Ziel der Entwicklung

Logo: Entwickeltes Trennmodul für das Vereinzeln, Konturieren und Entgraten von Kunststoffbauteilen mit thermo-mechanischem Wirkprinzip und erzeugten Schnittstellen an einer PMMA-Linse
Entwickeltes Trennmodul für das Vereinzeln, Konturieren und Entgraten von Kunststoffbauteilen mit thermo-mechanischem Wirkprinzip und erzeugten Schnittstellen an einer PMMA-Linse

Der Bedarf an funktionsintegrierten Verbundbauteilen aus hochleistungsfähigen Kunststoffen steigt immer weiter an. Insbesondere für die Medizintechnik, Sensorik und die Bereiche Life-Science und Automotive werden komplex abgeformte Spritzgussteile in unterschiedlichen Gestaltungsvarianten benötigt. Das Formteilspektrum reicht von optischen Elementen (wie Linsen, Display und Lichtleiter) über fluidische Bauteile (wie Mikroventile, Düsen und Lab-on-a-Chip-Systeme) bis zu mechanischen und elektrischen Komponenten (wie Gehäuseteile, Zahnräder, Gelenkstrukturen und MID-Bauteile). Kunststoffbasierte Abformtechnologien wie Spritzgießen, Spritzprägen und Heißprägen stoßen derzeit an technologische und wirtschaftliche Einsatzgrenzen, sodass nicht selten eine Nachbearbeitung der Teile außerhalb der Formgebungsprozess (beispielsweise Angusstrennen) erfolgen muss. Aufgrund engster Toleranzierung, erhöhter Reinraumanforderung und sensibler Eigenschaften der Formteile klassische Trennverfahren wie Scher- und Messerschneiden, Drehen und Fräsen nicht anwendbar. Projektidee ist ein geführter erwärmter Festkörper für das dosierte Abtrennen von thermoplastischen Kunststoffmaterial an Formteilregionen (Endkonfektionieren). In Anlehnung an funkenerosive Fertigungstechniken wird mit einem präzisen Runddraht definiert Wärme und Bewegung in die Bearbeitungszone eingeleitet, um ein lokal begrenztes Aufschmelzen von Kunststoff für den parallel stattfindenden Trennvorgang zu bewirken. Das hybride Wirkprinzip zur effektiven Beheizung des feinen Trenndrahtes beruht auf der Einprägung eines periodischen Stromes zur direkten Beheizung und einem umgebenden Magnetfeld zur periodischen Auslenkung des Arbeitsdrahtes. Die induzierten hochfrequenten Drahtschwingungen und ein kontinuierlicher Drahtvorschub begünstigen das thermisch-rheologische Verhalten in der Wärmeeinflusszone (Schmelze) derart, dass kein Materialstau vor dem bewegten Trennkörper entsteht.

Weiterhin waren die Gestaltung und die Auslegung adäquater Trennkörper, deren effiziente thermische Beaufschlagung, die fertigungsgerechte Einkopplung mechanischer Wirkenergien sowie spezifische Bewegungslösungen für den Trennprozess fachliche Schwerpunkte.

Das neuartige Endkonfektioniermodul soll den erhöhten Ansprüchen seitens der Hersteller hinsichtlich des Erhalts von Bauteileigenschaften und Reinraumtauglichkeit gerecht werden. Die zu schaffende automatisierte Trennlösung soll wirtschaftlich in Anschaffung und Betrieb sein sowie bestehende Laser-, Zerspanungs- und Stanztechniken der Kunststoffbranche ergänzen. Verfahren und Einrichtungen, die flexible Konturierungen von sensiblen und funktionsintegrierten Mikrostruktur- und Präzisionsformteilen aus Thermoplasten vornehmen, sind bis heute nicht existent.
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Vorteile und Lösungen

Im Projekt wurde ein automatisiertes Trennmodul zur Endkonfektionierung thermoplastischer Kunststoffkomponenten entwickelt, aufgebaut und erprobt. Das Präzisionstrennen erfolgt mit blanken magnetfreien Runddrähten im Durchmesserbereich von 50 bis 200 Mikrometer, die hoch bestrombar und mechanisch belastbar. Mit der Vorrichtung sind glatte, rissfreie und restgratarme Präzisionsschnitte an Formteilen aus den Kunststoffen wie PC und PMMA weitestgehend kraftfrei und ohne Späne herstellbar. Der lokal begrenzte Wärmeeintrag und die geringen Schnittkräfte gewährleisten einen Erhalt des spannungsbezogenen Formteilzustandes. Randseitige Degradationen und Abschmelzungen sind gering und vernachlässigbar. Die Trennzeiten bewegen sich mit im Sekundenbereich und liegen damit im üblichen Zeitfenster des Spritzgießtaktes für hochwertige optische Formteile. Die erreichte Fertigungsqualität wird von den involvierten Partnerunternehmen aus der Kunststofffertigung für gut bewertet. Zielgruppen sind Maschinenhersteller, Spitzgießwerkzeughersteller, Anlagenausrüster und Produzenten hochwertiger Komponenten aus dem Bereich der Kunststoffverarbeitung, die an neuen fertigungstechnischen Lösungen zur Endbearbeitung polymerer Formteile interessiert sind.

Zielgruppe und Zielmarkt

Als Zielmarkt lassen sich alle Branchen und Märkte definieren, in denen Kunststoffe zu hochwertigen Serienformteilen verarbeitet oder Maschinen- und Anlagentechnik für die Kunststoffverarbeitung entwickelt und hergestellt werden. Die Anwenderbereiche des Endkonfektioniermoduls liegen in den Industriezweigen, in denen funktionalisierte High-End-Mikrostrukturbauteile aus Kunststoff rückstandsfrei zu vereinzeln bzw. in unterschiedlichen Geometrievarianten zu fertigen sind. Insbesondere im Produktbereich der Sensor- und Beleuchtungstechnik, Medizin- und Analysetechnik sowie im Life-Science-Bereich werden flexibel einsetzbare Trennverfahren zur finalen Konfektionierung hochwertiger Spritzgussteile aus Hochleistungs- und Spezialkunststoffen dringend benötigt. Die entwickelte automatisierte Trenntechnik wird zur Nachbearbeitung von Kunststoffkomponenten übliche Laser-, Zerspanungs- und Stanztechniken ersetzen können.
Produzenten solcher High-End-Mikrostrukturbauteile aus Polymerkunststoffen und Polymer-Verbundwerkstoffen suchen derzeit nach geeigneten automatisierungsfähigen Prozessmodulen, insbesondere für die wirtschaftliche rückstandsfreie Vereinzelung aus komplexen spritzgegossenen Bauteilverbunden, unmittelbar nach Abform- und Endmontageprozessen. Speziell im Produktbereich der Sensor- und Beleuchtungstechnik sowie Analysetechnik zeigt sich ein großer bisher nicht gedeckter Bedarf an flexiblen Lösungen, die hochwertige Spritzgussteile aus Hochleistungs- und Spezialkunststoffen final konfektionieren können. Noch nicht quantifizierbare hohe Bedarfe liegen bei der Endbearbeitung von kunststoffbasierten 3D-Druckbauteilen.

Das neuartige Endkonfektioniermodul soll den erhöhten Ansprüchen seitens der Hersteller hinsichtlich des Erhalts von Bauteileigenschaften und Reinraumtauglichkeit gerecht werden. Die zu schaffende automatisierte Trennlösung soll wirtschaftlich in Anschaffung und Betrieb sein sowie bestehende Laser-, Zerspanungs- und Stanztechniken der Kunststoffbranche ergänzen. Verfahren und Einrichtungen, die flexible Konturierungen von sensiblen und funktionsintegrierten Mikrostruktur- und Präzisionsformteilen aus Thermoplasten vornehmen, sind bis heute nicht existent.