„Ist klein dasselbe wie groß? - Mechanische Eigenschaften von Mikrospritzgussteilen“

Werden Kunststoffe zu Mikroteilen verarbeitet, stellt sich die Frage, ob die verfügbaren Kennwerte die Eigenschaften von Mikroteilen zuverlässig beschreiben. Die Antwort ist nein. Werkstoffkennwerte, die in Datenbanken und Datenblättern aufgeführt werden, wurden an klassischen Prüfkörpern gemessen, wie sie durch die einschlägigen Prüf- und Werkstoffnormen festgelegt sind. Der Verarbeiter weiß, dass seine Formteile typischerweise ganz andere Geometrien und Abmessungen haben, als die Normprüfkörper. Er weiß auch, dass die Verarbeitungsbedingungen sehr stark durch die Geometrie- und Größenverhältnisse der Formteile bestimmt werden. Die Verarbeitungsbedingungen ihrerseits haben bei vielen Werkstoffen einen entscheidenden Einfluss auf die Eigenschaften der Formteile.

Größenverhältnisse

Warum interessieren uns die Eigenschaften von Mikroprüfkörpern? Mikrokunststoffteile sind seit Jahren ein wichtiger Aspekt unserer Forschungs- und Dienstleistungsarbeiten am KuZ. Mikrokunststoffteile finden eine zunehmende Verbreitung in einer Vielzahl von Anwendungsgebieten (Mikrotechnik, Consumerelektronik, Optik, Sensorik, Medizintechnik). Mikroteile sind im Vergleich zu den „klassischen“ Formteilen erheblich kleiner. Das verdeutlicht das Größenverhältnis der von uns untersuchten Prüfkörper (Abb. 1). Unser Mikrozugstab ist im Vergleich zum 1A-Zugstab (EN ISO 527-2) bei den geometrischen Abmessungen um den Faktor 12 und bei der Masse um den Faktor 1700 kleiner. Das führt für den Mikrozugstab zu einer Masse von lediglich 8 mg!

Abb. 1: Größenvergleich 1A-Zugstab- Mikrozugstab

In einem vom BMWI geförderten Projekt (VF071024) befassten wir uns und mit dem Einfluss von Prüfkörpergröße und Verarbeitungsbedingungen auf die mechanischen Eigenschaften von Mikroprüfkörpern. Für die Bewertung und Interpretation der Ergebnisse wurde darüber hinaus der Einfluss der Verarbeitungsbedingungen auf die Strukturbildung und die damit zusammenhängenden Eigenschaften betrachtet.

Größeneinfluss auf die mechanischen Eigenschaften

Es wurde ein Verfahrensweg ausgearbeitet, um die Größenskalierung zu Mikroprüfkörpern ohne verarbeitungsbedingte Einflüsse durchzuführen. An mechanisch hergestellten Prüfkörpern aus Polypropylen in den Skalierungsschritten 1:4, 1:8 und 1:12 wurden der Kristallinitätsgrad vom Rand und der Mitte der Prüfkörper und die Zug-Eigenschaften untersucht. Die Prüfkörper zeigten eine einheitliche und über den Querschnitt gleiche Morphologie und können somit als strukturidentische Prüfkörper bezeichnet werden. Im Rahmen der Fehlereinflüsse aus Probekörperherstellung und –messungen konnte kein Größeneinfluss auf die Zugeigenschaften ermittelt werden.

Häufig wird berichtet, dass die Formteil- (Prüfkörper)größe einen Einfluss auf die Eigenschaften hat. In der Regel sind es aber die unterschiedlichen Spritzgießparameter und die damit in Verbindung stehenden anderen Abkühlverhältnisse im Werkzeug, die zu einem abweichenden Verarbeitungszustand mit den daraus resultierenden Eigenschaftsänderungen führen.

Mikrospritzgegossene Prüfkörper

Die für die Untersuchungen erforderlichen Mikroprüfkörper wurden auf einer Mikrospritzgießmaschine vom Typ FormicaPlast®, DESMATEC hergestellt.

Als Werkstoffe untersuchten wir Polypropylen, Polystyrol, verschiedene Polyamid- und LCP-Typen, die uns dankenswerter weise durch die Firmen Dow Chemical, Lanxess und Ticona bereit gestellt wurden. Für den Mikrospritzgießprozess wurden die Masse- und Werkzeugtemperatur über ein möglichst weites Fenster aufgespannt. Kriterium für die Festlegung der Grenzen für die Verarbeitungsbedingungen war die Gewährleistung einer ausreichenden Formfüllung. Die Einspritzgeschwindigkeit für den Mikrospritzguss konnte konstant gehalten werden. Somit betraf der Untersuchungsfokus im wesentlich den Einfluss der Abkühlgeschwindigkeit der Formmasse auf die Strukturbildung und indirekt auf die temperaturabhängigen Fließeigenschaften.

Die 1A-Vergleichsprüfkörper wurden auf einer Standardspritzgießmaschine in einem Campus-Werkzeug nach den entsprechenden Verarbeitungshinweisen für die die Herstellung der Normprüfköper hergestellt.

Die Verarbeitungsbedingungen für die Herstellung der 1A-Prüfkörper bei gleichen Werkzeug- und Massetemperaturen unterschieden sich von den Bedingungen für den Mikrospritzguss insbesondere bezüglich Spritzdruck und Einspritzgeschwindigkeit. So waren für den Mikrospritzguss der Spritzdruck werkstoffabhängig um den Faktor 3-8 und die Einspritzgeschwindigkeit um den Faktor 13 größer. Die erforderlichen Werkzeugeinsätze für die Mikroprüfkörper, zu denen neben dem Mikrozugstab noch eine Mikroplatte und ein Mikrofließstab gehörten, wurden im KuZ konstruiert. Derartige Werkzeugeinsätze können zu vergleichsweise sehr niedrigen Kosten hergestellt werden.

Ergebnisse

Es wurde gefunden, dass die mechanischen Eigenschaften von Mikroformteilen in einem viel größeren Umfang durch die Verarbeitungsbedingungen beeinflusst werden, als das für Makroteile der Fall ist. Auf Grund des durch den kleinen Probenquerschnitt sehr viel schneller verlaufenden Abkühlvorgangs und der hohen Einspritzgeschwindigkeiten wurden sehr viel stärkere Molekülorientierungen und deutlich abweichende morphoplogische Zustände beobachtet.

Abb. 2: PS 143, Spannungs-Dehnungsverhalten 1A-Zugstab

Abb. 2 und 3 zeigen, wie stark sich z.B. im Falle des Polystyrols das Verformungsverhalten ändert, wenn man 1A-Zugstab und Mikrozugstab vergleicht. Das Materialverhalten des Mikrozugstabes verändert sich dabei von spröd zu zäh! Ursache dafür sind sehr starke eingefrorene Orientierungen, die sich mittels unterschiedlicher Messverfahren nachweisen ließen (polarisationsoptische und Doppelbrechungsmessungen, mikroskopische, DSC- und TMA-Untersuchungen).

Der beobachtete spröd-zäh-Übergang kann zum Einen für die gezielte Einstellung von Produkteigenschaften positiv genutzt werden, wenn man den Zusammenhang Verarbeitungsbedingungen – Strukturbildung – Eigenschaften genügend sicher beschreiben kann. Zum Anderen besteht in der Praxis durchaus auch die Gefahr, dass man erwartete Produkteigenschaften nicht erreicht, weil die erwähnten Zusammenhänge nicht bekannt sind. Eine Übertragung dieser Erkenntnisse auf beliebige Mikroformteile ist nur begrenzt möglich, da sich durch die jeweilige konkrete Bauteilform sehr unterschiedliche Wanddicken ergeben können, die Wanddicke im Mikrobereich aber eine stark eigenschaftsdominierende Größe ist.

Abb. 3: PS 143, Spannungs-Dehnungsverhalten Mikrozugstab

Im Laufe der Untersuchungen wurden zahlreiche Erkenntnisse gewonnen, die bei der Vorbereitung und Durchführung von Untersuchungen an Mikroprüfkörpern zu berücksichtigen sind. Diese hängen insbesondere mit den sich aus den kleinen Abmessungen ergebenden Besonderheiten zusammen. So nehmen hygroskopische Kunststoffe wie zum Beispiel Polyamide die Feuchtigkeit aus der Luft so schnell auf, dass sie innerhalb weniger Stunden in einen gesättigten Zustand gelangen. Die Untersuchung des spritztrockenen Zustands ist daher kaum möglich.

Auf Grund der sehr viel kleineren Dimensionsänderungen beim Zugversuch (der Dehnungsbereich zur Ermittlung des E-Modul liegt z.B. bei nur bei ca. 15 Mikrometer) werden an die Verformungsmessung sowie an die Maschinensteifigkeit und spiel- und schlupflose Kraftübertragung sehr hohe Anforderungen gestellt. Mechanisch arbeitende Wegaufnehmer konnten auf Grund der kleinen Probenabmessungen und damit verbundenen Platzverhältnisse im Messraum grundsätzlich nicht verwendet werden. Die verwendete optische Dehnungsmessung mit dem ARAMIS-System zeigte sich im Hinblick auf die verwendete Zugprüfmaschine (Tiratest 2705) sehr gut geeignet, die Deformation im Bereich kleiner und mittlerer Dehnungen zu verfolgen.

Die Ergebnisse zum Einfluss der Verarbeitungsbedingungen und der Prüfkörperdicke machen deutlich, dass die Übertragung von Datenblattkennwerten auf Mikroteile in noch viel höherem Maße als das bereits bei Standardprüfkörpern der Fall ist, kritisch und mit großer Vorsicht zu betrachten ist. Die Ergebnisse sind ein wichtiger Beitrag bei der Beurteilung des Einsatzes thermoplastischer Kunststoffe für Mikroteile mit sehr geringen Wandstärken.