Forschungsprojekte Kunststofftechnik

Steigerung der Festigkeit für einen ressourceneffizienten Heißgasschweißprozess durch eine neuartige Heißgas-Düse und durch eine neuartige Fügebewegung

Im einem vorangegangenen Forschungsvorhaben zwischen der GMB Kunststoffteile GmbH und dem Bereich Kunststofftechnik (LKT) – Fakultät Maschinen und Systeme der Hochschule Esslingen (Förderkennzeichen: ZF4166303FH8) wurde eine neuartige Aufsatz-Düse zum Heißgasschweißen von Kunststoffen entwickelt [DE 20 2021 101 884 U1 – Gebrauchsmusterschrift: Vorrichtung zum Schweißen von Kunststoffteilen]. Ein Vorteil des berührungslosen Schweißverfahren (Heißgasschweißen) ist unter anderem, dass keine Partikel entstehen, welche im späteren Betrieb der Bauteile zu Systembeschädigungen führen. Durch diese neuartige Aufsatz-Düse ergeben sich einige Vorteile gegenüber derzeit eingesetzten Rund-Düsen. Es kann z.B. die Fügezone deutlich schneller und gleichmäßiger erwärmen werden.

In dem neuen Forschungsvorhaben soll das Aufsatz-Düse-System weiterentwickelt werden, damit es möglich ist dreidimensional verlaufende Schweißnähte gleichmäßiger zu erwärmen. Dabei soll der Einfluss der neuartigen Aufsatz-Düse auf die Schweißverbindung erforscht werden, als auch die gezielte, gleichmäßige Erwärmung des Kunststoffbauteils im Bereich der Fügezone. Ein weiterer Punkt in dem Forschungsprojekt ist die Fügebewegung des weiterzuentwickeln. Um die Wirtschaftlichkeit des Heißgasschweißens signifikant zu verbessern und neue Anwendungsfelder zu erschließen, ist das Ziel die Festigkeit der gefügten Bauteile an der Schweißnaht zu erhöhen. Hierbei soll durch einen roboterbasierten Ansatz eine Fügebewegung während des Schweißvorgangs in den Prozess integriert werden, um die Schweißnahtfestigkeit zu verbessern. Zudem soll durch die Weiterentwicklung der Aufsatz-Düse es ermöglicht werden, festigkeitshemmende Geometrien wie Kanten oder Radien deutlich besser verschweißen zu können und durch gezielte Gasführung sollen auch dreidimensionale Nahtverläufe schweißbar werden. Dadurch kann die Nahtfestigkeit weiter verbessert werden kann. Durch eine höhere Schweißnahtfestigkeit kann das Bauteil dünnwandiger ausgeführt werden. Insgesamt stehen bei der Bauteilkonzeption durch einen geringeren Festigkeitsabfall in der Fügestelle deutlich mehr Möglichkeiten zur Verfügung. Daher ist der Bedarf für ein neues Heißgas-Düsenkonzept und einer neuartigen Fügebewegung hoch.

Laufzeit: September 2021 – August 2023
Projektpartner: GMB Kunststoffteile GmbH, robomotion GmbH, TU Chemnitz - Professur Strukturleichtbau und Kunststoffverarbeitung
Förderzeichen: KK5052604WO0
Projektträger: AiF Projekt GmbH, ZIM-Kooperationsprojekte
Ansprechpartner: Prof. Dr.-Ing. Matthias Deckert, Johannes Schmid, M.Sc.

Auswahl an Veröffentlichungen im Rahmen des Projekts:

•  Analyse von zwei verschiedenen Düsensystemen zum Heißgasschweißen mittels CFD-Simulationen und Messergebnissen

Während des Forschungsprojekts wird der Einfluss des Spritzgießprozesses auf die Verbundfestigkeit von Flüssigsilikonkautschuk (LSR) zu Thermoplasten untersucht. Hierfür sollen zunächst die Mechanismen, die für die Verbundfestigkeit entscheidend sind, dargestellt werden und in einer empirischen Formel implementiert werden. Damit soll bereits während der Konstruktionsphase das richtige Material ausgewählt und die erreichbare Haftfestigkeit angegeben werden.

Das aufgestellte Modell soll anschließend verifiziert werden. Dazu soll ein Spritzgießwerkzeug konstruiert und gebaut werden, das beide Materialien verarbeiten kann und eine detaillierte Untersuchung zulässt. Insbesondere die Temperaturführung ist genauer zu betrachten, da beide Materialien bei sehr unterschiedlichen Werkzeugtemperaturen verarbeitet werden. Hierzu soll ein neuartiges Temperiersystem auf Basis eines Dickschichtheizelementes zum Einsatz kommen. Mit diesem Heizelement kann die Temperatur schnell, gezielt und auch während des Spritzgießprozesses verändert werden.

Laufzeit: März 2019 – Dezember 2021
Projektpartner: Wilhelm Weber GmbH & Co.KG
Förderzeichen: ZF4166302DN8
Projektträger: AiF Projekt GmbH, ZIM-Kooperationsprojekte
Ansprechpartner: Prof. Dr.-Ing. Matthias Deckert, Dennis Mayer, M.Eng.

Ziel des gemeinsam von der Hochschule Esslingen und dem Fraunhofer-Institut für Werkstoffmechanik IWM beantragten Vorhabens ist die Erarbeitung industrietauglicher Fertigungsverfahren zur Erzeugung bioinspirierter Nanostrukturen hoher Gebrauchs­bestän­digkeit auf Polymeroberflächen mit richtungsabhängigen, in weiten Bereichen frei einstellbaren, bedarfsgerechtem Reibwert (Reibwert-on-Demand). Mögliche Anwendungen umfassen die Bereiche Medizin- und Mikrosystemtechnik sowie die Lager- und Fördertechnik. Im angestrebten Spritzgießprozess können sowohl kleine als auch große Flächen strukturiert und somit funktionalisiert werden. Um dieses Ziel zu erreichen sollen im Vorhaben Prozesse zur PVD-basierten, großflächigen Abscheidung gerichteter (anisotroper) Nanostrukturen erarbeitet werden. Derartige Strukturen sollen auf Werkzeugen für den Kunststoffspritzguss appliziert und im Spritz­gießprozess in vernetzende Polymere abgeformt werden, sodass Strukturen nach dem Vorbild der California King Snake auf der Polymeroberfläche erzeugt werden können. Deren Haut verfügt über eine spezielle, anisotrope Mikro- und Nanostruktur, die der Schlange eine sichere Fortbewegung selbst auf schwierigsten Untergründen erlaubt. Die Werkzeug­oberfläche kann dabei eben oder leicht gekrümmt sein und auf der Oberfläche bereits eine über konventionelle Bearbeitungsverfahren eingebrachte Mikrostruktur aufweisen. Die Aufbringung anisotroper Nanostrukturen soll durch eine angepasste Prozessführung im Beschichtungs­prozess sowie unter Ausnützung von Selbstorganisations­effekten im Schicht­wachstum erreicht werden. Im Spritzgießprozess soll untersucht werden, wie durch eine gezielte Prozessführung die Strukturen auf den Werk­zeugoberflächen auf die Komponentenoberflächen übertragen und dabei prozesssicher entformt werden können. Für eine erhöhte Gebrauchsbeständigkeit sollen die Nanostrutkuren in Liquid Silicone Rubber (LSR) abgeformt werden, einem Silikon, welches sich zur Verarbeitung im Spritzgießprozess eignet. Zur optimierten Replikation wird mittels variothermer Temperaturführung gearbeitet. Hier wird, im Gegensatz zur Verarbeitung von Thermoplasten, die Werkzeugoberfläche vor dem Einspritzen aktiv gekühlt.

Im Verlauf des Vorhabens sollen derart nanostrukturierte Demonstratorbauteile abgemustert und bezüglich ihrer Reibwerteigenschaften und Beständigkeiten charakterisiert werden. Damit soll der Nachweis der anisotropen, tribologischen Wirkung von Nanostrukturen und damit der gezielten, richtungsabhängigen Reib­wertmodifikation erbracht werden. Perspektivisch können damit z.B. verbesserte Instrumente für die minimalinvasive Chirurgie bereitgestellt werden, die dem Operateur ein gegenüber bestehenden Lösungen wesentlich verbessertes, haptisches Feedback zur Verfügung stellen. Eine weitere Anwendung wird in der Fördertechnik gesehen, bei der richtungsabhängige und verschleißarme Oberflächen z.B. bei Vibrationwendelförderer genutzt werden können.

Laufzeit: Oktober 2018 – Dezember 2021
Projektpartner: Fraunhofer Institut für Werkstoffmechanik IWM
Projektträger: VDI Technologiezentrum, Projektträger der Baden-Württemberg Stiftung
Ansprechpartner: Prof. Dr.-Ing. Matthias Deckert, Dennis Weißer, M.Sc. 

Veröffentlichung im Rahmen des Forschungsprojekts:

•  Calculating the temperature and degree of cross-linking for liquid silicone rubber processing in injection molding (Journal of Advanced Manufacturing and Processing)

SnakeskinConveyor: Entwicklung von spritzgegossenen, bionisch mikrostrukturierten Kunststoffplatten mit Strukturbreiten von ca. 1 µm, auf Basis einer anisotropen Schlangenhautstruktur, als Förderflächenbelag für Vibrationsförderanlagen

Ziel des Forschungsprojekts ist die Entwicklung von mikrostrukturierten Kunststoffplatten mit anisotropen Reibwerten auf Basis von Schlangenhaut in den Maßen 100 x 100 mm, die eine zielgerichtete Förderung ermöglichen. Die Mikrostruktur soll dabei mittels Spritzgussprozess einseitig auf die Plattenoberfläche aufgebracht werden und über Strukturbreiten von 1 µm verfügen. Dazu werden Schlangenhäute erforscht und als CAD-Modell zur Oberflächenabbildung mit einer Toleranzgenauigkeit von ±200 nm adaptiert. Zudem wird ein Spritzgusswerkzeug mit Formeinsätzen mittels Laserstrukturierung entwickelt. Der Spritzgussprozess wird variotherm ausgelegt, um eine Abformgenaugkeit von >99 % zu erreichen und ein Erstarren des Kunststoffs im Randbereich zu unterbinden. Dazu wird eine thermische Auslegung der konturnahen Temperierung der Werkzeugoberfläche entwickelt, mit der Temperaturwechselgeschwindigkeiten bis 100 K/s bei Prozessdrücken bis 2000 bar erreicht werden. Abschließend wird ein Klebekonzept entwickelt, um eine Scherfestigkeit von >20 MPa und eine Schälfestigkeit von >50 N/cm zu erzielen. Das Marktpotenzial ist in Deutschland bei einem Umsatz von 16,5 Mrd. € in der Fördertechnik sehr hoch.

Laufzeit: Juli 2022 – Juni 2024
Projektpartner: VIBROTEC Aktiengesellschaft AG; POLY-TOOLS bennewart GmbH
Förderkennzeichen: KK5052611CD1
Projektträger: AiF Projekt GmbH, ZIM-Kooperationsprojekte
Ansprechpartner: Prof. Dr.-Ing. Matthias Deckert, Dennis Mayer, M.Eng.

NanoTool: Entwicklung eines 3D-Modells mit wasser- und schmutzabweisender Nanostruktur mit Kontaktwinkeln >160°, Entwicklung einer Methode zur Erforschung schmutzabweisender Eigenschaften von Nanostrukturen und Erforschung der Bauteileigenschaften

Projektziel ist die Entwicklung einer wasser- und schmutzabweisenden Nanooberfläche, die erstmals als Negativ in die Innenseiten von Spritzgusswerkzeug (SGW)-Forminnenseiten mittels Picolaser eingraviert werden sollen, um individuelle Werkstücke (z.B. ABS, TP, TPE) mit selbstreinigenden Eigenschaften herzustellen. Dafür werden superhydrophobe (Kontaktwinkel > 160°) Oberflächen (z.B. Lotusblatt oder Zikadeflügel) erforscht und daran ein 3D-Modell entwickelt. Mittels einer hochpräzisen (Genauigkeit < 1 µm) Lasermikrobearbeitungsmaschine soll ein Verfahren entwickelt werden, diese Nanostruktur mit einer Übereinstimmung von > 99 % auf die Forminnenseiten zu gravieren, welche anschließend in ein dafür entwickeltes Spritzgießwerkzeug, mit konturnaher Temperierung eingesetzt werden. Das Spritzgießwerkzeug wird mittels des neuartigen Temperiersystems eine homogene (+/- 1 °C) Einspritztemperatur sowie Aufheizrate von bis zu 60 K/s ermöglichen. Dafür soll eine neue, variotherme Prozessführung entwickelt werden, um eine Abformbarkeit von > 95 % der Nanostruktur auf das Werkstück zu gewährleisten. Resultierende Werkstücke sollen eine über den gesamten Produktlebenszyklus (> 5 Jahre) wasser- und schmutzabweisende Eigenschaften aufweisen.

Laufzeit: Juli 2022 – Juni 2024
Projektpartner: LMB Kunststofftechnik GmbH; Laser-Mikrotechnologie Dr. Kieburg GmbH
Förderkennzeichen: KK5052610 FF1
Projektträger: AiF Projekt GmbH, ZIM-Kooperationsprojekte
Ansprechpartner: Prof. Dr.-Ing. Matthias Deckert, Dennis Weißer, M.Sc.