Kunststofftechnik

Projekt Heißgasschweißen

n diesem Forschungsprojekt wird ein neues Heißgasschweißverfahren entwickelt und wissenschaftlich untersucht. Durch das neue Heißgas-Schweißverfahren ergeben sich einige Vorteile gegenüber derzeit eingesetzten Schweißverfahren. Diese liegen insbesondere in der freien Gestaltung der Schweißnaht und deren Verlauf. Es können sehr einfach dreidimensionale Schweißnähte im Vergleich zu den üblichen Schweißverfahren, wie Ultraschall- oder Vibrationsschweißen, hergestellt werden. Zudem entstehen bei diesem Schweißverfahren keine Partikel, welche im späteren Betrieb der Bauteile zu Systembeschädigungen führen.

Durch das neue Heißgas-Schweißverfahren soll zusätzlich die Ressourceneffizienz signifikant gesteigert werden, indem Luft anstelle eines inerten Gases verwendet wird. Dabei ist der Einfluss des Gaswechsels auf die Schweißverbindung zu erforschen, als auch die gezielte, gleichmäßige Erwärmung des Kunststoffbauteils im Bereich der Fügezone. Hierzu muss insbesondere die Gasführung und Düsengestaltung betrachtet werden um eine schnelle und gleichmäßige Erwärmung der Fügezone sicher zu stellen. Aus den Ergebnissen sollen Auslegungsstrategien für Heißgasspiegel und entsprechender Bauteilgestaltung abgeleitet werden. Die Ressourceneffizienz des neuen Schweißverfahrens soll durch die Betrachtung der Nachhaltigkeit bestätigt werden.

Laufzeit: April 2019 – Mai 2021
Projektpartner: GMB Kunststoffteile GmbH
Förderzeichen: ZF4166303FH8
Projektträger: AiF Projekt GmbH, ZIM-Kooperationsprojekte
Ansprechpartner: Prof. Dr.-Ing. Matthias Deckert, Johannes Schmid, M.Sc.

Projekt Snake Skin

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 kann eine kleine als auch eine 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, so dass 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 können. Zur Erzielung erhöhter Gebrauchsbeständigkeit der angestrebten Komponenten sollen nicht nur klassische Spritzgießprozesse für Thermoplaste sondern auch reaktive, kombinierte Spritzgießprozesse wie das sog. Skinform-Verfahren erforscht werden. Dabei wird erst ein Thermoplast-Träger gespritzt und im Werkzeug mit einem reaktiv aushärtenden Systemen wie Polyurethan oder Silikon (LSR) überflutet. Von Polyurethanen sind z.B. gewisse Rückfeder bzw. Selbstheilungseigenschaften bekannt. Diese bieten deshalb ein hohes Potential zur Erzeugung beständiger Oberflächen. Als weiterer, besonders innovativer Aspekt soll untersucht werden, inwieweit durch eine geeignete Prozessführung, insbesondere der Temperatur-Zeitverläufe, neben der Oberflächenstrukturierung ein Härtegradient im abgeformten Bauteil von innen nach außen erzeugt werden kann.  Dies ist ebenfalls dem Aufbau der Schlangenhaut nachempfunden und bewirkt deren extrem hohe Abriebbeständigkeit.

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.

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

Projekt LSR-Haftung

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 – Februar 2021
Projektpartner: Wilhelm Weber GmbH & Co.KG
Projektträger: AiF Projekt GmbH, ZIM-Kooperationsprojekte
Ansprechpartner: Prof. Dr.-Ing. Matthias Deckert, Johannes Schmid, M.Sc.

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