Die Brennstoffzelle ist vom Nischenprodukt auf dem Weg in die Serie. Zur weiteren Senkung von Preis und Gewicht gilt es aber, die derzeit noch teuren Komponenten in Brennstoffzellensystemen durch preisgünstige Materialien – und hier insbesondere Kunststoffe – zu ersetzen. Um schädigende Auswirkungen auf die Lebensdauer der Brennstoffzelle auszuschließen, ist dabei allerdings eine Qualifizierung zur Eignung der Materialien erforderlich.

Neues Prüfkammerdesign: interner Aufbau zur Vermessung von Festkörperproben (links oben) und von Additiven (rechts)

Schritte zur Entwicklung standardisierter Qualifizierungsmethoden für Kunststoffe bei Antriebstechnologien

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Speed-Dating für Brennstoffzellen

Kunststoffbauteile besitzen eine immer höhere Lebensdauer. Klassische Methoden zur Bestimmung des Langzeit- und Alterungsverhaltens stoßen deshalb an ihre Grenzen. Eine Reihe von neuen zeitraffenden Prüfverfahren kann dafür Abhilfe schaffen.

Im Gegensatz zu vielen pflanzlichen Produkten lassen sich die Veränderungen von Kunststoffen über ihre Lebensdauer nicht kurzfristig beobachten

Zeitraffende Prüfmethoden für das Langzeit- und Alterungsverhalten von Kunststoffen

Alterungsprüfanlagen, Ermüdungsprüfanlagen

Jahre in nur wenigen Tagen simulieren

Praxisvorführungen, Vorträge und Burger

Sieben Stationen umfasste die Führung im Rahmen des Technologietags. Hier der Blick ins Spritzgieß-Technikum des SKZ.

Extrusion

Kunststoffverarbeitung: Verfahren

Spritzgießen

Schröder, Susanne

SKZ Technologietag 2021

Terahertz- und Mikrowellenverfahren bieten sich in vielen Einsatzgebieten für die Prüfung von Kunststoffverpackungen an. Die beiden Messtechniken haben dabei unterschiedliche Stärken und eignen sich für verschiedene Anwendungen.

Die Prüfung von geschäumten Produkten wird im Verpackungsbereich immer wichtiger. Mit der THz-Messtechnik lässt sich sowohl die Zellgröße als auch die Zellgrößenverteilung und die lokale Rohdichte von Schäumen bestimmen

16:9

20:7

Vergleich der Terahertz- und Mikrowellenmesstechnik

Verpackungsmittel aus Kunststoffen

Kunststoffverarbeitung

Kunststoffe

Photonik

Optik

Mikrowellenmesstechnik

Elektrische / Magnetische Messtechnik

Industrielle Messtechnik

Inline-Messtechnik

Verpackungen kontaktlos prüfen

Bislang musste zur Auslegung von Kunststoffzahnrädern die Zahnweite punktuell und manuell vor, während und nach der Getriebeprüfung vermessen werden. Ein neu entwickelter In-situ-Getriebeprüfstand ermöglicht die Untersuchung von Zahnverformung und Verschleißverhalten während der Getriebeprüfung.

Zahnradverschleiß: Darstellung des Materialabtrags an den Zahnflanken am Beispiel einer Zahnradpaarung gemäß VDI 2736 Baugröße 1

In-situ-Getriebeprüfung für die anwendungsnahe Untersuchung spritzgegossener  Kunststoffzahnräder

Zahnräder

Halbzeuge und Zwischenprodukte

Kunststoff-Halbzeuge

Verschleißprüfgeräte

Zahnradmessgeräte

Form- / Oberflächenmesstechnik

Inline- / Online-Messsysteme

Mikrometergenau auf den Zahn gefühlt

Ein multifunktionales Messgerät kombiniert die rheologische Charakterisierung mit einer dynamisch-mechanischen Analyse.

Platte-Platte-Aufbau mit 25 mm Durchmesser für die rheologische Messung einer Polymerschmelze am MCR-702-MultiDrive- Rheometer mit einem Konvektionsofen (CTD 600 MultiDrive ready)

Von der Schmelzrheologie bis zu den mechanischen Eigenschaften gedruckter Bauteile

Werkstoffprüfung, mechanisch

Elastizitätsprüfgeräte

Mechanische Messtechnik

Zug-und Druckfestigkeitsprüfgeräte

Rheologie

Multifunktionale Werkstoffanalyse

Die Grenzflächendichtheit hybrider Kunststoff-Metall-Verbunde wie spritzgegossener Stecker stellt ein maßgebliches Qualitätsmerkmal dar. Bislang fehlt es allerdings an einer geeigneten Messtechnik, mit der sich die Mediendichtheit solcher Formteile exakt quantifizieren lässt. Ein neues Verfahren liefert deutlich genauere Ergebnisse als bisherige Prüfmethoden.

Bild 1. Aufbau eines Prüfkörpers mit Metalleinleger (links) und Messaufbau (rechts): Die Pfeile zeigen mögliche Permeationspfade (orange) und Grenzflächen-Leckagepfade (rot)  

Messmethode für die exakte Bestimmung von Leckagen an Kunststoff-Metall-Verbunden

Verbundwerkstoffe / Werkstoffverbunde

Kunststoff Werkstoffe

Stecker

Elektromechanik

Kunststoff

Bauwesen

Baustoffe

Steckverbinder

Wie dicht sind Stecker wirklich?

Mithilfe der Rasterkraftmikroskopie lassen sich verschiedene Eigenschaften von Kunststoffoberflächen bestimmen. Allerdings war bisher für unterschiedliche Messmethoden ein Wechsel der Hardware am Prüfkopf notwendig. Eine spezielle Sensortechnologie macht den Austausch des Kopfs unnötig.

Alle AFM-Messungen können bei der Tosca-Serie mit nur einem Actuator Body und somit ohne Hardware-Austausch durchgeführt werden

Kunststoffoberflächen einfacher mit Rasterkraftmikroskopie untersuchen

Polymethylmethacrylat

Thermoplaste

Charakterisierung ohne Prüfkopfwechsel

Auf dem Weg zur durchgängig OPC-UA-basierten Kommunikation in der Spritzgießverarbeitung setzen Engel und Werner Koch Maschinentechnik den nächsten Meilenstein.

Engel und Koch machen es möglich, jetzt auch Dosier- und Mischgeräte über OPC UA in die Steuerung der Spritzgießmaschinen zu integrieren.

Engel und Koch wagen den nächsten Schritt

Die flexible Bedienung der Anlagen war das Entwicklungsziel von Beck Automation für ein neues HMI. Das moderne Eingabesystem im Hochformat erleichtert nicht nur die Programmauswahl an der Anlage, sondern bietet auch eine portable Lösung für einen flexiblen Zugriff rund um die Maschinen.

Eingabeoberfläche komplett überarbeitet: das neue HMI an einer IML-Anlage

Automatisierungszellen

Automatisierungstechnik

Steuerungen (Hardware und Software)

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

Beck Automation rüstet Anlagen mit neuem HMI aus

Über 60 Teilnehmer konnte die Wirth Werkzeugbau GmbH zu ihren Innovationstagen im September begrüßen. Im Zentrum des Programms stand das thermoplastische Schaumspritzgießen – mit einer besonderen Neuheit bei den Maschinenvorführungen.

Geschäftsführer Werner Wirth mit dem im Endlos-Sandwich-Spritzgießen hergestellten Ski

Bei den Wirth-Innovationstagen heißt es „Wissen und Technik live erleben“

Doriat, Clemens, Dr.

Schaumspritzgießen

Mehrkomponenten-Spritzgießen

Spritzgießwerkzeuge

Kunststoffverarbeitung: Maschinen und Komponenten

Werkzeuge für die Kunststoffverarbeitung

Dynamische / variotherme Temperierung

Heißkanalsysteme

Komponenten für die Kunststoffverarbeitung

Werkzeugbau mit Anwendungstechnik

Bei der Produktion von 2K-Formteilen auf vertikale statt horizontale Spritzgießmaschinen zu setzen, war in der Vergangenheit bestenfalls bei kleinen und mittelgroßen Formteilen eine Option. Erst als es beim Autozulieferer Eldisy um Formteile im obersten Größensegment ging, erwies sich der Systemwechsel als unumgängliche, weil absehbar betriebssicherere und damit produktivere Alternative. Im bayerischen Spritzgießmaschinenhersteller LWB Steinl fand man einen Partner, um dieses Neuland zu betreten.

Eine vertikale Portalrahmenmaschine mit zwei von oben einspritzenden Thermoplast-Spritzaggregaten erweist sich bei Eldisy in Gardelegen als „Gamechanger“ für die Herstellung von 2K-Automobilkomponenten 

Automobilzulieferer Eldisy steigt für 2K-Produktion auf Vertikalmaschinen um

Spritzgießmaschinen

KFZ-Zulieferer

Mit einem Systemwechsel zu neuer Wettbewerbsfähigkeit

Die Digitalisierung kommt zur rechten Zeit. Mehr und mehr entpuppen sich smarte Lösungen als Geburtshelfer ressourcenschonender Technologien und Wegbereiter für die Kreislaufwirtschaft. Digitale Assistenten für Prozessregelung und -bewertung sind längst Standard, und auch Messeaussteller ziehen einen besonderen Nutzen aus der Digitalisierung.

„Augmented Reality“ eingeblendet: Temperaturen der Schneckenzylinder-Regelzonen von  der Einzugszone bis zur Düse (beginnend rechts), sowie Animation des zukünftigen Programmablaufs

Trendige Spritzgießanwendungen auf der Fakuma 2021

Condition Monitoring / Prozessüberwachung

Instandhaltung

Digitale Transformation

Wirtschaft

Innovationen und neue Technologie

Spritzprägen

Industrie 4.0 für die Kunststoffverarbeitung

Industrie 4.0

Kunststoff-Recycling

Kunststoff-Aufbereitung

Digitaler Zwilling

Software

Simulation

Lasermarkieren

Oberflächentechnik

Laserbearbeitungen

Kunststoff-Rezyklat

Kreislaufwirtschaft

Wegbereiter für die Kreislaufwirtschaft

Neuer Termin für das Branchenevent ist der 22. bis 25. Juni 2022.

Sicherheit geht vor: Damit sich die Gäste aus aller Welt bei den Technologie-Tagen (das Bild zeigt die Veranstaltung von 2019) möglichst unbeschwert treffen können, hat Arburg den Termin verschoben

Arburg Technologie-Tage 2022 erst im Juni

In der neunten arburgXvision wurden Strategien vorgestellt, mit denen sich der Nutzungsgrad von Spritzgießmaschinen deutlich steigern lässt.

Moderator Guido Marschall diskutierte mit den Arburg-Experten Christian Homp, und Christoph Blöchle (v.r.) wie sich eine richtige Werkzeugstrategie für Spritzgießbetriebe auszahlt

Spritzgießsimulation

„Werkzeug-Strategie 2.0 – neue Ideen zur Kostensenkung“

Der Wärmeausdehnungskoeffizient kann helfen, die Produktqualität zu sichern

Bei der Konstruktion von Teilen und Komponenten aus faserverstärkten Verbundwerkstoffen muss der thermische Ausdehnungskoeffizient berücksichtigt werden. Er bestimmt, wie sich ein Material beim Erwärmen oder Abkühlen in der Länge verändert. Dieses Qualitätskriterium zu vernachlässigen, kann weitreichende Folgen haben.

Bei der Konstruktion von Teilen aus faserverstärkten Verbundwerkstoffen bestimmt der thermische Ausdehnungskoeffizient, wie sich ein Material beim Erwärmen oder Abkühlen in der Länge verändert. Dieses Qualitätskriterium zu vernachlässigen, kann weitreichende Folgen haben.

Faserverstärkte Verbundwerkstoffe, die die Eigenschaften von Fasern und einer Polymermatrix kombinieren, gibt es schon seit Jahrzehnten. Faser-Matrix-Verbundwerkstoffe sind steifer, haben ein hohes Festigkeits-Gewichts-Verhältnis und eine viel geringere Dichte als ihre metallischen Gegenstücke. Dadurch sind sie bis zu 60 % leichter als z. B. Stahl; eine sehr begehrte Eigenschaft, wenn es um Komponenten für den Mobilitätssektor und insbesondere die Automobilindustrie geht, wo die Gewichtsreduzierung wichtig ist, um die Kraftstoffeffizienz zu verbessern.

In ähnlicher Weise können auch elektronische Baugruppen als Verbundwerkstoffe betrachtet werden. FR4 (FR = flammhemmend) und seine Derivate (FR2, FR3, FR5) sind die am weitesten verbreiteten Basismaterialien für elektronische Leiterplatten und Baugruppen. Das Trägermaterial des FR4 besteht aus Glasfasern, die zu einem dünnen Gewebe verarbeitet werden. Das Glasgewebe wird dann mit einem flammhemmenden Epoxidharz imprägniert. Der daraus resultierende kostengünstige Verbundwerkstoff ist steif, elektrisch isolierend und funktioniert unter den meisten Umgebungsbedingungen gut. Wenn das Verbundmaterial allerdings während des Produktionsprozesses und auch später im Gebrauch mehrere thermische Zyklen durchläuft, zeigen sich Unterschiede im Materialverhalten zwischen der Epoxidharz-Matrix und dem verstärkenden Glasgewebe. Dies kann zu Produktversagen führen.

Eine wichtige Eigenschaft, die bei der Konstruktion von Teilen und Komponenten aus Verbundwerkstoffen berücksichtigt werden muss, ist daher der thermische Ausdehnungskoeffizient, α, CTE oder WAK (coefficient of thermal expansion, Wärmeausdehnungskoeffizient). Er bestimmt, wie sich ein Material beim Erwärmen oder Abkühlen in der Länge verändert. Der CTE kann auch als Kriterium für die Qualitätskontrolle verwendet werden.

TMA als Werkzeug zur Untersuchung des Ausdehnungsverhaltens

Die thermomechanische Analyse (TMA) ist ein ideales Werkzeug, um das Ausdehnungsverhalten und die Erweichungstemperatur verschiedener Materialien wie Polymere, Elastomere und Verbundwerkstoffe zu untersuchen. Sie liefert grundlegende Informationen über den CTE, die Glasübergangstemperatur sowie über viskoelastische Eigenschaften.

Es handelt sich um eine sehr empfindliche Methode, mit der schwache physikalische Übergänge bestimmt werden können, die mit Änderungen des Moduls, der Aushärtung oder der Delamination verbunden sind und die manchmal mit der Differential Scanning Calorimetry (DSC) nicht erfasst werden können. In drei Fallstudien wird hervorgehoben, wie wichtig die Analyse des CTE und anderer Schlüsseleigenschaften bei der Konstruktion und Herstellung hochwertiger Verbundwerkstoffteile und -komponenten ist.

Es gibt verschiedene Möglichkeiten, die Faser in die thermoplastische Matrix einzuarbeiten:

<ul><li>zufällig orientierte Fasern, auch Wirrfasern genannt,</li><li>unidirektionale Endlosfasern oder</li><li>multidirektionale Gewebe.</li></ul>

Während Wirrfasern die Festigkeit und Steifigkeit im Vergleich zum reinen Polymer bis zu einem gewissen Grad erhöhen, erhöht der Zusatz orientierter Fasern in einer bevorzugten Richtung die Leistung in dieser Teilerichtung erheblich. Die Vorzugsrichtung verleiht dem Verbundwerkstoff anisotrope Eigenschaften, d. h. die Eigenschaften in der Faserorientierung werden durch die Fasereigenschaften dominiert, und senkrecht dazu sind die Matrixeigenschaften ausgeprägter.

Die Kenntnis dieses anisotropen Verhaltens ist für das Design und die Herstellung von Verbundwerkstoffkomponenten wichtig. Obwohl immer zuerst an die Anisotropie der mechanischen Eigenschaften gedacht wird, unterscheidet sich das Ausdehnungsverhalten des Materials auch in Abhängigkeit von der Faserrichtung. Wenn die Anisotropie eines Materials übersehen wird oder nicht bekannt ist, kann dies zu großen Problemen im Endprodukt führen. Beispielsweise können sich ebene Oberflächen wölben oder, noch schlimmer, Risse bilden oder ganze Bauteile brechen.

Entscheidend ist Verständnis der Anisotropie bei Hochleistungsverbunden

Für diese Studie wurden bei der Neue Materialien Bayreuth GmbH (NMB) Proben vorbereitet. Drei Lagen eines UD-Tapes (PP-GF) wurden übereinandergestapelt und in einer Doppelbandpresse in drei Heizzonen von 180 bis 190 °C vorverfestigt. Anschließend wurde das Blank in einem Umluftofen für 10 min vorgewärmt und in eine Heißpresse mit einer Werkzeugtemperatur von 80 °C transferiert. Dort wurde während der Erstarrung 5 min lang ein Druck von 10 bar angelegt. Die resultierende Dicke beträgt 1 mm. Während das Tape einen durchschnittlichen Faservolumengehalt von 45 Vol.-% hat, wurden die lokalen Variationen in der Platte zwischen 40 und 50 Vol.-% GF gemessen.

Ausdehnungskoeffizienten  in unterschiedlicher Richtung

Für die Messungen mit einem thermomechanischen Analysator (Typ: TMA 402 F3 Hyperion Polymer Edition; Hersteller: Netzsch-Gerätebau GmbH) wurden Proben von 25 x 5 mm in zwei verschiedenen Richtungen aus der Platte geschnitten: 0° in Faserrichtung und 90° zur Faserrichtung. Nach einem ersten Abkühlschritt wurde die Temperatur von –70 bis 140 °C bei einer Heizrate von 5 K/min in einer N2 -Atmosphäre (Gasdurchflussrate 50 ml/min) erhöht. Es wurde ein Expansionsprobenhalter aus SiO2 verwendet und die Probe mit 50 mN belastet. Der thermische Ausdehnungskoeffizient wurde mithilfe der Mittelwert-CTE-Analyse (m. CTE) ermittelt, bei der die Steigung zwischen zwei Datenpunkten berechnet wird.

Das Material weist, je nach Messrichtung, unterschiedliche CTE auf (Bild 1). Die grüne Kurve stellt die Messung in der Faserrichtung 0° dar. Der niedrige CTE-Wert liegt im Bereich des CTE von Glas und zeigt, dass diese Messrichtung durch die geringe thermische Ausdehnung der Glasfasern dominiert wird. Das gleiche Material, 90° zur Faserrichtung gemessen (orange Kurve), wird von der PP-Matrix dominiert. Es zeigt einen viel höheren CTE und weist den bekannten Glasübergang (Tg) von Polypropylen bei –7 °C auf, der in der grünen Kurve nicht zu beobachten ist.

In der Matrix folgt die dominierende Richtung des CTE eines Verbundwerkstoffs der Mischungsregel:

wobei α der lineare Wärmeausdehnungskoeffizient (CTE), v der Volumenanteil und die Indizes f und m die Fasern bzw. die Matrix bezeichnen. Unter der Annahme, dass der gemessene CTE in 0°-Faserrichtung derselbe ist wie αf und der CTE der PP-Matrix, αm = 1,6 x 10–4 K-1 (hier nicht gemessen), wird der Glasfaser-Volumenanteil im gemessenen Verbundwerkstoff berechnet als

Der CTE stellt eine Messgröße für die Orientierung des Füllstoffs im Formteil dar. Bei Kurzfasern, die z. B. im Spritzgießprozess verarbeitet werden, hängt die Füllstofforientierung im Material stark vom Fließfeld während der Materialverarbeitung ab. Das Fließfeld beschreibt, wie das Material die Form füllt. Daher sind im Formteil unterschiedliche Werte für den CTE zu erwarten. Für diese Studie wurden ebenfalls Probekörper bei der NMB hergestellt. In diesem Fall wurde ein niedrigviskoses PEEK-Harz mit 40 Vol.-% kurzen Kohlenstofffasern in einem Plattenwerkzeug von 80 x 80 mm und 2 mm Dicke spritzgegossen. Um eine gleichmäßigere Fließfront zu erhalten und den Faserbruch, der durch einen dünneren Anschnitt auftreten könnte, zu reduzieren, wurde ein Filmanguss verwendet.

Wie korreliert die thermische Ausdehnung mit dem Fließfeld?

Aufgrund des Geschwindigkeitsgradienten über den Bauteilquerschnitt wirken unterschiedliche Kräfte und Momente auf die Fasern und führen zu einer charakteristischen Faserorientierung im Bauteil. In der Mitte des Teils sind die Fasern aufgrund der Dehn- und Querströmung senkrecht zur Strömungsrichtung ausgerichtet. Aufgrund der hohen Schergeschwindigkeiten an der Wand bzw. der erstarrten Randschicht werden die Fasern parallel zur Strömung ausgerichtet.

Für die TMA-Messungen bei Netzsch, Geschäftsbereich Analysieren & Prüfen, wurden Proben aus den Platten entnommen, um den Einfluss der Faserorientierung auf den thermischen Ausdehnungskoeffizienten zu untersuchen. Die erwartete dominante Faserorientierung in den Proben ist ebenfalls dargestellt (Bild 2).

Die Proben wurden wiederum mit dem neuen Gerät TMA 402 F3 Hyperion Polymer Edition gemessen. Nach einem ersten Abkühlschritt wurde die Temperatur von –70 auf 300 °C bei einer Heizrate von 5 K/min erhöht. Der Wärmeausdehnungskoeffizient wurde wiederum mithilfe der m. CTE berechnet, bei der die Steigung zwischen zwei Datenpunkten berechnet wird.

Erwartungsgemäß ist der CTE oberhalb der Tg höher als unterhalb; bei diesen Proben ist er etwa doppelt so hoch. Es ist zu erkennen, dass der CTE von Probe 3 die niedrigsten und von Probe 2 die höchsten Werte aufweist. Probe 1 liegt dazwischen. Der gleiche Trend ist bei Tg zu beobachten. Probe 2, die im Vergleich zu den anderen Proben am stärksten vom Matrixverhalten dominiert wird, hat die gleiche Tg von 143 °C, wie sie im Datenblatt aufgeführt ist (gemessen mit einer DSC). Probe 1, die mehr Einfluss der Faser im CTE zeigt, hat eine höhere Tg von 152 °C, was auf die höhere Steifigkeit hinweist, die durch die Fasern eingebracht wird. Dies lässt sich mit einer TMA feststellen, weil sie eine mechanische Reaktion misst. Probe 3 wird stark von den Fasern dominiert, daher ist die Tg kaum sichtbar und wurde nicht ausgewertet (Bild 3).

Aus den CTE-Messungen sowie der Theorie der Faserorientierung im Strömungsfeld lässt sich die dominante Faserorientierung in den Proben ableiten. Es ist zu erkennen, dass aufgrund der dünnen Proben der Effekt der erstarrten Randschicht in den Proben 2 und 3 dominant zu sein scheint. Die Mehrheit der Fasern ist in Fließrichtung orientiert. Daher ergibt Probe 3 den niedrigsten CTE (Messung in Fließ- und Faserrichtung) und Probe 2 die höchsten Werte (Messung senkrecht zur Fließ- und Faserrichtung).

Zeit bis zur Delamination der elektronischen Baugruppen bestimmt

Um sicherzustellen, dass elektronische Baugruppen und damit Leiterplatten mit einer bestimmten Qualität übereinstimmen, wurden IPC-Normen eingeführt, die eine Messung der Wärmeausdehnung, des Glasübergangs und des Erweichungspunkts erfordern [siehe IPC-TM-650 <a href="http://2.4.24.1">2.4.24.1</a>: Zeit bis zur Delamination (TMA-Methode)]. Die am weitesten verbreiteten Basismaterialien für Leiterplatten sind FR4 (FR = flammhemmend) und seine Derivate (FR2, FR3, FR5). Bei der Herstellung von Leiterplatten werden die Bauteile während der Montage, z. B. im Reflow-Lötofen, thermisch beansprucht. Die Zeit bis zur Delaminierung ist wichtig, wenn es um die Materialauswahl für eine bestimmte Anwendung geht. Bei zwei Messungen an einer FR4-Probe wurde die Zeit bis zur Delaminierung aufgezeichnet (Bild 4). In beiden wurde die Probe auf die Prüftemperatur erhitzt. Dann wurde eine auf einer isothermen Temperatur von 260 °C (gemäß IPC-Norm) und eine zweite auf einer isothermen Temperatur von 300 °C gehalten.

Bei der ersten Messung bei 260 °C (grüne Linie) konnte die TMA keine Delamination feststellen, da die Kurve bis zum Ende der Messung flach bleibt. Bei der höheren Temperatur von 300 °C wird jedoch eine Degradation des Produkts sichtbar. Bei der zweiten Messung wurde eine Zeit bis zur Delamination von 18,1 min aufgezeichnet, nachdem das Produkt bei einer isothermen Temperatur von 300 °C gehalten wurde, die 28 min nach Beginn der Messung erreicht wurde. Die TMA detektiert die Delamination deutlich, wobei die optische Inspektion der Probe nur eine Verfärbung zeigt.

Dieser Test ist besonders wichtig geworden, seit die „Richtlinie zur Beschränkung der Verwendung bestimmter gefährlicher Stoffe“ 2002/95/EC (RoHS 1) in der Europäischen Union in Kraft getreten ist. Bei elektronischen und elektrischen Geräten betrifft dies z. B. die Verwendung von bleihaltigen Loten. Geräte, die im EU-Markt hergestellt oder verkauft werden, müssen nun bleifrei sein. Dies hatte erhebliche Auswirkungen auf die geforderte thermische Stabilität aller Komponenten – einschließlich FR4.

Die Prozesse zur Herstellung bleifreier Lote erfordern nun Reflow-Temperaturen von bis zu 260 °C. Vorher lagen die Reflow-Temperaturen nur bei 240 °C. Das für diese Studie verwendete FR4 wäre sowohl für die bleihaltigen als auch für die bleifreien Lote geeignet, da die Delaminierungseffekte erst bei einer Temperatur von 300 °C festgestellt wurden. Allerdings können nicht alle Materialien, die derzeit als Basismaterialien für elektronische Leiterplatten und Baugruppen verwendet werden, den neuen Anforderungen bleifreier Prozesse standhalten.

Die Untersuchungen und Fallstudien zeigen, wie wichtig das Wissen über thermomechanische Eigenschaften bei der Entwicklung, Herstellung und Qualitätskontrolle von Polymerverbundwerkstoffen ist. Es gibt Einblicke in die Anisotropie faserverstärkter Kunststoffe, erklärt, wie das Strömungsfeld mit der Steifigkeit von Materialien korreliert, und stellt sicher, dass elektronische Baugruppen und damit Leiterplatten eine ausreichende Qualität aufweisen.

Netzsch Gerätebau GmbH Thermische Analyse 

https://www.netzsch-thermal-analysis.com

Ausgabenartikel

Bild 1. TMA-Messung an einem PP-GF-UD-Verbundmaterial. Probengröße 25 mm, Aufheizgeschwindigkeit 5 K/min von –70 °C bis 140 °C, N2 -Atmosphäre, Expansionsprobenhalter aus Quarzglas

Bild 3. TMA-Messergebnisse von PEEK mit kurzen Kohlenstofffasern von verschiedenen Bauteilpositionen; Probe 1 = orange; Probe 2 = rot; Probe 3 = grün

Bild 4. Bestimmung der Zeit bis zur Delaminierung auf einer FR4-Verbundleiterplatte. Probengröße 6,35 mm2 gemäß IPC-Norm, 2 h getrocknet, Vormessung bei 105 °C, Heizrate 10 K/min, N2 -Atmosphäre, Probenhalter aus Quarzglas

Bild 2. a) Ort der Probenentnahme,  b) dominante Faserorientierung

Thermomechanischer Analysator TMA 402 F3 Hyperion Polymer Edition

Name - Hauptartikel

Die thermomechanische Analyse (TMA) ist eine Methode zur Bestimmung von Dimensionsänderungen in Festkörpern, Flüssigkeiten oder pastösen Materialien in Abhängigkeit von der Temperatur und/oder Zeit unter einer definierten mechanischen Belastung (DIN 51005, ASTM E831, ASTM D696, ASTM D3386, ISO 11359 – Teil 1 bis 3). Die lineare thermische Ausdehnung ist eine wichtige Größe, um das Dimensionsverhalten eines Werkstoffs als Antwort auf eine Temperaturänderung zu beurteilen. Sie zeigt, wie stark ein Material während der Verarbeitung schrumpft oder sich ausdehnt, ob ungleiche Materialien kombiniert werden können oder bei welcher Temperatur sich der Phasenwechsel und der CTE ändern.

<b>Dr. Natalie Rudolph</b> ist Business  Field Managerin Polymer bei der Netzsch-Gerätebau GmbH, Selb;  <a href="mailto:natalie.rudolph@netzsch.com">natalie.rudolph@netzsch.com</a>