Vorhersagen versprechen für den Mikrotechnikmarkt Wachstumsraten von über 20% pro Jahr. Für das Jahr 2002 wird ein Marktvolumen von ca. 40 Mrd. US$ prognostiziert. Dem Anwender eröffnen sich viele verschiedene Verfahrensmöglichkeiten für die Herstellung mikrostrukturierter Kunststoffteile. Der Beitragt gibt einen Überblick zum Stand und Entwicklungspotential dieser Technik. 

Spritzgießen

Spritzprägen

Medizintechnik

Ein Bericht zur Marktlage und Entwicklungspotential: Mikroabformung 

Erste Bauteile nach dem Prinzip der 3-D MID-Technologie sind im 2-Komponenten-Spritzguss mit anschließender Metallisierung und durch sog. Heißprägen der Leiterbahnen in Serienanwendungen realisiert. Ein drittes noch weniger bekanntes Verfahren findet zunehmend mehr Interesse - das Hinterspritzen von mit Leiterbahnen strukturierten Folien. 

Elektronik

HV-Anwendungen / Hybridisierung / Elektrifizierung

Spritzgießwerkzeuge

Neues Verfahren kombiniert 3D-MID-Technologie mit IMD-Technik: Räumliche, spritzgegossene Schaltungsträger 

In vielen Fällen muss die Oberfläche eines Kunststoffprodukts durch Lackieren, Prägen, Polieren oder Bedrucken nach dessen Herstellung veredelt oder zur Kennzeichnung beschriftet werden, um es verkaufs- oder anwendungsfähig zu machen. Obwohl derzeit kaum überraschende Innovationen bei diesen Technologien zu erwarten sind, werden immer wieder Neuerungen zur Verbesserung, Rationalisierung und Automatisierung der Verfahren und Anlagen entwickelt. 

Oberflächentechnik

Bedrucken

Kunststoff-Oberflächen präzise und kostengünstig bedrucken 

Das Heißprägeverfahren bietet sich nach ersten Erfahrungen vorrangig zur Herstellung relativ einfach strukturierter räumlicher Schaltungsträger aus Thermoplasten an. Dieser Artikel zeigt auf, wie mittels Teil- bzw. Vollautomati-sierung und einer kombinierten Anlage zum Spritzgießen und Heißprägen die prozesssichere Herstellung großer Stückzahlen möglich wird. 

Rationalisierung der Fertigung von räumlichen Schaltungsträgern aus Thermoplasten: Heißgeprägte MIDs in Serie 

Die technische Ausstattung und der Komfort im Automobil-Innenraum konnten in den letzten Jahren nicht zuletzt durch den Einsatz innovativer Kunststoff-Verkleidungsteile erkennbar gesteigert werden. Auch im Bereich der Karosserie-Außenteile haben Anwendungen aus Kunststoffen zugenommen. Ein innovatives Beispiel dafür ist auf der K 2001 zu sehen. 

Warmformen / Thermoformen

Automobil-Karosseriebauteile aus Kunststoff sind auf dem Vormarsch: Synergie schafft neue Technologie 

Optische Formteile stellen ein immer interessanter werdendes Anwendungsgebiet für die Kunststoffverarbeitung dar. Mit gezielt entwickelten Prägeverfahren lassen sich die besonderen Qualitätsanforderungen der verschiedenen Formteile erfüllen. 

Das Herstellen hochtransparenter optischer Formteile - eine neue Herausforderung: Durchblick im Spritzguss 

Im Bereich der Oberflächentechnik sind auf der K 2001 viele neue Aussteller, vor allem mittelständische Unternehmen, hinzugekommen. Neue Technologien wurden vermittelt und in der Drucktechnik waren auch wieder Flexodruckmaschinen zu sehen. 

Extrusion

Oberflächentechnik 

Kunststoffprodukte können mit unterschiedlichen Methoden gekennzeichnet werden. Welche Kriterien bei der Auswahl eine wichtige Rolle spielen, wird beim Vergleich der verschiedenen Verfahren deutlich. 

Welche Technik für welche Applikation?: Kennzeichnung von Kunststoffprodukten 

Kann die Duroplastverarbeitung im Wettbewerb der Rohstoffe in Zukunft bestehen? Dazu bedarf es zumindest der Courage, die neuen Verfahrens- und Werkzeugtechniken und die verbesserten Materialien anzuwenden, um wirtschaftlicher zu arbeiten. 

Duroplaste

Pressen von Kunststoffen

Verarbeitung duroplastischer Formmassen: Pioniergeist zur Arterhaltung 

Großflächige, dreidimensional dekorierte Bauteile wie Kofferraumverkleidungen wurden bisher in einem mehrstufigen Prozess mit vertikalen Pressen durch Strangablegen hergestellt. Mit einer neuen Fertigungsmethode kann das Dekor im Spritzgießwerkzeug in einem Schritt vorgeformt und hinterprägt werden – mit deutlichen Kostenvorteilen. 

Dekorieren im Spritzgießprozess: Vorformen und Hinterprägen in einem Schritt 

Durch den Einsatz der MID-Technologie eröffnet sich ein neues Potenzial für die Entwicklung und Konstruktion räumlicher Schaltungsträger. So ermöglicht die MID-Technologie eine beliebige Formgebung der Elektronikbaugruppe bei höchstem Integrationspotenzial. 

Aktuelle Werkstoffe und Herstellungsverfahren: Technologie 3D-MID 

Eine neue Hochpräzisions-Presse erreicht eine bislang nicht gekannte Genauigkeit bei der mikrometergenauen Abformung von Strukturen im 1mm-Bereich. Das Werkzeugkonzept reduziert die thermischen Massen, ohne die für den Prägeprozess benötigte mechanische Stabilität zu gefährden. Ein erstes Projekt, die Serienfertigung mikrooptischer Abstandsensoren, belegt erstmals die wirtschaftliche Nutzbarkeit der Heißprägetechnik. 

Mikrostrukturfertigung: Hochpräzises Heißprägen 

Im Extrusionsprägeverfahren können Kunststofffolien mit speziellen Oberflächenstrukturen in einem einstufigen Verfahren hergestellt werden. Am Institut für Kunststoffverarbeitung (IKV) wurde untersucht, wie sich mit diesem Verfahren mikrostrukturierte Oberflächen erzeugen lassen. Die Herstellung mikrostrukturierter Prägewalzen erfolgte dazu am Labor für Mikrozerspanung (LFM) im Diamantfräsverfahren. 

Prägen mikrostrukturierter Kunststofffolien 

Der Beitrag stellt Untersuchungen zur Mikrostrukturierung amorpher und teilkristalliner Kunststoffe vor. Durch den Heißprägeprozess lassen sich hohe Abformgenauigkeiten bei gleichzeitig hohem Aspektverhältnis erreichen. 

Heißprägen von Mikrostrukturen 

Das Spritzprägen hat durch die Anwendungen, die gerade in jüngerer Zeit für optische Formteile wie Linsen, CDs oder komplette Automobil-Verscheibungen weiterentwickelt wurden, an Bedeutung gewonnen. Die fortgeschrittene Technologie schuf für Balda die Basis, das Verfahren in der Fertigung von Handyschalendisplays einzusetzen. Damit ist das Spritzprägen in der Großserienproduktion angekommen – und dies unter Einhaltung höchster Qualitätsmaßstäbe. 

Spritzprägen: Großeinsatz für optische Formteile 

Spritzprägen │ Grundlagen │ Kunststoff-Basics

Beim Spritzprägen wird die Kunststoffschmelze in das noch leicht geöffnete Werkzeug eingespritzt. Die endgültige Ausformung des Formteils erfolgt während der Prägephase.

Das Spritzprägen ist ein Sonderverfahren des Spritzgießens. Beim Spritzprägen wird die Kunststoffschmelze in das noch leicht geöffnete Werkzeug eingespritzt. Die endgültige Ausformung des Formteils erfolgt während der Prägephase.

Das Spritzprägen ist ein Sonderverfahren des Spritzgießens.

Beim Spritzprägen (englisch: Injection Compression Molding, ICM) wird die Kunststoffschmelze als sogenannter Massekuchen oder Schmelzekuchen in das noch leicht geöffnete Werkzeug eingespritzt. Es wird erst während des Erstarrungsvorgangs komplett geschlossen. Der sich dadurch gleichmäßig aufbauende Schließdruck sorgt für die endgültige Ausformung des Formteils. Die Nachdruckphase wird dabei durch den Prägevorgang ersetzt. Damit der Einspritzvorgang bei geöffnetem Werkzeug stattfinden kann, verfügt das Werkzeug über einen speziellen Prägerahmen, den Prägespalt (Bild 1).

Welchen Nutzen hat man durch das Spritzprägen?

Durch das Spritzprägen lassen sich Formteile mit verminderten Eigenspannungen herstellen. Die Schwindung wird dabei nicht mehr dadurch kompensiert, dass zusätzliche Schmelze in die Kavität gepresst wird, sondern durch einen werkzeugseitigen Verdrängungsvorgang. Der Prägevorgang wirkt oft großflächig. Die so produzierten Teile haben geringere Eigenspannungen, weil nicht mehr größere Mengen Kunststoffschmelze in Fließrichtung verschoben werden.

Wie funktioniert die Herstellung im Spritzprägeverfahren?

Spritzpräge-Werkzeuge besitzen ein variables Kavitätenvolumen. Die Schmelze wird in eine Kavität eingespritzt, die anschließend mechanisch verkleinert wird. Dabei wird der eingespritzte „Schmelzekuchen“ plattgedrückt und über die gesamte Kavität verteilt.

Das Prägeverfahren kann man in drei Gruppen einteilen:

Die entsprechenden Werkzeuge besitzen Tauchkanten, d. h. Trennebenen, die flächig in Entformungsrichtung liegen (Bild 2). Bereits teilweise geschlossene Werkzeuge, deren Tauchkanten sich überdecken, sind schon so weit dicht, dass Kunststoffschmelze nicht mehr über die Trennebene entweichen kann.

Diese Verfahrensvariante des Spritzprägens lässt sich nur für flächige Formteile mit geringer Tiefe bzw. Verwölbung anwenden, z. B. bei der Herstellung von Compact-Discs. Durch den Prägehub ändert sich die Wanddicke nur in den Flächen, die senkrecht zur Schließachse liegen. Je steiler die Wand des Formteils ist bzw. je mehr sie parallel zur Schließachse liegt, desto weniger verringert der Prägehub das Kavitätenvolumen in diesen Bereichen. Nimmt man an, dass die Schmelze in allen Formteilbereichen gleichmäßig schwindet, würde bei einem Kästchen mit schrägen Wänden der Prägevorgang kaum möglich sein, um die Volumenschwindung im Wandbereich auszugleichen. Der notwendige Prägehub für den Boden ist kleiner als der für die Wände (Bild 3).

Diese Werkzeuge haben Standard-Trennebenen, die gut aufeinander abtouchiert sind, und besitzen bewegliche Verdrängerkerne, die unterstützend zum Nachdruck oder auch als Nachdruckersatz die Schmelze der Kavität lokal komprimieren (Bild 4). Man spricht in diesem Zusammenhang auch von Nachdruckbausteinen, die in seltenen Fällen nicht in das Werkzeug integriert, sondern zwischen Düse und Werkzeug eingebaut sind. Durch das Vorfahren der Verdrängerkerne kann Nachdruck erzeugt werden. Damit kann die Dosierung überlappend zur Nachdruckphase beginnen. Das ist insbesondere für solche Formteile nützlich, für die ein großes Schmelzevolumen in kurzer Zeit zur Verfügung gestellt werden muss. Mit Prägestempeln lassen sich Eigenspannungen verringern, weil man lokal einen Nachdruck erzeugen kann und somit gezielt auf Problemstellen (angussferne Einfallstellen) einwirkt, ohne einen insgesamt sehr hohen Nachdruck zu fahren.

Bei dieser Verfahrensvariante des Spritzprägens sind nur einzelne Partien des Werkzeugs gegeneinander beweglich. Entweder tauchen an Nicht-Sichtflächen (z. B. der Unterseite) Verdrängerkerne in die noch plastische Seele des erstarrenden Kunststoffs ein oder es gibt zusätzliche Kavitäten neben dem eigentlichen Formhohlraum. Bei konkaven Linsen, die am Außenrand z. B. dick sind, kann man auf diese Weise einen gleichmäßigen Nachdruck aufbringen.

Bei weitgehend ebenen und flächigen Bauteilen kann man herkömmliche Standardwerkzeuge verwenden und nutzt die Werkzeugatmung bei kleineren Schließkräften aus.

Dies ist eine verfahrenstechnische Variante des Spritzprägens, die ohne spezielle Werkzeugtechnik auskommt. Hier wird die natürliche Werkzeugatmung ausgenutzt, die auftritt, wenn ein hoher Einspritzdruck die Zuhaltekraft der Spritzgießmaschine übersteigt. Dann öffnet sich das Werkzeug ein wenig. Hält man den Spritzdruck bzw. Nachdruck aufrecht, wird diese Werkzeugatmung bleiben, bis der Kunststoff so weit erkaltet und schwindet, dass das Werkzeug wieder vollständig schließt.

Damit das Spritzprägen erfolgreich angewendet werden kann, müssen geeignete Materialien mit einem Schmelzeflussindex MFI 20 g/10 min oder niedriger eingesetzt werden. Auch die Spritzgießmaschine spielt für das Spritzprägen eine entscheidende Rolle: Sie muss einen schnellen, zuverlässigen und wiederholgenauen Prozess mit intuitiver und sicherer Bedienbarkeit gewährleisten.

Was sind die Unterschiede zwischen Spritzgießen und Spritzprägen?

Das Spritzprägen ist ebenso wie das <a href="https://www.kunststoffe.de/a/grundlagenartikel/mehrkomponentenspritzgiessen-254106" target="_blank">Mehrkomponenten-Spritzgießen</a>, das Thermoplast-Schaum-Spritzgießen, In-Mold Labeling, Gasinnendruckverfahren, Mikrospritzgießen oder die Inserttechnik eine Sonderform des <a href="https://www.kunststoffe.de/a/grundlagenartikel/spritzgiessen-254055" target="_blank">Spritzgießens</a>. Grundsätzlich ist auch das Spritzprägen im Reinraum möglich.

Das Spritzgießverfahren besteht grundsätzlich aus vier Phasen:

<ol><li>Plastifizieren & Dosieren</li><li>Einspritzen</li><li>Nachdrücken & Kühlen</li><li>Entformen</li></ol>

Das Spritzprägen liefert bei allen verwendeten Kunststoffen Formteile mit sehr guter Oberfläche und geringer mechanischer Anisotropie. Ferner wird die benötigte Schließkraft reduziert, sodass auf einer gegebenen Maschine ein größeres Bauteil hergestellt bzw. für ein gegebenes Bauteil eine kleinere Maschine verwendet werden kann.

Welche Formen oder Produkte können durch das Spritzprägen gewonnen werden?

Das Spritzprägen ist ein gängiges Verfahren zur Fertigung von Fahrzeugteilen oder optischen Bauteilen. Es handelt sich um ein Niederdruckverfahren, sodass beispielsweise Einleger wie Folien oder Dekore geschont werden. Gerade bei lichttechnischen Anwendungen können niedrige Drücke die Spannungen im Bauteilinneren minimieren (Titelbild).

Ebenfalls geeignet ist das Spritzprägen für sehr große, flache Geometrien, die durch das Spritzprägen häufig energieeffizienter hergestellt werden können als im Spritzgießen. Auch für Dünnwandverpackungen wird Spritzprägen mehr und mehr eingesetzt, allerdings stellen hier die unterschiedlichen Materialien sowie Werkzeug- und Maschineneinrichtungen für die Vielzahl der Anwendungen und Produktformen im Verpackungssektor eine Herausforderung dar.

[1] Christoph Jaroschek – Spritzgießen für Praktiker, 2019. ISBN: 978–3–446–45553–5, E-Book-ISBN: 978–3–446–45867–3, S. 136 ff.

[2] https://www.kunststoffe.de/a/fachartikel/ein-leuchten-zur-begruessung-315917

[3] https://www.kunststoffe.de/a/fachartikel/duennere-verpackungen-ohne-qualitaetsver-2943143

[4] https://de.wikipedia.org/wiki/Spritzpr%C3%A4gen#:~:text=Das%20Spritzpr%C3%A4gen%20ist%20eine%20Weiterentwicklung,nicht%20v%C3%B6llig%20geschlossene%20Werkzeug%20eingespritzt.

Aus Elektrolumineszenzfolien entstehen beispielsweise „smarte“ Anwendungen wie hinterleuchtete Blenden im Automobilbereich. Die sehr hohen Anforderungen an Oberflächenqualität und Temperaturbeständigkeit konnten nur im Spritzprägeverfahren realisiert werden. Die vorgeformten Folien werden dabei hinterspritzt.

16:9

Bild 1: Spritzprägesequenz (von links): 1) Werkzeug noch leicht geöffnet (Prägespalt); 2) Schmelze beginnt die Kavität zu füllen, während die Schließeinheit einen Prägehub durchführt, um das Werkzeug vollständig zu schließen; 3) Füllvorgang abgeschlossen.

Quelle: Sabic | Grafik: © Carl Hanser Verlag

Bild 4: Werkzeug für Prägen mit Verdrängerkernen

Bild 2: Lage der Trennebene beim Tauchkantenwerkzeug.

Bild 3: Einfluss des Prägehubs auf parallele und senkrechte Flächen.

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