally conductive carrier materials are developed, in order to dissipate the generated heat from the conductive path through the plastic carrier. For this purpose, influences of material and process parameter variations on the maximum possible conductor track length, the specific electrical conductivity at the start and end of the conductor track and the component heating are investigated. For this reason, test specimens are produced by varying material and process parameters and the previously mentioned component properties are analysed.

Nicht immer können Anforderungen an Elektronikbauteile von einem Material erfüllt werden, sondern es sind oftmals Kombinationen aus leitfähigen Metallen und Kunststoffen nötig [1, 2]. Solche Hybridbauteile zeichnen sich durch hohe Funktionsintegration und freie Gestaltungsmöglichkeiten aus [1, 2]. Durch die Nutzung von Kunststoffen wird zum einen Gewicht eingespart, zum anderen ermöglicht die freie Formgebung zahlreiche neue Gestaltungsvarianten. Ferner dienen Kunststoffe der Isolation. Metalle hingegen zeichnen sich durch ihre hohe Leitfähigkeit, aber auch durch ihre hohe Steifigkeit und Festigkeit aus [3]. Der wachsende Markt von elektrischen und elektronischen Bauteilen hat fortwährend neue Herstellungsverfahren hervorgebracht, da etablierte Verfahren zur Herstellung von hybriden Kunststoff/Metall-Bauteilen häufig kosten- und zeitintensiv sind. Zudem sind die erreichbaren elektrischen Eigenschaften und die Freiheitsgrade hinsichtlich der Formgebung oft limitiert. Deshalb besteht im Rahmen der technologischen Weiterentwicklung ein Bedarf darin, komplexe dreidimensionale Kunststoffbauteile mit integrierten metallischen Leiterbahnen und guten elektrischen Eigenschaften herzustellen [2]. Demzufolge werden Verfahren wie die 3D-Moulded Interconnect Devices (3D-MID) Technologien den wachsenden Produktanforderungen in der Elektronikindustrie, wie einer erhöhten Komplexität des Bauteils bei gleichzeitiger Miniaturisierung, nicht mehr gerecht [1, 2, 4, 5].

Das Integrierte Metall/Kunststoff-Spritzgießen (IMKS) ist ein Verfahren zur Herstellung von hybriden Kunststoff/Metall-Bauteilen in einem Zyklus auf einer Spritzgießmaschine. Das Verfahren zeichnet sich durch eine weitestgehend uneingeschränkte Formgebungsmöglichkeit aus [6]. Zudem können durch die Reduktion von Fertigungsschritten Prozesszeit und somit Kosten eingespart werden [1, 7]. In Anlehnung an das Mehrkomponenten-Spritzgießen wird durch eine Verfahrenskombination aus Spritzgießen und Metall-Druckgießen zunächst ein Kunststoffträger hergestellt, welcher anschließend in eine zweite Kavität umgesetzt und mit einer Metalllegierung überspritzt wird [8, 9]. Dabei ist die erreichbare spezifische elektrische Leitfähigkeit aufgrund der Leitfähigkeit der eingesetzten Metalllegierungen (bis 8,0 ? 106 S/m) etwas niedriger als bei Konkurrenzverfahren wie den 3D-MID Technologien mit einer spezifischen elektrischen Leitfähigkeit von bis zu 5,6 ? 107 S/m [2, 10].

Zudem bietet der Einsatz von wärmeleitfähigen Kunststoffen neue Möglichkeiten der Funktionsintegration, da beispielsweise ein schwererer metallischer Kühlkörper durch einen spritzgegossenen Kühlkörper aus wärmeleitfähigen Kunststoffen ersetzt werden kann. Dieser kann funktional im Bauteil integriert werden, indem er gleichzeitig als Gehäuse fungiert und zur Fixierung anderer Bauteile aus der Baugruppe verwendet wird [6]. Dies kann beispielsweise bei einer Kennzeichenleuchte Anwendung finden.

Bisher ist die Einsatzmöglichkeit von wärmeleitfähigen Kunststoffen als Trägermaterial im Zusammenhang mit dem IMKS noch nicht geprüft worden. Zudem fehlen Kenntnisse über die Tragweite der Vorteile von wärmeleitfähigen Kunststoffen bei E/E-Anwendungen sowie den potenziellen Nachteilen beim Einsatz im IMKS. Es liegt demnach kein ausreichendes Wissen über die Eignung von wärmeleitfähigen Kunststoffen als Trägermaterial beim IMKS vor. Zudem gibt es noch keine hinreichenden Erkenntnisse bezüglich der Veränderung der Bauteileigenschaften, wie der realisierbaren Leiterbahnlänge bei Verwendung von wärmeleitfähigen Kunststoffen und in Abhängigkeit von verschiedenen Prozessparametern.

Ziel der vorliegenden Untersuchungen ist daher die Überprüfung der Materialkompatibilität von wärmeleitfähigen Kunststoffen und niedrig-schmelzendem Lot im Zusammenhang mit dem IMKS sowie die Ermittlung von prozess- und materialbedingten Verarbeitungsempfehlungen. Es sollen Vor- und Nachteile hinsichtlich des Einsatzes von wärmeleitfähigen Kunststoffen im IMKS ermittelt werden. Zudem sollen Erkenntnisse hinsichtlich des Wärmetransports durch thermisch leitfähige Kunststoffe erarbeitet werden. Hierzu werden Probekörper aus drei unterschiedlichen Trägermaterialien und einer niedrig schmelzenden Metalllegierung unter Variation der Prozessparameter hergestellt und anhand verschiedener Bewertungskriterien untersucht. Es wird die realisierbare Leiterbahnlänge analysiert und die Probekörper werden elektrischen Prüfungen unterzogen, um den Einfluss von wärmeleitfähigen Trägermaterialien auf die physikalischen Eigenschaften zu untersuchen.

Im Rahmen dieses Kapitels wird zunächst das Integrierte Metall/Kunststoff-Spritzgießen vorgestellt, anschließend werden Grundlagen zu wärmeleitfähigen Kunststoffen dargelegt.

2.1 Integriertes Metall/Kunststoff-Spritzgießen (IMKS)

Wie in Kapitel 1 dargelegt, weisen die etablierte Verfahren zur Herstellung hybrider Kunststoff/Metall-Bauteile Restriktionen auf [2]. Eine Alternative zu diesen Verfahren ist das am Institut für Kunststoffverarbeitung (IKV) in Aachen entwickelte Integrierte Metall/Kunststoff-Spritzgießen (IMKS) [1, 7, 11]. Beim IMKS wird das Kunststoff-Spritzgießen mit dem Metall-Druckgießen kombiniert, sodass Kunststoff/Metall-Hybridbauteile in einem Werkzeug und auf einer Maschine herstellbar sind. Ein großer Vorteil dieses Verfahrens gegenüber den anderen Technologien liegt in der Verkürzung von Prozess- und Montageschrit-ten [1, 2]. Auch die zuvor aufgeführten Nachteile bezüglich der eingeschränkten Formgebung können mit dem IMKS überwunden werden [1, 2, 11, 12]. In Bild 1 ist das Prinzip des IMKS dargestellt.

In der ersten Kavität des Zwei-Kavitäten-Werkzeugs wird zunächst ein Kunststoffträger spritzgegossen. Anschließend wird dieser in die zweite, für das Druckgießen vorgesehene Kavität umgesetzt, z. B. durch ein Handling oder einen Drehteller. Ein Druckgießaggregat zur Verarbeitung der niedrig schmelzenden Metalllegierung ist direkt an das Spritzgießwerkzeug ange-flanscht, welches über die Kernzugsteuerung der Spritzgießmaschine gesteuert wird. Anschließend wird der Kunststoffträger mit der metallischen Leiterbahn überspritzt [8, 9].

Bild 1: Prinzip des Integrierten Metall/Kunststoff-Spritzgießen (IMKS)

Allgemein zeigen Kunststoffe eine niedrige Wärmeleitfähigkeit, die üblicherweise zwischen 0,15 W/m?K und 0,50 W/m?K liegt [13]. Um die Wärmeleitfähigkeit von Kunststoffen zu steigern, können wärmeleitfähige Füllstoffe in den Kunststoff compoundiert werden. Dadurch können Wärmeleitfähigkeiten von etwa 1 – 20 W/m?K erreicht werden [14–16]. Die für die Steigerung der Wärmeleitfähigkeit genutzten Füllstoffe können grundsätzlich in metallische (Aluminium, Magnesiumoxid, Kupfer und Berylliumoxid), organische (Carbon Nanotubes und Graphit) und keramische Füllstoffe (z. B. Bornitrid) unterteilt werden [14–17]. Ferner kann durch Variation der Füllstoffart und des Füllstoffgrads die Wärmeleitfähigkeit von Kunststoffen dem jeweiligen Anwendungsfall entsprechend gezielt angepasst werden [15, 16].

Thermisch leitfähige Kunststoffe entwickeln je nach Füllstoffgeometrie und Menge ein isotropes oder anisotropes Wärmeleitverhalten. Wie auch bei elektrisch leitfähigen Füllstoffen ergibt sich für thermisch leitfähige Füllstoffe ein Perkolationsverhalten [18]. So kommt es zu einer strömungsinduzierten Orientierung der Füllstoffpartikel bei der Verarbeitung, wodurch sich eine Vorzugsrichtung der Wärmeleitung ausbildet [16]. Allgemein unterscheidet sich die Verarbeitung von wärmeleitfähigen Kunststoffen zu konventionellen, ungefüllten Kunststoffen. Durch eine erhöhte Wärmeleitung in der Schmelze erstarrt der Randbereich schneller und verengt den Fließkanal. Folglich müssen sowohl die Prozessführung als auch die Prozessparameter an die veränderten Werkstoffeigenschaften angepasst werden. Neben einer erhöhten Werkzeug-temperatur müssen Einspritzgeschwindigkeit und Einspritzdruck erhöht werden. Dies führt zu einem verengten Verarbeitungsfenster, in dem das Polymer nicht beschädigt wird [14].

Um die Attraktivität des IMKS zu erhöhen und für weitere Anwendungen, wie der Herstellung von KFZ-Kennzeichenleuchten, zu quantifizieren, muss die Kompatibilität mit wärmeleitfähigen Kunststoffen nachgewiesen werden.

Bisherige Untersuchungen haben gezeigt, dass mit dem IMKS spezifische elektrische Leitfähigkeiten von über 8,0 ? 106 S/m erzielt werden. Diese spezifische elektrische Leitfähigkeit liegt in der für Anwendungen im Elektro- und Elektronikbereich üblichen Größenordnung [2, 11]. Da thermisch leitfähige Kunststoffe zunehmend eine wichtige Rolle beim Wärmemanagement von E/E-Bauteilen einnehmen, muss der bisher nicht bewertete Einfluss der Werkstoffe auf die spez. elektrische Leitfähigkeit sowie die Verarbeitung im IMKS untersucht werden. Somit ergeben sich folgende Forschungsfragen, die im Rahmen des Beitrags beantwortet werden:

* Lassen sich IMKS-Bauteile grundsätzlich mit wärmeleitfähigen Kunststoffen realisieren?

* Welchen Einfluss haben wärmeleitfähige Kunststoffe auf die resultierenden Leiterbahnlängen?

* Welche elektrischen Eigenschaften lassen sich durch das IMKS im Zusammenhang mit wärmeleitfähigen Kunststoffen realisieren?

Um die aufgestellten Forschungsfragestellungen zu beantworten, werden zwei Versuchspläne (einer für den Spritzgieß- und einer für den Druckgießprozess) miteinander kombiniert, um anschließend Einflüsse der Material- und Prozessparameterkombinationen auf unterschiedliche Qualitätsfaktoren der hergestellten IMKS-Bauteile zu ermitteln. Die Versuchsergebnisse werden anschließend anhand unterschiedlicher Kriterien statistisch ausgewertet, sodass Effekte der Prozessparameter auf die realisierbare Leiterbahnlänge, die spezifische elektrische Leitfähigkeit und die Stromtragfähigkeit abgeleitet werden können [19]. Diese Auswertung gliedert sich in drei Schritte:

Zunächst wird ein Vergleich zwischen der spezifischen elektrischen Leitfähigkeit am Leiterbahnbeginn und -ende gezogen, um Leitfähigkeitsunterschiede zu detektieren. Hierbei sollen Material- und Prozessparametereinflüsse untersucht werden, wobei der Fokus auf der Auswertung des Druckgießversuchsplans liegt. Für die Analyse der Einflüsse von Prozessparametern auf die realisierbaren Leiterbahnlängen werden beide Versuchspläne ausgewertet, um material- und prozessbedingte Verarbeitungsempfehlungen abzuleiten. Hierzu werden zum einen die Spritzgießparameter betrachtet, um Einflüsse, möglicherweise bedingt durch Verzug und Schwindung, auf die Trägerplatte zu identifizieren. Zum anderen dient die Analyse der Druckgießparameter der direkten Identifikation von Einflüssen auf die Leiterbahnlänge. Des Weiteren wird die Bauteilerwärmung über die Stromtragfähigkeit der Bauteile untersucht, um Rückschlüsse auf die Materialeignungen zu ziehen und die Einflüsse verschiedener Prozessparameter identifizieren zu können.

Die Probekörperherstellung erfolgt unter Verwendung einer vollhydraulischen Spritzgießmaschine des Typs Demag Ergotech 80/420 – 310 System von der Sumitomo Demag Plastics Machinery GmbH, Schwaig, Deutschland. Weiterhin weist die Maschine hydraulisch betriebene Kernzüge auf, die das Rüsten und den Betrieb eines Beistellaggregats ermöglichen. Die Werkzeugtemperierung erfolgt über zwei separate Temperiergeräte des Typs Regloplas P140 der Regloplas AG, St. Gallen, Schweiz. Zur Verarbeitung der metallischen Schmelze wird ein Druckgießaggregat der Heinze Kunststofftechnik GmbH & Co. KG, Herford, Deutschland, verwendet. In den Schmelztiegel des metallischen Lots wird zusätzlich Stickstoff eingeleitet, um die Bildung von Metalloxiden zu vermeiden.

Das verwendete hybride, modular aufgebaute Spritzgießwerkzeug besitzt zwei Kavitäten und zwei separate, getrennte Angusssysteme sowie ein Auswerfersystem. Die Angüsse für den Kunststoff und für das metallische Lot sind jeweils mit einem Heißkanal ausgestattet. Zur Fertigung der zu untersuchenden Probekörper wurde ein Werkzeugeinsatz konstruiert und gefertigt. Die Kunststoffprobekörper weisen eine Grundfläche von 101 mm x 124,4 mm und eine Dicke von 3 mm auf, Bild 2. Im Kunststoffträger ist eine Nut in Form einer Fließspirale aus zehn geraden Abschnitten und neun 180°-Kurven vorgesehen, in die im zweiten Schritt die flüssige Metallschmelze injiziert wird. Die Gesamtleiterbahnlänge beträgt 800 mm und deckt alle gängigen Anwendungen im E/E-Bereich ab [20]. Aufbauend auf Erkenntnisse vorangegangener Arbeiten wird der Leiterbahnquerschnitt quadratisch mit einer Querschnittsfläche von 2,25 mm2 gewählt [2, 11].

3.2 Material- und Prozessparameterauswahl

Zur Probekörperherstellung der Kunststoffträger kommen drei Polycarbonate der Typen Makrolon 2405, Makrolon TC110 und Makrolon TC210 der Covestro Deutschland AG, Leverkusen, Deutschland, zum Einsatz. Makrolon TC110 und Makrolon TC210 sind wärmeleitfähig und weisen eine Wärmeleitfähigkeit von 1,0 W/m?K (TC110) sowie von 1,4 W/m?K (TC210) auf. Makrolon 2405 hingegen ist nur gering wärmeleitfähig (0,2 W/m?K) und dient als Referenzmaterial, um den Einfluss von wärmeleitfähigen Kunststoffen im Zusammenhang mit dem IMKS zu bewerten [21–23].

Zur Herstellung der metallischen Leiterbahnen wird die Legierung Sn100Ni+ von der FELDER GmbH Löttechnik, Oberhausen, Deutschland, verwendet, welche nahezu ausschließlich aus Zinn besteht und ein Standardmaterial für E/E-Anwendungen darstellt [24]. Der Schmelzpunkt liegt mit 227 °C im gemeinsamen Verarbeitungsbereich mit den Kunststoffen [21–24]. Die spezifische elektrische Leitfähigkeit liegt bei 7,5?106 S/m [24].

Zunächst werden die wichtigsten Spritzgießprozessparameter herausgearbeitet, die einen Einfluss auf die zu untersuchenden Eigenschaften haben könnten. Die Kunststoffschmelze- und Werkzeugtemperatur haben maßgeblichen Einfluss auf das Füllverhalten während des Spritzgießvorgangs. Durch unterschiedlich hohe Temperaturgradienten wird dadurch zudem Verzug und Schwindung beeinflusst. Die Variation der Einspritzgeschwindigkeit beeinflusst die Bauteiloptik, aber auch das Füllverhalten im Prozess. Mit dem Nachdruck soll zudem ein weiterer Parameter betrachtet werden, der einen Einfluss auf die Schwindung des Bauteils hat [5]. Es ergibt sich daher ein vollfaktorieller 24-Versuchsplan mit den in Tabelle 1 dargestellten Parametergrenzen, deren Grundlage die Datenblätter der jeweiligen Materialien bilden [21–23].

Tabelle 1: Parameter und Faktorstufen des Spritzgießversuchsplans (TKS: links: Makrolon 2405; rechts: Makrolon TC110 und Makrolon TC210)

Infolge unterschiedlich schneller Abkühlvorgänge beeinflusst druckgießseitig die Schmelze- und Werkzeugtemperatur die Bildung von Fehlstellen wie Luft-einschlüsse und damit auch indirekt die elektrische Leitfähigkeit [25]. Da die Werkzeugtemperatur im Spritzgießversuchsplan bereits variiert wird, sollen die thermischen Randbedingungen druckgießseitig nur über die Schmelzetempe-ratur des metallischen Lots (TMS) untersucht werden. Durch verschiedene Einspritzgeschwindigkeiten soll zwischen einem schnellem und einem lang-samen Einspritzvorgang unterschieden werden. Die Einspritzgeschwindigkeit wird durch den Kolbendruck und die Kolbengeschwindigkeit, welche maschinen-seitig über die Kernzugsteuerung eingestellt und über einen prozentualen Wert der maximalen Kolbengeschwindigkeit angegeben wird, vorgegeben. Somit werden die Schmelzetemperatur des metallischen Lots und die Kolben-geschwindigkeit mit konstantem Kolbendruck als Versuchsparameter anhand des vollfaktoriellen 22Versuchsplans (s. Tabelle 2) betrachtet, dessen Grundlage sowohl Voruntersuchungen als auch die Angaben des Materialdatenblatts bilden [24].

Tabelle 2: Parameter und Faktorstufen des Druckgießversuchsplans

Zur Auswertung der Versuchspläne werden verschiedene Bauteilprüfungen durchgeführt. Zunächst werden die optischen Analysen, die entsprechende Probenpräparation und die Messung der Leiterbahnlängen vorgestellt. Ferner wird die Herangehensweise bei den elektrischen Prüfverfahren erläutert. Im Rahmen der Auswertung werden signifikante Effekte mit einer Signifikanzgrenze von 95 % lediglich anhand einer Haupteffektanalyse ermittelt.

3.3.1 Optische Analysen und Bestimmung der Leiterbahnlängen

Die mikroskopischen Untersuchungen dienen der Identifizierung von Lufteinschlüssen und Lunkern, die eine direkte Aussage über den elektrischen Widerstand und damit über die Leitfähigkeit der Leiterbahn ermöglichen. Hierzu werden einzelne Abschnitte mit einer Länge von 20 mm und einer Breite von 5 mm aus der Leiterbahn präpariert, so dass ein Längsschnitt entlang der Leiterbahn entsteht. Die Mikroskopieaufnahmen werden mit einem VHX-5000 Digital-mikroskop der Keyence Deutschland GmbH, Neu-Isenburg, Deutschland, und einem Weitbereichszoomobjektiv VH-Z50 UR mit einer 50-fachen Vergrößerung erstellt.

Für die Messung der fließspiralförmigen Leiterbahnlänge wurde eine Schablone in Anlehnung an die Probekörpergeometrie konstruiert und aus PLA von Prima Printer Nordic AB, Malmö, Schweden, mit Hilfe einer Creality Ender 3 FDM-Anlage von Comgrow 3D Technology Co., Limited, Hongkong, China, gefertigt. Pro Versuchspunktkombination werden fünf Probekörper vermessen.

01012023_ Kunststofftechnik.pdf

IMKS-Probekörper mit spiralförmiger Leiterbahngeometrie

01012023_FIN-346 Sturm

Autoren Ingrid Sturm, Christian Hopmann, Cihan Koyuncu, Institut für Kunststoffverarbeitung (IKV) an der RWTH Aachen

Erschienen in Zeitschrift Kunststofftechnik / Journal of Plastics Technology, 01/2023, Seite: 1–26 © Carl Hanser Verlag GmbH & Co. KG ISSN 1864 – 2217